结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式

JRC是反映爬坡角力学效应的岩体结构面表面形态等效描述指标。本文在Barton直边法的研究基础上,利用直边图的几何性质,推导出结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式,并通过实例检验了JRC简明公式的合理性和实用性。

不同粗糙度系数结构面分级剪切蠕变特性

掌握结构面剪切蠕变特性的规律是揭示岩体时效变形与破坏的根本途径。通过对Barton标准剖面线第1条和第10条人工水泥砂浆结构面分别开展了恒定法向力条件下的分级剪切蠕变试验,研究了结构面剪切蠕变特性随粗糙度系数(JRC)、法向应力、剪应力的变化规律。同时,采用离散元软件(PFC 2D)对不同粗糙度系数的Barton标准剖面线结构面进行了分级剪切蠕变数值模拟研究。结果表明:在恒定法向力条件下,同一结构面剪切蠕变量、蠕变速率均随剪应力增加而增加;在恒定法向应力及剪应力作用下,剪切蠕变随粗糙度系数增加而减小,结构面剪切蠕变数值模拟结果验证了同样的结论;另外,蠕变变形位移云图结果表明结构面试样沿结构面剪切加载方向,剪切蠕变随距离增加而减小;随着粗糙度系数增加,结构面剪切蠕变破坏模式由滑移摩擦为主逐渐向剪断破坏为主过渡。研究成果可为岩体工程的长期安全稳定性评价提供理论依据。

宽隙比及粗糙度对交叉裂隙高速非达西偏流效应的影响

目前针对交叉裂隙偏流现象的研究只局限于达西情况下,而实际工程中地下水渗流常常出现高速非达西现象。基于已有研究的基础,利用Fluent软件分别对不同隙宽比和不同粗糙度的交叉裂隙中的渗流进行数值模拟,以研究交叉裂隙在高流速下的非达西偏流效应特性。通过设置变量裂隙和参照裂隙,探讨两条支裂隙隙宽比以及节理粗糙度系数JRC对达西与非达西情况下偏流量的影响;同时对比了不同隙宽、不同粗糙度的单裂隙的渗流量与交叉裂隙分支裂隙的渗流量。结果表明相比于单裂隙,高流速下交叉裂隙各支裂隙的惯性项系数β减小;这种现象在宽裂隙及粗糙度较小的裂隙中尤为明显;并且在高速非达西条件下,交叉裂隙中的偏流现象更为显著。

基于小波变换理论的岩石节理面粗糙度分级表征

岩石节理面粗糙度的准确量化表征一直是节理岩体力学领域关注的热点问题。节理面表面形貌是多尺度的,且一阶、二阶起伏体对节理面粗糙度的形貌贡献存在差异,如何在考虑节理面多尺度特征的前提下实现粗糙程度的准确表征有待深入研究。基于小波变换理论,提出了用于小波基优选的能-熵比准则,结合基于能量保持百分比及信号标准差定义的临界分解水平准则,形成了节理面形貌分解理论。然后,以节理面形貌分解理论为基础,以10条标准节理面粗糙度系数(JRC)曲线为对象,实现了标准曲线中一阶、二阶起伏体的准确分离。对一阶、二阶起伏体的统计参数(一阶导数均方根Z_(2)、节理面粗糙度指数R_(p)-1)进行了计算,分析了一阶、二阶起伏体统计参数之间的差异,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙度增加而出现局部凸起现象的原因,建立了节理面粗糙度的分级表征公式。最后,开展节理面剪切试验对粗糙度分级表征公式的可靠性进行验证。研究结果表明:①基于小波基优选准则确立的最优小波基coif5可实现节理面表面形貌的小波变换处理;②基于临界分解水平判别准则确立的第4分解水平适用于一阶、二阶起伏体的识别;③节理面中一阶、二阶起伏体的统计参数存在差异,二阶起伏体的统计参数普遍大于一阶起伏体的统计参数,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙程度的增加而出现局部凸起的主要原因是未考虑一阶、二阶起伏体的形貌贡献差异;④基于粗糙度分级表征公式得出的节理面粗糙度系数与节理试样剪切试验结果的反算值吻合,且准确度比未分级的表征公式要好,表明粗糙度分级表征公式是合理的。

