组合节理面抗剪力学特性的模型试验研究

本文研究了处于同一平面上的两组性能各异、交替出现的子节理面所组成的组合节理面的抗剪力学性质。通过对脆—脆、脆—塑、塑—塑三种类型的组合节理面的模型抗剪试验,得出了组合节理面的抗剪强度与各单体(又称子节理面)材料在组合节理面上所占的面积、单体交替出现的次数及抗剪方向等之间的关系。这些结论在实际工程应用方面有着非常重要的意义。     

蒙特卡罗模拟在节理岩体抗剪强度研究中的应用

首先介绍了蒙特卡罗模拟的理论基础,然后,以具体工程为例分析了利用该方法模拟节理岩体抗剪强度的具体方法和步骤。将模拟结果与利用其他方法获强度的可行性与可靠性。     

节理粗糙度系数的分形估算

节量剖面粗糙度可以被认为是具有有限生长的分形结构。为了模拟节理粗糙度，基于传统的科契曲线，本文建立了节理剖面的广义分形模型。根据节理凸起体的平均基底长度L^*和平均高度h^*两参数，可直接得到节理剖面的分维数，即：D=log4/log[2(1 cos tan^-1(2h/L)]，此分维数D与节理粗糙度系数具有密切关系。其经验关系是：JRC＝85．2671（D－1）^0.5679。因此，可以说本文所提出的分形分析技术为估算JRC值提供了一种新的方法。     

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。     

基于多元拟合方程的结构面粗糙度系数JRC估算

本文以BARTON的标准粗糙度剖面为研究对象,假定剪切方向为从左向右,量取剖面曲线长L以及"爬坡"时的倾角i_i和与倾角相对应高差h_i、面积S,把不同的因素组合在一起,用MATLAB对测得的数据进行拟合,得到用来估算结构面粗糙度系数且不依赖于结构面长度的解析方程。结果表明:剖面长度比和面积比组合得到的拟合方程较差,剖面长度比、面积比和爬坡高组合得到的方程较好;剖面长度比、倾角i_i和高差h_i三个指标的组合拟合方程最好,可很好地反映结构面粗糙度,拟合优度达97. 1%。     

基于节理面三维形貌的岩石节理抗剪强度计算模型

JRC-JCS模型在岩土工程领域被广泛应用,但也存在一定缺陷:其一,粗糙度系数(JRC)的二维性不能综合表征节理表面形貌的各向异性;其二,抗压强度系数(JCS)不能全面反映材料属性对节理剪切力学行为的影响。借助三维激光扫描和3D打印技术,浇筑具有自然节理形貌的人工节理试样,对其进行常法向应力下的剪切试验。将试验结果和理论推导相结合,建立了含有三维形貌参数和抗拉强度参数的抗剪强度模型。通过室内试验以及模型对比,分析了法向应力和三维形貌特征对岩石节理的抗剪强度以及剪胀角的影响。结果表明,节理剪切是以张拉为主导的破坏模式,而不是单纯的压缩破坏。不同的三维形貌特征会得到不同的初始剪胀角。随着法向应力的增大,峰值剪胀角减小,通过研究剪胀效应中峰值剪胀角的变化规律,可用于计算岩石节理的抗剪强度。     

基于方向性粗糙度参数的节理峰值抗剪强度理论模型

节理裂隙控制着岩石工程的剪切滑移稳定性。现有的节理峰值抗剪强度模型多为经验模型,且较少考虑粗糙节理峰值抗剪强度的采样点距效应及各向异性。采用3D打印技术制备了5组吻合的粗糙光敏树脂节理模具,利用水泥砂浆复制了25组相同壁面强度的人工粗糙节理,开展了5种法向应力水平下节理直剪试验。基于改进的接触面积比-视倾角门槛值关系,建立了仅含一个方向性粗糙度参数的三维粗糙节理峰值抗剪强度理论模型。该理论模型除粗糙度参数外无需拟合其他参数。对比分析发现,新模型比文献中的经验模型预测精度更高。新模型预测效果受采样点距影响较小,且能有效地反映节理峰值抗剪强度的各向异性。     

