节理粗糙度对岩块体积的影响规律研究

岩体结构直接控制着岩体力学、水力学特性,岩块体积分布规律可直接反映岩体结构特征。目前研究多将节理面简化为平面,忽略了粗糙度对岩块体积的影响。利用Hurst指数H和高度均方根Rq表征节理粗糙度,研究了节理粗糙度对岩块数量和体积分布规律的影响。结果表明:(1)H、Rq控制节理的粗糙起伏形态,粗糙度随着Rq的增大而增大、随着H的增大而减小;(2)块体的数量总体上与节理粗糙度正相关,即随着粗糙度的增大而增加;(3)Rq和H对岩块体积分布的影响,主要通过改变小体积块体所占比例实现,块体的平均体积和中位体积随着粗糙度的增大而减小;(4)当节理正交且间距相近时,块体数量随粗糙度的变化可以分为3个阶段,即稳定阶段、初始增长阶段和快速增长阶段,Rq和H共同控制着各区间的相对分布范围。最后,基于摄影测量采集的数据建立了岩体节理模型,对大连某公路边坡的岩块体积分布进行了研究,验证了上述结论的准确性。

基于统计参数的二维节理粗糙度系数非线性确定方法

岩体节理粗糙度系数JRC与其统计参数之间具有复杂的非线性关系,单一统计参数因存在对结构面形貌描述的片面性,从而导致JRC计算结果的可靠性较低。从结构面起伏角、起伏高度及其分布特征的角度选取了平均起伏角avei、平均相对起伏度H/L、起伏角标准偏差iSD和起伏高度标准偏差hSD 4个参数共同反映结构面形貌。以已知JRC试验反算值的102条结构面剖面线作为样本数据对支持向量机进行训练,构建JRC与所选取的统计参数之间的非线性映射关系,建立了JRC支持向量回归(SVR)预测模型,并通过Barton标准剖面线的JRC预测值与试验反算值的对比证明了模型的可靠性。以三峡库区秭归县马家沟滑坡所处地层岩体结构面为例,基于三维激光扫描试验获取了其表面形貌数据并建立了三维形貌模型,开展室内直剪试验反算得到了其JRC。实例JRC的计算结果表明,SVR模型预测结果与试验反算值的相对误差仅为4.5%,不同统计参数回归关系式对于相同剖面线的估算结果存在较大差异,表明基于所选取的统计参数,采用SVR模型预测得到的JRC更加可靠。该方法为JRC的定量确定提供了新思路。

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N.Barton和V.Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC=0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径φ50mm,高度100mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明:(1)在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2)不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。

岩体节理粗糙度系数与统计参数的相关关系研究

测定节理粗糙度系数JRC的方法均基于10条标准剖面,其人为误差大,且未考虑采用不同取样长度离散节理剖面对各统计参数与JRC的影响。为避免对10条标准剖面JRC的测量误差,考虑JRC的取值范围及离散节理剖面时不同取样长度的影响,从数值模拟粗糙节理的角度出发,采用截断正态分布随机抽样得出节理凸起高度,由每段的凸起高度及取样长度形成凸起表面,叠加生成具有一定迹长的粗糙节理,根据Barton直边法测量其JRC,计算相应的统计参数,研究不同取样长度下各统计参数与JRC的回归关系。研究结果表明:JRC与均方根RMS和中线均值CLA呈线性关系,JRC与均方值MSV,均方根一阶导数Z2,粗糙剖面系数Rp和结构函数SF之间呈抛物线关系,且相关系数均较高;取样长度对统计参数、JRC及其回归关系式有较大影响,在数值模拟粗糙节理时应使取样长度与岩体粒径相近。由于MSV,RMS和CLA只能反映节理起伏高度的均值状况,不能反映各凸起高度所占权重对JRC的影响,因此,建议采用Z2,SF对JRC进行估算。

基于孔内影像的岩石节理粗糙度特征研究

目前对岩石结构表面粗糙度的研究往往只局限于地表,难以反映深部岩石节理粗糙度的特征。钻孔孔壁上节理轮廓线包含有三维信息的特点,本文开展了基于数字钻孔摄像技术的岩石节理粗糙度分形特征的研究,利用数字钻孔摄像系统获取地下深度岩石节理全景图,采用边缘检测技术从全景图中提取出节理轮廓线,对其进行空间变换和视距离变换得到地下岩石节理粗糙表面轮廓线的真实状况。与Barton提出的10条标准剖面曲线进行对比得到每条轮廓线的JRC值,并计算其分形维数,根据最小二乘法原理拟合出JRC与分形维数之间的关系为:φ(D)=JRC=-541.9x2+1362x-818.53。本文研究内容为描述地下深部天然节理的结构及其特征提供了基础,对更深入地研究地下深部岩石节理的表面空间状况有重要的意义。

