岩石材料抗拉强度与劈裂节理面形貌的加载速率效应研究

为研究岩石材料抗拉强度与劈裂节理面形貌的加载速率效应,使用花岗岩、玄武岩和灰岩3种岩石试样进行不同加载速率下的巴西劈裂试验,研究了岩石材料抗拉强度的加载速率效应。基于三维扫描建立劈裂节理面数字地形,定性地研究了加载速率对劈裂节理面破坏形貌的影响。随后通过3种岩样劈裂节理面粗糙度指标的计算,定量地研究了粗糙度与加载速率和抗拉强度的关系。研究结果表明:岩石抗拉强度随加载速率的增加而增大,在双对数坐标系下,两者表现出较好的线性相关性,根据3种岩石材料劈裂节理面的表面形态,从粗糙度定性和定量结合评价的角度,对比得出加载速率和抗拉强度对试样劈裂节理面粗糙度具有显著影响,岩石的加载速率越大,抗拉强度越大,劈裂节理面粗糙度也随之越大。该研究结果为节理面形貌指标与力学参数的关系研究提供一定参考。     

基于旋转采样法的结构面粗糙度各向异性评价

岩石结构面粗糙度各向异性评价存在不确定性。本文基于高精度激光扫描技术获得的结构面三维点云数据,提出了一种评价岩石结构面粗糙度系数(JRC)各向异性的旋转采样法。通过典型结构面试样的对比分析,探讨了采样方法和尺寸对JRC各向异性的影响。结果表明:(1)已有的单一轮廓线采样法获得的JRC各向异性数据离散,各向异性评价结果偏大,增加结构面尺寸,能提高数据的准确性。(2)采用旋转采样法获得的JRC各向异性数据,在不同尺寸下JRC最值分布更集中,各向异性系数计算结果更稳定,克服了JRC数据离散的问题,可获得准确、可靠的JRC各向异性规律。本文方法和结果可为研究岩石结构面粗糙度各向异性规律提供参考。     

JRC分形估测方法的实用性

基于分形几何的码尺法分维数与岩石节理粗糙度系数的物理意义剖析，认为Ｄ－ＪＲＣ之间不存在必然的相关性．分析标准轮廓曲线的分维数，发现其分维数差级微小，难以实行粗糙度系数分级．根据实测资料阐述了岩石节理表面轮廓曲线的“自相似”是统计意义而不是绝对的，它要求ＪＲＣ分形估测应统计求取，而过繁的分维数测量步骤削弱了ＪＲＣ的分形统计估测的可行性．建立在实测资料统计分析基础上的ＪＲＣ尺寸效应分形模型ＪＲＣｎ＝ＪＲＣ０（Ｌｎ／Ｌ０）－Ｄ客观而真实地刻画了粗糙度系数随取样长度增大而降低的规律，其中，ＪＲＣ尺寸效应分维数（Ｄ）具明确的物理意义，它描述了ＪＲＣ随结构面规模增大而降低的衰减速率．最后，运用ＪＲＣ尺寸效应分维数（Ｄ）探讨了岩石节理粗糙度系数尺寸效应的各向异性规律．     

硬性结构面表面起伏形态测量及其尺寸效应研究

结构面表面形态与其力学性质密切相关,对结构面表面形态进行精细测量是研究结构面变形和强度等力学机理的基础。在分析国内外结构面测量仪器优缺点基础上,利用自主研制的新型便携式测量仪器———接触打孔器对硬性结构面进行机械化精细测量,应用效果表明:由接触打孔器获得的结构面粗糙度JRC值与结构面表面实际的JRC值十分接近。在此基础上,对硬性结构面进行尺寸效应分析,获得了结构面表面JRC值的统计方差随测量长度逐渐衰减的规律,并且计算分析了粗糙度对结构面剪切强度影响的极限长度,最后通过强风化粉砂岩节理、新鲜砂岩层面、泥岩层面进行了分析。结果表明,对于研究区强风化粉砂岩构造节理,当取样长度大于50cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应;对于平直新鲜泥岩层面、平直的新鲜砂岩层面,当取样长度大于5cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应。     

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。     

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。     

基于三维扫描与打印的岩体自然结构面试样制作方法与剪切试验验证

无法大量制作表面形态完全一致的含自然结构面的剪切试样一直是困扰岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。借助最新发展的3D打印和表面快速扫描技术,提出了岩石自然结构面试样制作新方法。该方法采用三维扫描仪获得岩石自然结构面表面形态的高精度点云数据,然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的虚拟剪切模型,进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA（绿色环保材料聚乳酸）塑材模具,最后借助PLA结构面模具在制样盒内通过相似材料浇筑成型出剪切试样,从而实现批量制作结构面形貌完全一致的相似材料结构面剪切试样,满足多种组合试样方案下岩石自然结构面的深入分析。采用这一方法针对3种岩石自然结构面进行了批量制作和剪切试验测试表明：（1）浇筑制作成试样的结构面表面高程与原始结构面高程之间的误差分析显示,岩石自然结构面可以高精度地复制到剪切试样中;（2）相同剪切试验条件下多个剪切试样的剪切位移-剪切力曲线的重合度非常高,表明制作的结构面剪切样的一致性好且试验结果离散性小;（3）通过剪切结构面试样在剪切前后的表面形态扫描分析发现,相同试验条件下自然结构面的剪切破坏形态具有非均匀性。     