不同充填度岩石分形节理抗剪强度的数值模拟

在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系。结果表明,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度总体上呈非线性减小。当充填度小于1时,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度迅速减小,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,强度参数接近于节理充填物的强度参数。     

能量原理在确定岩石节理抗剪强度方面的应用

为了确定剪胀节理的剪切强度，人们已开始运用能量原理研究岩体结构面（Ｌａｄａｎｙｉ和Ａｒｃｈａｍｂａｕｌｔ，１９７０）。本项工作基于分析规则的粗糙起伏面，并且假定其是不可变形的。自然条件下的复杂岩体结构面中，很难辩认出要测量的有代表性的起伏角。Ｌａｄａｎｙｉ和Ａｒｃｈａｍｂａｕｌｔ通过假定等价结构面的张开度和结构面的有效起伏将其成果推广到天然节理。显然，这种等量假设不是普遍适用的，而且可能导致结构面     

基于光照技术的配称结构面有效受剪区域量化研究

结构面的有效受剪区域直接影响其抗剪性能,在以往结构面粗糙度和接触状态分析的基础上,结合结构面的形貌特征扫描和光照技术,对配称结构面有效受剪区域的量化分析方法进行了研究。结果表明：（1）在光源照射下,结构面上的光亮部分较好地反映了剪切过程中的有效受剪区域,对不同入射角下三维光亮面积百分比（BAP3D）的值进行了统计,随着入射角度的增大,结构面三维光亮面积百分比（BAP3D）整体呈近似S型的增长趋势;（2）将结构面有效受剪区域面积与结构面总面积的比值定义为有效受剪系数（JEC）,结合Patton模型,从理论上分析确定了光源最佳入射角度φB=90°–(φb+i)（φb为结构面基本摩擦角,i为结构面平均起伏角）,此时,光亮区域面积和实际有效受剪面积一致,对应BAP3D即为所求的结构面有效受剪系数;（3）考虑有效受剪系数,对Barton剪切力学模型进行修正,建立了修正的结构面剪切力学模型,验证分析表明该模型能较准确地估算结构面的抗剪强度。     

确定岩石节理Maksimovic峰值抗剪强度准则中“粗糙度角Δφ”的新方法

岩石节理的非线性Maksimovic峰值抗剪强度准则,采用双曲线函数描述不同法向应力作用下剪胀角的变化,参数物理含义明确、适用的法向应力范围广且形式简洁。采用的参量"粗糙度角??"反映节理的粗糙程度,但由至少3组直剪试验数据回归分析确定,因此,不能采用该准则估算节理的峰值抗剪强度。通过等价关系,由已有的峰值抗剪强度准则得到用三维形貌参数表示的"粗糙度角??",提出含三维形貌参数的Maksimovic峰值抗剪强度准则。采用不同形貌节理的直剪试验数据对准则进行了验证,结果表明,计算值与试验值吻合较好,验证了公式的正确性;同时,亦与经典的Barton准则进行了对比。可用该准则预估节理的峰值抗剪强度。     

不同节理表面形貌下非贯通节理岩体强度特性直剪试验研究

通过直剪模型试验,研究节理表面形貌下非贯通节理岩体扩展贯通强度特性。非贯通节理岩体的扩展贯通过程分为4个阶段：初裂前阶段、稳定扩展阶段、非稳定扩展阶段和摩擦阶段。结合试验现象和切向变形曲线,研究了非贯通节理岩体的初裂强度、临界强度、贯通破坏强度、残余强度等特性。在相同的法向应力下,节理表面越粗糙,不仅非贯通节理岩体的贯通破坏强度越大,而且初裂强度、临界强度、残余强度也越大。在不同的节理表面形貌下,初裂强度与贯通破坏强度的比值约为70%;临界强度与贯通破坏强度的比值约为90%;不过,残余强度与贯通破坏强度的比值变化较大,约为50%～90%。试验为进一步研究非贯通节理岩体破坏理论提供试验验证。     

节理岩体的分维特征及其工程地质意义

本文用分形理论,对节理网络分布和粗糙度曲线进行分形分析。结果表明,节理的空间分布和粗糙度曲线具自相似性;分维是一个表征岩体强度、岩体损伤程度、岩体质量及节理粗糙程度的几何参数,并可用于评价岩体稳定性、断裂体系活动性及划分风化卸荷带等。     

