基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

系列尺度岩石结构面相似表面模型制作的逆向控制技术研究

制作与原岩结构面相似表面形态的模型试样是开展结构面力学模型试验的关键。基于不同尺度岩石结构面模型试样的制作特点,研制上、下盘完全吻合的系列尺度试样模具,并设计上、下盘吻合结构面试样的制作工艺,使得原岩结构面可以多次重复利用,提高原岩结构面的使用效率,降低取样成本和试验周期,实现在同一块结构面上不同尺度结构面模型的制作。利用表面形态相似性评价技术,验证制作工艺的可行性,结果表明,按照该逆向控制技术设计制作的模型试样,能复制出和原岩结构面表面形态一样、上、下盘结构面吻合度高的模型试样,符合制作不同尺度模型结构面的要求,可克服原岩结构面上下盘吻合度差、不能多种尺度取样的缺点,为开展具有真实表面形态的结构面抗剪强度尺寸效应试验研究提供了条件。     

基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c（黏聚力）、f（内摩擦角）值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、f值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。移动阅读      

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。     

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。     

基于CT扫描与3D打印技术的岩体三维重构及力学特性初探

无法直观认识和还原岩石内部结构一直是阻碍岩石力学试验研究的关键问题之一。以天然砂岩为研究对象,运用CT扫描和2种不同的3D打印工艺重构了与天然砂岩试样结构相接近的3D打印试样,并在此基础上通过单轴压缩和巴西劈裂试验对天然砂岩及3D打印试样进行了力学性能测试,对比了两者的强度和变形规律。试验结果表明:通过不同3D打印工艺制作的试样均能够高度还原天然砂岩试样的内部复杂结构。其中,采用3DP打印工艺制作的试样具有与天然砂岩试样更接近的物理力学性能,试验结果的离散性也相对较小。其研究结果可为今后岩石力学研究中材料的替换、室内试验的开展和数值模拟结果的印证提供新的研究途径。     

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。     

一种新型粗糙节理面随机强度模型及其应用

天然岩体在长期地质作用下会生成各种节理裂隙等不连续面,而地下工程结构的稳定性一般取决于这些不连续面的强度。在众多因素中,表面形态对岩石节理面剪切强度具有决定性影响。为了系统研究岩石节理面剪切强度的确定方法,把岩石节理面概化为一系列高度不同的微长方体凸起组成的粗糙表面结构,且微长方体凸起有剪胀破坏和非剪胀破坏两种模式。综合微长方体凸起破坏规律,应用概率密度函数描述节理面表面起伏分布的影响,建立了粗糙节理面随机强度模型,推导了节理面剪切强度理论公式,提出了节理面强度的随机评价方法。基于随机强度模型和评价方法编制Matlab计算程序计算自然粗糙节理面的剪切强度,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究表明:粗糙节理面随机强度模型综合了粗糙节理面表面形态和法向应力对节理剪切强度的影响机制,理论计算值与试验数据吻合良好,可以较好的评价粗糙节理的峰值剪切强度和残余剪切强度。该随机模型可作为进一步深入研究的重要基础,分析结构面的连续剪切过程,建立更完善的节理面强度模型。     

自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

利用室内剪切试验装置,开展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面的剪切试验,分析异性结构面的剪切变形和强度特性,利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明,（1）异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件,饱水试件的弹性区减小,较早进入峰值区或塑性区;（2）异性结构面的剪切刚度均随法向力的增大而增大,但同一正应力下饱水试件的剪切刚度要小于自然状态的剪切刚度,在低法向力下尤为显著;（3）水对岩体异性结构面剪切强度参数有不同程度的弱化,尤其对内摩擦角 的劣化明显;（4）只要计算参数选取得当,并考虑实际岩体的受力及水等情况,JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体的结构面强度提供较为准确的参数。     

Friction and degradation of rock joint surfaces under shear loads

The morpho‐mechanical behaviour of one artificial granite joint with hammered surfaces, one artificial regularly undulated joint and one natural schist joint was studied. The hammered granite joints underwent 5 cycles of direct shear under 3 normal stress levels ranging between 0.3 and 4 MPa. The regularly undulated joint underwent 10 cycles of shear under 6 normal stress levels ranging between 0.5 and 5 MPa and the natural schist replicas underwent a monotonics shear under 5 normal stress levels ranging between 0.4 and 2.4 MPa. These direct shear tests were performed using a new computer‐controlled 3D‐shear apparatus. To characterize the morphology evolution of the sheared joints, a laser sensor profilometer was used to perform surface data measurements prior to and after each shear test. Based on a new characterization of joint surface roughness viewed as a combination of primary and secondary roughness and termed by the joint surface roughness, SR_s, one parameter termed ‘joint surface degradation’, D_w, has been defined to quantify the degradation of the sheared joints. Examinations of SR_s and D_w prior to and after shearing indicate that the hammered surfaces are more damaged than the two other surfaces. The peak strength of hammered joint with zero‐dilatancy, therefore, significantly differs from the classical formulation of dilatant joint strength. An attempt has been made to model the peak strength of hammered joint surfaces and dilatant joints with regard to their surface degradation in the course of shearing and two peak strength criteria are proposed. Input parameters are initial morphology and initial surface roughness. For the hammered surfaces, the degradation mechanism is dominant over the phenomenon of dilatancy, whereas for a dilatant joint both mechanisms are present. A comparison between the proposed models and the experimental results indicates a relatively good agreement. In particular, compared to the well‐known shear strength criteria of Ladanyi and Archambault or Saeb, these classical criteria significantly underestimate and overestimate the observed peak strength, respectively, under low and high normal stress levels. In addition and based on our experimental investigations, we put forward a model to predict the evolution of joint morphology and the degree of degradation during the course of shearing. Degradations of the artificial undulated joint and the natural schist joint enable us to verify the proposed model with a relatively good agreement. Finally, the model of Ladanyi and Archambault dealing with the proportion of total joint area sheared through asperities, a_s, once again, tends to underestimate the observed degradation. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于多重分形特征的岩体结构面剪切强度研究

