岩体结构面强度的 Mohr—Coulomb破坏判据与 Barton破坏判据的试验对比

岩体结构面强度是工程岩体稳定性设计中的重要参数,目前工程上常用的两个强度判据,即Mohr-Coulomb准则和Barton准则有各自适用条件。本文在对七组具不同岩性、不同粗糙度及起伏度红层样品进行试验的基础上,探讨了在试验过程中所揭示的强度周期性变化现象,同时基于两准则试验数据,分析了它们之间的区别,获得一些重要结论.即JRC、JCS越大,两准则差别越大;在低法向应力下两准则较接近,在高法向应力时,MC准则偏于危险。     

岩体结构面抗剪强度综合评价

结构面抗剪强度参数是工程岩体稳定性分析和加固治理方案设计的重要指标。本文系统总结了岩体结构面粗糙度系数的各质异性、各向异性、非均一性和尺寸效应特征,回顾了结构面粗糙度系数测量仪器研制过程和结构面粗糙度系数测量技术发展历程,介绍了岩体结构面抗剪强度综合评价的具体步骤,并通过试验对比分析了岩体结构面抗剪强度综合评价方法的可靠性。     

岩体结构面粗糙度系数研究进展

摘要：讲述了岩体结构面粗糙度系数ＪＲＣ的估测方法、轮廓曲线绘制手段以及ＪＲＣ应用研究的进展,分析了ＪＲＣ研究的几个前沿课题。     

利用岩石结构面网络模拟计算岩体带宽连通率及岩体强度参数

岩体中存在的结构面对岩体的力学特性有很大的影响，研究岩体的强度参数，必须弄清结构面在岩体中的分布情况，了解结构面对岩体强度的影响程度。岩体结构面的研究起初是靠人工进行现场测量，不仅耗费人力物力，而且获取的数据代表性不强，还略显粗糙。在计算机应用飞速发展的背景下，利用计算机进行结构面网络模拟的方法浮出水面，并成为现在国内外研究结构面的主要方法之一。此方法在众多的科学研究以及工程建筑领域得到了应用，并在应用之中得到了不断的完善和发展，取得了一定的成果。文章在对计算机结构面网络模拟原理分析的基础上，主要讨论了利用结构面网络模拟计算岩体连通率和岩体强度的方法，其中着重研究了带宽投影法的原理及带宽连通率的计算过程，介绍了利用带宽连通率计算岩体强度参数的方法。利用西北某水电站实际研究中应用此方法的工程实例对成果做了评价，成果与实际情况大体相符。对结构面网络模拟方法做了综合评价：简单易行，省时省力，效果良好。     

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%。     

基于剪切行为结构面形貌特征的描述

描述岩石结构面形貌特征的一个重要作用就是为了能更好地理解结构面的剪切行为。首先,从结构面剪切具有方向性的特点出发,抓住在剪切方向上对剪切行为起关键作用的结构面形貌特征,提出描述结构面形貌特征的参数抗剪系数SC。该参数描述了在剪切方向上二维形貌的起伏特征、起伏的统计分布特征以及高度特征,并且还可以表征结构面形貌的方向性。同时,在对10条节理粗糙度系数JRC标准曲线的数字化基础上,建立了抗剪系数SC与JRC值之间的拟合关系。基于三维白光扫描技术得到的自然岩石结构面的点云数据,进一步将抗剪系数SC进行了三维化扩展,使其能够较好地描述结构面的三维形貌特征。最后,以某自然岩石结构面为算例,用三维抗剪系数SC3D度量其沿不同分析方向上的形貌特征,结果表明,抗剪系数能很好地表征结构面形貌特征的各向异性。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的研究现状

岩体结构面粗糙度系数JRC是描述岩体结构面粗糙起伏状态的力学参数,对于无填充或少填充的硬性结构面而言是关键性指标。本文介绍了岩体结构面粗糙度系数JRC估算方法的理论及应用研究现状,并探讨了JRC研究中存在的几个问题。     

结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式

JRC是反映爬坡角力学效应的岩体结构面表面形态等效描述指标。本文在Barton直边法的研究基础上,利用直边图的几何性质,推导出结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式,并通过实例检验了JRC简明公式的合理性和实用性。     

岩体结构面强度的可靠度分析

基于岩体结构面破坏的Mohr-Coulomb准则和可靠度理论,视结构面和岩块强度参数以及结构面倾角为随机变量,分析了结构面强度参数的变异性对结构面破坏概率的影响,探讨了结构面破坏概率随结构面倾角的变化规律,提出了结构面和岩块破坏概率的计算公式,找出了影响结构面破坏概率的主要因素。结果表明,岩体结构面强度的可靠度分析比传统的定值分析方法更为客观合理。     

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。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的定向统计研究