节理分布位置对岩体剪切破裂特征影响试验研究

节理分布位置影响岩体综合抗剪强度,并控制“锁固段”型岩质边坡启动和破裂演化。通过模型试件剪切试验,分析了节理分布位置对岩体综合抗剪强度和破裂特征的影响程度。试件模型以水泥砂浆为材料,在剪切面不同位置预制封闭节理,使其成为四周密封、内部节理贯通的模型。在不同法向应力下进行剪切试验,测定综合抗剪强度变化规律和剪切破裂特征。试验结果表明:试样破裂面可分为翼部拉张区、翼部压剪区、端部拉张区三部分,各区面积所占比例随节理位置变化而波动。剪切强度参数也随节理位置变化而规律性波动,且法向应力越大,变化幅度越大。     

三峡库区岩体天然结构面抗剪性能试验研究

采用自制的试验装置对取自三峡库区的含天然结构面的岩块试件进行压剪试验,通过对4组试件进行不同正压力及不同含水量(天然状态与饱水状态)下的剪切试验,绘制出其相应的变形和强度曲线,并对这几组曲线进行了对比分析。试验结果表明：岩块中结构面的抗剪强度不仅与岩块所受法向应力的大小有关,而且与岩块含水量的大小有关,即结构面抗剪强度的大小随着法向应力的增大而增大,又随着含水量的增大而减小;最后,运用最小二乘法对该结构面的抗剪参数进行了求解,且与推荐值进行了比较,对比发现二者基本吻合,说明该试验装置与试验方法在实际工程应用中是可行、有效的。     

甘肃北山地质处置库围岩节理抗剪强度经验估算

节理抗剪强度参数是地质处置库预选地段工程地质对比和围岩稳定性分析的重要指标。本文在旧井地段英云闪长岩节理分组的基础上,运用定向统计测量方法估测节理粗糙度系数,通过评价节理粗糙度系数的尺寸效应,确定节理抗剪强度经验估算有效长度,由JRC-JCS模型求得各组节理4个方向的抗剪强度参数,并评价了地质处置库围岩节理抗剪强度的各向异性特征。     

花岗岩与混凝土胶结面抗剪强度的试验研究

坐落在基岩上的重力式建筑物（重力坝、悬索桥的锚碇等）,依靠基岩与大体积混凝土接触面的摩擦力平衡巨大的水压力或锚索拉力。接触面的摩擦系数有很小的变化,需要混凝土的体积发生大的变化保持摩擦力不变,从而工程造价出现大的差别。针对润扬长江公路大桥南汊悬索桥锚碇接触面抗剪强度取值问题,采用室内控制粗糙度试验的方法,测试了不同风化程度和粗糙度的花岗岩与混凝土接触面的抗剪强度。结合现场编录和现场粗糙度测试结果,获得了混凝土与基岩胶结面摩擦角的分区和面积加权平均值,为锚碇的稳定验算提供了准确的数据。试验结果对其它重力式抗滑结构设计有参考价值。     

结构面抗剪强度参数线性拟合方法适用性研究

针对岩体结构面力学参数的重要性,开展最小二乘法、点群中心法、随机-模糊法、可靠度分析法4种结构面抗剪强度参数线性回归方法的理论对比与分析。在传统点群中心法的基础上,提出求解过程严密、计算精度较高的改进优化算法。为保证可靠度分析法中验算点法参数初始赋值的准确性,提出基于可靠度理论的结构面抗剪强度参数c, 的均值、标准差优化赋值方法。以武隆县鸡尾山滑坡为例,比较不同岩体结构面数据条件下上述4种方法的适用性。结果表明,各方法的适用性与试验数据的离散性及数据量有关;当数据线性理想时,4种方法均可直接用于结构面抗剪强度参数的线性回归分析;当试验数据较离散时,点群中心法已不再适用,可根据工程要求、异常值情况和计算收敛情况选取合适的数据处理方法。     

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC（Area Under Curve）值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。