Barton剪切强度模型是目前工程实践中普遍采用的强度公式,而实践应用时,该模型中结构面粗糙性系数（JRC）的评估存在主观性和片面性的缺点。鉴于此,应用多重分形理论,提出了采用多重分形参数准确量化JRC的方法。首先应用数字图像处理技术获取了结构面三维形貌数据信息;然后采用投影覆盖法进行了结构面的分形维数计算,重点对结构面的多重分形特征进行了分析,通过对比分析了构造的15个结构面的多重分形特征值。结果表明：结构面越粗糙,多重分形特征参数 和 值越大, 或 能够很好地描述结构面的形貌特征。最后对9组石膏试件进行了剪切试验,通过不同正应力下对应的剪应力数据分析,结合结构面形貌多重分形参数 或 ,以Barton剪切强度公式为基础,应用最小二乘法原理,给出了JRC与 及JRC与 关系。这样在工程实际中,可以用参数 或 对JRC进行估算,克服了JRC人为估值主观性及采用二维标准轮廓线评估片面性的缺点,为准确评估结构面粗糙度提供了一条新的途径。在此基础上,应用Barton模型可准确估算岩体结构面的剪切强度。     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。     

Quantitative Parameters for Rock Joint Surface Roughness

Summary The morphologies of two artificial granite joints (sanded and hammered surfaces), one artificial regularly undulated joint and one natural schist joint, were studied. The sanded and hammered granite joints underwent 5 cycles of direct shear under 3 normal stress levels ranging between 0.3–4 MPa. The regularly undulated joint underwent 10 cycles of shear under 6 normal stress levels ranging between 0.5–5 MPa and the natural schist replicas underwent a monotonous shear under 5 normal stress levels ranging between 0.4–2.4 MPa. In order to characterize the morphology of the sheared joints, a laser sensor profilometer was used to perform surface data measurements prior to and after each shear test. Rather than describing the morphology of the joints from the single profiles, our characterization is based on a simultaneous analysis of all the surface profiles. Roughness was viewed as a combination of a primary roughness and a secondary roughness. The surface angularity was quantified by defining its three-dimensional mean angle, θ_s, and the parameter Z2_s. The surface anisotropy and the secondary roughness were respectively quantified by the degree of apparent anisotropy, k _a, and the surface relative roughness coefficient, R _s. The surface sinuosity was quantified by the surface tortuosity coefficient, T _s.  Comparison between the means of the classical linear parameters and those proposed shows that linear parameters underestimate the morphological characteristics of the joint surfaces. As a result, the proposed bi-dimensional and tri-dimensional parameters better describe the evolution of the joints initial roughness during the course of shearing.     

充填物性质影响结构面剪切特性试验研究

通过自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了无充填结构面和充填石膏、岩屑、黄泥结构面的剪切试验。利用三维光学扫描技术,研究了结构面的三维形貌特征和裂隙开度演化。结果表明：充填结构面的峰值剪应力和法向位移由充填石膏、岩屑到黄泥依次递减,受充填物强度影响较大;无充填结构面由于直接接触,剪切后表面发生明显磨损,结构面粗糙度系数（JRC）整体减小且变化最为显著,充填石膏和岩屑结构面的JRC变化次之,充填黄泥结构面几乎没有变化;充填物破坏和结构面磨损主要受裂隙开度演化和局部应力集中的影响。随着剪切位移的增大,在裂隙开度较小的区域,应力分布较大,充填物易沿此处破碎,无充填结构面沿此处严重磨损。     

经历剪切变形历史的岩石节理表面粗糙特性分析

基于两类岩石节理剪切试验，采用非接触式激光测距仪，实测了剪切前后节理表面粗糙数据，统计分析了岩石节理表面粗糙特性的三维粗糙参数的物理含义，并将这些参数与相应的二维参数进行了充分比较。结果表明，三维参数与二维参数间存在的近似线性关系，而多个三维参数相对比单一的二维参数更全面有效地描述了节理表面粗糙特性。     

3D打印技术在岩石物理力学试验中的应用

3D打印技术在岩土工程领域的应用还处于初步探索阶段,但其可重复制造含复杂内部结构的试样是常规室内试验无法实现的。现阶段制约3D打印技术在岩石物理力学试验中应用的主要因素在于3D打印试样强度偏低,延性较强。初步探讨了3D打印后干燥时间、打印胶水浓度对试样强度的影响,在此基础上提出了最优化打印方案,使打印试样在强度和脆性方面均有很大提升;通过改变打印方向模拟了天然层状节理岩石的各向异性特征。研究结果表明,随着打印倾斜角度的增加,3D打印试样的单轴抗压强度先减小后增大,呈"U"型变化趋势,抗拉强度也随打印方向的改变出现明显的各向异性特征,这与天然层状节理岩石相关研究成果相似。研究成果可为3D打印技术在岩土工程领域的推广和室内试验研究提供参考。