基于改进投影覆盖法结构面粗糙度尺寸效应分析

研究结构面粗糙度的尺寸效应特征对全面理解结构面的力学性质有重要的意义。基于此,将随机数应用于投影覆盖法中,改进了投影覆盖法计算结构面分维数时三角形单元划分方法;在分辨率相同情况下,应用改进投影覆盖法计算了两个形貌特征不同的结构面（2 m×2 m）尺寸大小不同时的分维数;探讨了用取自不同区域位置相同尺寸结构面的最大分维数差值来判定结构面合理尺寸的方法。研究结果表明:（1）形貌特征不同的结构面尺寸效应特征不尽相同,一般情况下,随尺寸增大,结构面粗糙度先增大而后减小,即在小尺寸时表现为正尺寸效应,而后为负尺寸效应;（2）对于某一特定结构面,不同尺寸范围选取位置不同,其尺寸效应特征也不尽相同;（3）不同区域位置相同尺寸结构面最大分维数差值随尺寸的增大,其总体趋势为先减小而后逐渐趋于稳定。该研究结果是全面认识结构面粗糙度尺寸效应的有益补充,为确定结构面合理尺寸提供一条新途径。     

岩体结构面力学行为的尺寸效应研究

尺寸效应是岩体结构面力学行为的重要特征。本文列举了结构面力学行为中普遍存在的尺寸效应现象,并由实测统计资料的分析,论证了结构面力学行为的尺寸效应具有分形结构。通过结构面力学行为尺寸效应的机理研究,建立了结构面力学行为尺寸效应分维数和结构面粗糙度系数尺寸效应分维数之间的相关关系,从而简化了结构面力学行为尺寸效应规律的表述,为客观评价岩体结构面力学参数提供最为有效的手段。     

单轴压缩下绿砂岩长期强度的尺寸效应研究

岩石的蠕变特性是影响岩体工程稳定性的重要因素,而岩石的长期强度是确定岩体工程长期稳定的一个重要指标。由于岩石材料的非均质性,其长期强度具有明显的尺寸效应。为了研究岩石长期强度的尺寸效应,首先,在幂函数模型基础上,基于损伤力学理论,建立了能够描述岩石蠕变全过程的非线性蠕变损伤模型;然后,把运用该模型计算得到的单轴压缩蠕变数值模拟结果与室内单轴压缩蠕变试验结果进行对比,验证了模型的正确性;最后,采用所提出的模型对7个不同尺寸的岩样进行了单轴压缩蠕变数值模拟,并对岩石长期强度尺寸效应进行了分析。数值模拟结果表明：随着试样尺寸的逐渐增大,岩石长期强度值逐渐减小,当试样尺寸增大到一定程度时,岩石长期强度稳定在一个特定值附近。     

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。     

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。     

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。     

砂土充填大理岩节理的剪切强度经验公式

为研究砂土充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对4种不同摩擦系数砂土充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明：相同法向应力下,未充填节理的峰值剪切应力大于充填节理的峰值剪切应力,说明砂土的存在降低了节理的剪切强度;由节理面三维形貌参数最大谷深 表征节理面粗糙程度,得到了未充填节理的峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值基本吻合;得到了用充填砂土摩擦系数表达的充填节理峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值较为吻合。研究结论对充填节理岩体稳定性评价具有一定指导意义。     

改进的Maksimovic峰值剪切强度准则的试验验证

Maksimovic峰值剪切强度准则形式简洁,参数的物理含义明确,但由于反映节理粗糙程度的特征量“粗糙度角 ”须由试验值确定,因此不可用于估算岩石节理的峰值剪切强度。改进的Maksimovic峰值剪切强度准则在继承原准则优点的基础上,采用定量化的三维形貌参数表示节理的“粗糙度角 ”。采用岩石节理的直剪切试验数据对改进的Maksimovic峰值剪切强度准则进行了试验验证,计算值与试验值具有很好的相关性,表明可以采用该准则估算岩石节理的峰值剪切强度。     

Comparison between Empirical Estimation by JRC-JCS Model and Direct Shear Test for Joint Shear Strength

In order to study the reliability of the empirical estimation of joint shear strength by the JRC(joint roughness coefficient)-JCS(joint compressive strength) model,natural rock joints of dif-ferent lithologic characteristics and different sizes were selected as samples,and their shear strengths under dry and saturated conditions were measured by direct shear test and compared to those esti-mated by the JRC-JCS model.Comparison results show that for natural rock joints with joint surfaces closely matched,the...     