不同节理粗糙度系数的裂隙渗流规律研究

裂隙的研究对石油开采、水利工程以及地下空间的利用都具有重要的意义。真实裂隙表面粗糙的几何形态会影响流体的流动特性及裂隙的传导能力,立方体定律难以满足使用条件。根据节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,采用逆向数字化建模方法,开展仿真模拟不同JRC裂隙渗流规律的研究。结果表明:作用在不同粗糙度裂隙两端的压差恒定时,随着节理粗糙度的增加裂隙内流体的流量逐渐减小;流入不同粗糙度裂隙单位体积流量恒定时,随着粗糙度的增加,作用在裂隙两端的压差逐渐增大;模拟结果与实验结果相对比,得出裂隙机械宽度与流量之间的关系曲线表现出明显的非线性特征,两条趋势线相吻合,均符合对数关系。

基于修正线粗糙度法的岩石节理粗糙度估值

考虑了节理形态的层次性,提出了用修正的线粗糙度法表征节理轮廓线粗糙度(JRC),即用节理轮廓线的起伏度表示节理的一级波状形态,用伸长率代表节理的次级精细结构。通过对Barton给出的10条典型节理轮廓线的特征参数计算,并与相应的JRC值进行回归分析,给出了JRC值计算公式。另外,要获得节理轮廓线的伸长率,节理全迹长是一个很重要的参数。在工程实践中,针对全迹长量测存在的困难,研究以摄影测量为基础,借助数字图像处理技术,在VC++平台下开发了节理轮廓线特征参数计算程序,实现了节理全迹长的快速量测,并对该方法在工程实践中的方便应用做了有益的探索。

节理粗糙度曲线的分维特征

基于野外实测节理粗糙度曲线,建立了分维数D_f与节理粗糙度系数间的关系式。此外,文章对Barton标准粗糙度谱线用分维值进行了分类,并探讨了粗糙度的本质含义。

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度(节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22)的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。

节理粗糙度对应力波传播及试样破坏影响的颗粒流模拟

为了研究节理粗糙度对应力波传播规律的影响以及粗糙节理试样受应力波作用发生破坏的微观机理,利用基于离散元方法的数值分析软件PFC2D构建了SHPB系统的颗粒流数值模型。在已有SHPB物理试验的基础上对试验中采用的节理试样进行微观参数标定,研究了较低冲击荷载下节理粗糙度对应力波传播的影响规律以及较高冲击荷载下不同形貌节理试样的微观裂纹扩展和破坏机理。研究表明:节理面的存在会降低应力波的透射系数,且节理面粗糙度越大,透射系数越小;冲击载荷下裂纹在节理面处萌生并迅速扩展到试样完整部分尤其是试样端面,大部分裂纹形成于峰后阶段,且张拉裂纹占主导地位;节理面越粗糙,动态强度越低,试样越容易破坏,产生的裂纹数也越多。

分形几何与岩石节理粗糙度

本文论述了分形几何的科学涵义,理论意义和实际应用。根据自相似分形理论,对岩石节理粗糙度进行分形研究。根据有关理论提供的分形模型,对其进行了定量分析和电算拟合,并与已有成果比较和探讨。同时。还对国内外已发表的有关运用分数维方法研究岩石节理粗糙度的论著作了简要综述。

基于随机森林方法的岩石节理粗糙度系数研究

岩石节理粗糙度系数(JRC)是研究岩石力学的重要参数之一。为精确有效地描述JRC,提出了一种基于随机森林(Random forest,RF)算法研究JRC的新方法。首先,详细叙述了RF算法的原理和实现流程;然后,简要分析了影响JRC的一些统计参数,确定了7个重要的基本变量,即节理表面最大峰高Sp、表面最大高度Sz、表面最大谷深Sv、峰度系数Sku、偏斜度系数Ssk、均方根高度Sq、算数平均高度Sa;最后,结合R语言构建了一种RF回归预测分形维数D和JRC值的模型,其中用于训练和测试RF回归模型的样本资料源于某高校的实测数据。用6组实测数据对训练后的RF回归模型进行了测试,试验结果表明:(1)利用RF回归模型预计的D值、JRC值与实测值的最大相对误差仅为3.844%、4.553%。(2)RF回归模型具有较强的泛化能力,需要考虑的模型参数少,预测精度高,为今后继续研究D值和JRC值提供了一种新思路。