本文回顾了岩体结构面粗糙度系数JRC的研究成果,分析了各种JRC研究方法的应用范围。在野外实际结构面形态的详细调查和深入研究的基础上,发展了Barton直边法,并提出按岩性定向统计研究结构面粗糙度系数JRC的科学思想。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的定向统计研究

本文回顾了岩体结构面粗糙度系数ＪＲＣ的研究成果，分析了各种ＪＲＣ研究方法的应用范围。在野外实际结构面形态的详细调查和深入研究的基础上，发展了Ｂａｒｔｏｎ直边法，并提出按岩性定向统计研究结构面粗糙度系数ＪＲＣ的科学思想。     

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。     

岩体结构面起伏幅度尺寸效应的试验研究

表面起伏形态的特征决定了岩体结构面粗糙度系数的基本性质,研究结构面起伏幅度的变化规律,有助于分析粗糙度系数的尺寸效应。试验利用自行研制的大、中、小岩石结构面轮廓曲线系列仪器,测量不同尺寸结构面表面形态的起伏幅度。通过统计和分析结构面起伏幅度随取样长度的变化规律,结果表明:起伏幅度存在尺寸效应,同一结构面测量方向相同但测量位置不同的起伏幅度是有差异的,但变化趋势相同。中等尺度及大尺度结构面的起伏幅度均呈现出随结构面尺寸的增大而增大的变化规律,当结构面尺寸增大至一定值时,起伏幅度会趋向于不同的定值。不同结构面起伏幅度统计均值与结构面尺寸的变化曲线,均呈现出较好的对数函数关系。     

含结构面岩体试样单轴强度与变形特征

结构面是岩体区别于岩石材料的一大特征,其产状、迹长、密度等参数对岩体的力学性质有着重要影响。本文利用FLAC3D对含结构面岩体试样的单轴压缩特性进行了较为系统的数值模拟研究。文中建立了含不同组贯通性结构面的岩体试样模型和含不同倾角及迹长的非贯通结构面岩体试样模型,对每个试样进行单轴压缩试验的数值模拟,结构体和结构面均采用Mohr-Coulomb剪切和拉伸破坏准则。模拟中用编制的伺服控制程序通过调节加载速度,控制试样内最大不平衡力,研究含结构面试样单轴压缩情况下的变形、强度及破坏方式等特征。模拟结果显示,含1-3组贯通性结构面试样呈现各向异性特征,而含4组贯通性结构面试件呈现各向同性特征。随着贯通性结构面数量的增多,同尺寸试件的变形强度参数劣化。含单组非贯通性结构面试件,其单轴压缩模拟试验的应力-应变曲线峰值后出现应力降。基于Mohr-Coulomb抗剪强度准则和损伤理论所得的解析解与数值模拟结果所得的非贯通性结构面试件的单轴压缩强度不符,说明用抗剪强度准则与损伤理论刻画非贯通结构面试样的强度并不合理。随着非贯通性结构面贯通率的增大,试件的变形、强度参数劣化。含单组结构面试件的破坏方式可分为结构面控制破坏,结构面部分控制破坏和结构面不控制破坏3种类型,而随着结构面组数的增多,结构面控制试样破坏的概率增加。     

岩体结构面粗糙度JRC研究进展

本文首先评述了现有确定岩体结构面粗糙度系数JRC的各种方法,如Barton经典剖面法、直接量测法、表面粗糙参数法、伸长率法、幅度法等.随后重点介绍了近年来发展起来的用分维理论(Fractal)描述岩体结构面粗糙起伏特征方法的原理和计算结果.实践证明Fractal法是最有发展前景和成功的方法.最后还对JRC的应用和发展中的若干问题作了讨论.     

中缓倾角结构面分类及其抗剪强度的研究

西南某坝区中缓倾角结构面具有分别倾向上游和下游的空间分布规律。根据结构面接触情况,首先将结构面分为刚性结构面和软弱结构面两大类。其中,刚性结构面属于裂隙型;软弱结构面根据其物质组成和结构特征,可以细分为岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型3个亚类。断层类结构面具有垂直于断层走向,由高高程到低高程,由泥夹岩屑型岩屑夹泥型岩屑砾型裂隙型逐渐过渡的发育规律。最后在分析抗剪试验资料和分类及发育规律的基础上,提出了抗剪强度指标的建议值。     

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。     

小湾水电站坝址区岩体结构面抗剪强度试验研究

小湾水电站坝址区结构面发育,特别是高陡倾角的节理裂隙和Ⅳ级结构面(f、gm)。因结构面强度控制岩体的强度,故研究坝址区各类结构面的抗剪强度具有十分重要的意义。结构面抗剪强度试验制样难度很大,特别是高陡倾角的结构面,在制样过程中要最大限度地减少对岩体的挠动。为此采用了静态爆破方法,成功解决了制样问题。通过大量的结构面抗剪强度试验研究,提出了小湾电站坝址区各种类型结构面的抗剪强度参数,为小湾电站的设计与施工提供了科学依据。