基于有限元的不同粗糙度裂隙等效渗透性预测

含裂隙岩体的渗透性预测是分析油气开采、污染物迁移等渗透问题的基础。采用自行编写的子单元程序来求解不可压缩黏性流体的稳态Navier-Stokes流动方程,通过引入周期性边界条件(periodic boundary conditions, PBC)来消除以往的数值模拟中仅选用一小段裂隙而忽略裂隙延伸长度所产生的误差,并采用该方法探究了节理面粗糙度系数(joint roughness coefficient, JRC)、裂隙宽度以及裂隙两表面相互错动对裂隙渗透性的影响。结果表明:随着裂隙宽度的增大,JRC值对渗透性的影响减小;仅使用JRC值无法精确评估裂隙的渗透性。

JRC修正直边法的数学表达

ＪＲＣ是反映爬坡角力学效应的岩体结构面表面形态等效描述指标。本文在爬坡角力学效应机理研究基础上，阐述了ＪＲＣ直边法的物理意义；通过岩体结构面表面起伏幅度与金属表面粗糙度幅度对比分析，肯定了直边法的合理性；考虑ＪＲＣ的尺寸效应，推导ＪＲＣ修正直边法的数学表达式，编译计算机常用程序。最后，实例检验了ＪＲＣ修正直边法数学表达式的合理性和可用性。

基于Weierstrass-Mandelbrot函数的岩体裂隙映射重构

重构岩体裂隙对精准构建裂隙岩体模型以及准确获取其力学性质具有重要意义。鉴于此,为使重构裂隙与天然状态相吻合,提出了D-n_(max)阈值公式,修正了用于岩体裂隙模拟的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数。通过二值化灰度图像对Barton10条剖面线进行数字化,经试错法及综合分析法,以等差方式确定10个粗糙度水平的Hurst值。通过对10条剖面线进行傅里叶变换得到了幅值特征新参数Spp,结合起伏角标准差σ_i线性构建新裂隙粗糙度系数(joint roughness coefficient,简称JRC)计算公式。采用二分法获得目标JRC值对应W-M函数的最佳尺度常数G值,建立了JRC与W-M函数的映射关系。W-M函数考虑了随机项,实现了重构裂隙的差异化。对重构裂隙进行粗糙度定量化研究和室内试验,验证了新参数Spp、新JRC计算公式及映射关系的有效性。所作研究为拓展岩体裂隙获取方法提供了新的思路,为裂隙岩体力学性质研究奠定了基础。

节理抗剪强度综合评价的试验研究

选取不同吻合度自然节理试样,进行干燥状态和饱和状态的JRC-JCS模型和JRC-JMS模型试验研究。结果表明,在节理粗糙度系数的定向统计测量和尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用JRC-JCS模型综合评价节理抗剪强度可靠性较好,考虑吻合度系数的JRC-JMC模型比JRC-JCS模型具更好的预测能力。

高应力和高渗压下粗糙单裂隙非线性渗透行为试验研究

为研究高地应力和高渗压下深部裂隙岩石的渗透演化特征,文章采用RockTop-50HT全应力多场耦合三轴试验系统,开展一系列高围压和高渗压作用下不同粗糙度系数(JRC)单裂隙砂岩渗透试验。基于试验获得不同水力梯度下单裂隙砂岩的非线性渗透特性以及其表征方法;建立Forchheimer方程中参数A、B与JRC之间的定量关系;探究不同JRC单裂隙砂岩非线性渗流过程中雷诺数Re、非达西渗流因子E和表观透过率Ta等渗透参数的演化规律。结果表明:①随着水力梯度逐渐增大,单裂隙砂岩的渗流量呈现出明显的非线性渗流特性;随着JRC值增大,单裂隙砂岩的非线性渗流特征逐渐增强;②高围压和高渗压作用下裂隙的非线性渗流成因机制为渗透失稳和固液界面效应。采用Forchheimer方程定量分析时其非达西惯性系数为负值,表征单裂隙的渗流成因机制为渗透失稳;采用Izbash方程定量分析时发现单裂隙砂岩的非线性渗流特征是由显著的固液界面效应导致;③随着水力梯度增加,雷诺数Re呈非线性增大;非达西渗流因子E为负值且呈非线性降低变化;表观透过率Ta呈现出先振荡,后平稳发展,再迅速增大的发展趋势。研究成果对高地应力和高渗压下的深部裂隙岩体非线性渗流规律、稳定性分析和防灾减灾工程认识具有较重要的意义。