Review of a new shear-strength criterion for rock joints

Barton, N., 1973. Review of a new shear-strength criterion for rock joints. Eng. Geol., 7: 287–332.

The surface roughness of rock joints depends on their mode of origin, and on the mineralogy of the rock. Amongst the roughest joints will be those that formed in intrusive rocks in a tensile brittle manner, and amongst the smoothest the planar cleavage surface in slates. The range of friction angles exhibited by this spectrum will vary from about 75° or 80° down to 20° or 25°, the maximum values being very dependent on the normal stress, due to the strongly curved nature of the peak strength envelopes for rough unfilled joints.

Direct shear tests performed on model tension fractures have provided a very realistic picture of the behaviour of unfilled joints at the roughest end of the joint spectrum. The peak shear strength of rough—undulating joints such as tension surfaces can now be predicted with acceptable accuracy from a knowledge of only one parameter, namely the effective joint wall compressive strength or JCS value. For an unweathered joint this will be simply the unconfined compression strength of the unweathered rock. However in most cases joint walls will be weathered to some degree. Methods of estimating the strength of the weathered rock are discussed. The predicted values of shear strength compare favourably with experimental results reported in the literature, both for weathered and unweathered rough joints.

The shear strength of unfilled joints of intermediate roughness presents a problem since at present there is insufficient detailed reporting of test results. In an effort to remedy this situation, a simple roughness classification method has been devised which has a sliding scale of roughness. The curvature of the proposed strength envelopes reduces as the roughness coefficient reduces, and also varies with the strength of the weathered joint wall or unweathered rock, whichever is relevant. Values of the Coulomb parameters c and Φ fitted to the curves between the commonly used normal stress range of 5–20 kg/cm² appear to agree quite closely with experimental results.

The presence of water is found in practice to reduce the shear strength of rough unfilled joints but hardly to affect the strength of planar surfaces. This surprising experimental result is also predicted by the proposed criterion for peak strength. The shear strength depends on the compressive strength which is itself reduced by the presence of water. The sliding scale of roughness incorporates a reduced contribution from the compressive strength as the joint roughness reduces. Based on the same model, it is possible to draw an interesting analogy between the effects of weathering, saturation, time to failure, and scale, on the shear strength of non-planar joints. Increasing these parameters causes a reduction in the compressive strength of the rock, and hence a reduction in the peak shear strength. Rough—undulating joints are most affected and smooth—nearly planar joints least of all.     

Numerical Investigations of the Dynamic Shear Behavior of Rough Rock Joints

The dynamic shear behavior of rock joints is significant to both rock engineering and earthquake dynamics. With the discrete element method (DEM), the dynamic direct-shear tests on the rough rock joints with 3D (sinusoidal or random) surface morphologies are simulated and discussed. Evolution of the friction coefficient with the slip displacement shows that the 3D DEM joint model can accurately reproduce the initial strengthening, slip-weakening, and steady-sliding responses of real rock joints. Energy analyses show that the strengthening and weakening behavior of the rock joint are mainly attributed to the rapid accumulation and release of the elastic energy in the joint. Then, effects of the surface roughness and the normal stress on the friction coefficient and the micro shear deformation mechanisms, mainly volume change and asperity damage, of the rock joint are investigated. The results show that the peak friction coefficient increases logarithmically with the increasing surface roughness, but decreases exponentially with the increasing normal stress. In addition, the rougher rock joint exhibits both higher joint dilation and asperity degradation. However, high normal stress constrains the joint dilation, but promotes the degree of asperity degradation significantly. Lastly, the effects of the 3D surface morphology on the shear behavior of the rock joint are investigated with a directional roughness parameter. It is observed that the anisotropy of the surface roughness consequently results in the variation of the peak friction coefficient of the joint corresponding to different shearing directions as well as the micro shear deformation mechanisms, e.g., the extent of joint dilation.     

Underestimation of roughness in rough rock joints

Numerous studies have been made to improve Barton's shear strength model for the quantification of rock joints. However, in these previous studies, the roughness and shear strength of the rock joint have been underestimated especially for relatively high undulated profiles (joint roughness coefficient (JRC) >14). The main factors of roughness underestimation in rough rock joints are investigated for the proper quantification of rock joint roughness. The aliasing effect and the roughness characteristics are analyzed by using artificial joint profiles and natural rock joint profiles. A 3D camera scanner is adopted to verify the main source of underestimation when using conventional measurement methods. Shear strength tests are carried out by using two types of shear apparatus to study the roughness mobilization characteristics, which may also affect the roughness underestimation. The results of joint roughness assessment, such as aliasing and undulation of waviness, show that the roughness can be underestimated in relatively rough joint profiles (JRC>14). At least two components of roughness parameters are needed to properly represent the joint roughness, for example, the amplitude and the inclination angle of joint asperity. Roughness mobilization is affected by both the normal stress and the asperity scale. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.