基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现:(1)同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;(2)结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;(3)随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。

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。

低幅值应力波在岩石三维节理面的折反射规律理论研究

岩土动力问题中,岩石节理对应力波的传播与能量的传递极大的影响,进而对岩土工程的动力响应特性造成影响。在以往应力波在非连续面传播规律的研究中,较少能够从理论上研究三维节理的复杂表面形态所导致的复杂力学性质对应力波传播规律的影响。为此,基于细观接触理论分析了岩石三维节理的应力-变形本构方程一般形式,分析了平面谐波与三维节理面上的变形与应力之间的变化规律,并基于DDM方法给出P波、SV波与SH波在三维节理面上折反射解析解。在模型研究和理论求解基础上通过参数分析研究了应力波的入射角、节理的交叉耦合变形刚度系数对折反射应力波的影响规律。研究发现,对于三维岩石节理,当本构方程中刚度系数矩阵中的交叉耦合刚度系数非零时,三种简谐波(P、SV、SH波)之间皆可已相互转化,且增大三维节理的交叉耦合刚度系数能够显著的增大转换波的幅值系数,使得同型波反射系数增大,同型波透射系数减小。

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明:节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。

大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.

3D打印裂隙渗流特征试验研究

裂隙渗流的研究对于地下工程的安全性评估具有重要的意义。根据节理粗糙度系数(JRC)标准剖面轮廓曲线,通过3D打印技术,制作出6个开度为2.5 mm不同节理粗糙度的单裂隙试样,对其开展渗透试验工作。试验结果表明:(1)当流速逐渐增大时,单位宽度的渗流量q与水力梯度i呈现较强的非线性关系,如果仅用立方定律计算,大大低估了模型的水力梯度的变化,出现明显的偏差;(2)JRC对裂隙渗流有很大的影响,当进口流速保持不变时,随着节理粗糙度的增大,裂隙两侧的压力逐渐增大,单位宽度的渗流量q与水力梯度i的非线性越来越强。

岩石节理三维表面形貌精细描述与粗糙度定量确定方法的研究

为了实现对岩石节理粗糙度进行定量描述,分析目前已有研究方法和理论存在的局限性,参考有关岩石节理剪切机制的研究后,提出12个反映节理表面剪切特性与各向异性的三维粗糙度特征参数。并且,基于三维高精度激光扫描与GIS技术,以似斑状花岗岩为例,对其节理表面起伏形态进行精确测定,实现了对三维特征参数的提取。通过对具有明显阶坎或凸起(凹坑)状起伏形态岩石节理的粗糙特性进行精确定向描述基础后,发现大于45°的倾斜面面积对剪切方向的敏感性较大。最终,通过对多个节理样本的室内直剪试验与测量结果的分析,得到了3DJRC的经验计算公式。