基于离散标准节理粗糙度系数曲线的粗糙单裂隙等效水力隙宽的确定

鉴于节理粗糙度、力学隙宽及迹线是影响确定粗糙单裂隙等效水力隙宽的三个关键因素,在既有研究的基础上,将光滑平行板和Barton提出的10条标准节理粗糙度系数曲线数字化,应用Fluent软件对不同节理粗糙度系数和不同力学隙宽模型进行数值模拟,探讨了节理粗糙度系数、力学隙宽、迹线与等效水力隙宽之间的关系。并与立方定理修正公式进行对比,结果表明等效水力隙宽随力学隙宽增大而线性增大,随节理粗糙度系数的增大而减小,并且考虑实际迹线情况的等效水力隙宽较不考虑的大。因此,在实际工程中,可采用所提出的拟合公式判断自然粗糙裂隙的渗透能力。

节理粗糙度与分维

岩体节理粗糙度JRC不但是估算节理抗剪强度和变形指标最重要的参数,而且对于研究岩石的剪胀效应和渗流性质等具有重要意义.笔者主要回顾了近年来国内外对岩石节理粗糙度系数(JRC)研究的进展,以及所取得的成果,尤其将分形理论应用于研究岩石节理的粗糙度以后,使得对岩体节理粗糙度的描述取得了一定的发展,并得出了JRC与维数的一系列的关系.

基于3D打印技术测试节理粗糙度系数对裂隙渗流量的影响及关系研究

岩体的裂隙渗流问题与深基坑和隧道的开挖、岩体边坡和坝基的稳定、石油和天然气的开采等方面有关,裂隙渗流会对岩土工程的安全、稳定和使用年限产生较大影响。基于3D打印技术,根据节理粗糙度系数(JRC)标准剖面轮廓曲线,制作了6个开度为2.5 mm的不同JRC的单裂隙试样,对JRC对裂隙渗流量的影响及关系进行了研究。

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率Rs,建立JRC与Rs的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和Rs对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明:JRC与Rs呈对数函数关系,其平方根R2为0.9128,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,Rs和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和Rs值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。

不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的颗粒流模拟

为了探究不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的裂纹扩展过程及破坏模式,基于颗粒流方法,对试样施加不同法向应力,并探讨了预剪面应力演化过程。研究结果表明:根据微观裂纹的张、剪属性及其演化过程,岩桥破坏模式大体可分为5类,且与法向应力和节理面粗糙度密切相关,法向应力、节理粗糙度的增加都会促使岩桥向剪切破坏方式转变;初始翼裂纹与原节理面的夹角对法向应力变化不敏感,而随着节理粗糙度的增加而减小;在剪切过程中,预剪面上的应力分布不均匀且不断进行重分布,对于平直节理岩体剪应力主要由岩桥承担,且无论水平向还是法向,岩桥部分压应力均大于节理部分;而对于粗糙节理岩体,剪应力由节理和岩桥共同承担,且节理部分的应力均高于岩桥部分。研究成果对进一步明确断续节理岩体的力学参数有参考价值。

节理粗糙度及吻合状态对岩体动态压缩特性影响的试验研究

节理粗糙度及吻合状态不仅直接影响节理力学性质,也对岩体的动态压缩性质有重要影响。首先采用水泥砂浆材料浇制不同粗糙度的完全吻合和不吻合节理岩体试样,然后使用分离式霍普金森杆系统对所制试样进行冲击试验研究节理岩体的动态压缩性质,同时利用高速摄像机及数字图像相关方法进行观测和计算去探究节理岩体动态破坏过程。结果表明:(1)给定冲击荷载下,节理面粗糙度对完全吻合型节理试样的动态压缩强度和平均模量影响不大,但对不吻合型节理试样影响较大;(2)不吻合型节理表现出非线性动态压缩闭合特点,其闭合特性不仅受到节理面粗糙度的影响,而且与节理的具体形貌特征相关;(3)应力波在通过完全吻合型节理岩体的能力时受到节理面粗糙程度的影响不大,而不吻合节理岩体试样则表现出随着JRC增大而增大的趋势;(4)节理岩体破坏与节理面的不规则凸起有关,节理壁凸起与应力波的相互作用引起节理面凸起处出现应力集中效应。拉应力引起张拉裂纹,而后裂纹扩展,直至贯通,岩体发生劈裂破坏坏。

循环冲击下节理表面粗糙度对其法向刚度与形貌的影响

采用水泥-花岗岩颗粒混合浆浇筑成的类岩石试样模拟天然节理岩体。为探究循环冲击下节理表面粗糙度对节理的法向刚度与形貌的影响,采用分离式霍普金森压杆对不同节理粗糙度的类岩石试样进行冲击试验。基于一维应力波传播理论与三维形貌扫描技术分析试样的应力分布,并探究节理形貌的变化规律。研究结果表明:随着节理粗糙度系数的增加,节理法向刚度减小,在冲击荷载作用下,节理表面最大高程差增大。对于同一试样,当循环冲击次数不多且节理试样没有破坏时,节理刚度变化不明显,但节理试样破坏后,节理刚度明显降低。

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。