基于正反向直剪试验的岩石节理JRC值计算研究

剖面线JRC值是利用Barton的JRC-JCS抗剪强度模型估算岩石节理抗剪强度的关键参数,目前关于岩石节理剖面线JRC定量计算的研究成果非常丰富,但是考虑剪切方向影响的岩石节理JRC值计算研究还较为欠缺。为此,在对10条Barton标准剖面线进行精细数字化处理获得其二维坐标数据的基础上,考虑剪切方向影响,计算剖面线坡度均方根一阶导数Z_(2)*值,同时,开展具有Barton标准剖面线形貌特征的人工模拟岩石节理试件正反向直剪试验,在此基础上利用正反向直剪试验,反算JRC值和对应的剖面线Z_(2)*值,通过回归分析,建立考虑剪切方向的岩石节理剖面线JRC值对数和幂指数经验计算公式,并将经验公式JRC计算值与直剪试验反算JRC值进行比较,结果表明,幂指数关系式更适合计算正向剪切下的岩石节理剖面线JRC值,而对数关系式更适合计算反向剪切下的岩石节理剖面线JRC值。

基于Barton标准剖面线精细数字化处理的岩石节理JRC计算新公式研究

以Barton提出的10条标准剖面线为研究对象,首先采用PHOTOSHOP和MATLAB图形处理专业软件对10条标准剖面线进行去杂点、补断口等精细数字化处理,获得更为准确的坐标数据,在此基础上计算标准剖面线在不同取样间距下的坡度均方根Z2和振幅参数hA,并建立节理表面粗糙度系数JRC与Z2和hA之间的经验关系式;然后以Barton标准剖面线和天然岩石节理剖面线为对象,采用该计算公式与其他常用经验公式计算相应的JRC值,并将计算值与剖面线真实值进行比较,结果表明:与其他常用经验公式相比,新公式计算结果精确度更高,具有较好的工程应用前景。

基于钻孔摄像技术的孔壁剖面线形貌特征描述方法及其应用研究

在岩体工程性质勘察过程中,获取精细岩体结构面性质对工程的合理设计、预防施工过程中的地质灾害有着重要意义。为了获取深部岩体结构面的形貌特征,针对在钻孔中观察到的环形结构面剖面线,开展基于数字钻孔摄像技术的孔壁剖面线形貌特征研究,提出一种孔壁剖面线形貌特征描述方法。该方法首先以钻孔的孔壁平面展开图为基础数据,采用数字图像处理技术从孔壁平面展开图中提取出结构面剖面线,分析孔壁上岩体结构面产状等基本信息;然后,通过计算并统计各个方向上剖面线的形貌特征参数,以其分布规律来描述结构面的形貌特征;最后,根据结构面形貌特征参数的分布规律,判断结构面的力学特性,形成粗糙度系数玫瑰图。结果表明该描述方法能够很好的表现出孔内结构面粗糙度的各向异性特征,解决了深部岩体结构面形貌特征难以获取的难题。

岩体节理面不同构成部分各向异性的研究

以长河坝电站进水口边坡岩体节理面为研究对象,采用数字近景摄影测量技术获取节理面形貌数据,并将其导入matlab生成三维节理数字高程模型。基于小波分析理论将节理面不同方向的节理迹线分离成表征其主要轮廓形状的一阶大起伏迹线和表征其次要粗糙度的二阶小凸起迹线,计算迹线的节理粗糙度系数(JRC)、研究了节理面不同构成部分的各向异性特征。研究结果显示:(1)节理迹线的一阶起伏部分与二阶凸起部分粗糙度发育优势方向不同。(2)节理面一阶起伏迹线和二阶起伏迹线均存在明显的粗糙度各向异性特征。研究结果可为节理面力学行为和渗流行为各向异性的研究提供依据。