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。     

节理岩体圆形隧道滑动区的研究

对于连续介质问题,可以利用Mohr-Coulomb准则很好地解决圆形隧道滑动区问题.但是对于节理岩体问题要复杂得多.由于节理岩体具有复杂的力学特性,因此节理岩体圆形隧道滑动区的确定问题一直都没有很好地解决.节理岩体的力学特性可以很好地用考虑了中间主应力影响的非线性统一强度准则来表达.根据非线性统一强度准则确定了即时摩擦角,进而获得了节理岩体圆形隧道滑动区和支护应力的封闭形式的理论解,并给出了算例.     

节理岩体地基极限承载力研究

由于节理岩体具有复杂的力学特性,节理岩体地基的极限承载力问题一直都没有很好解决。利用非线性统一强度准则考虑中间主应力影响和岩性、岩体结构特性可以通过参数m,s和σc 来反映的优点,将非连续介质特性的节理岩体等效为连续介质,在确定即时摩擦角后,结合滑移线场理论获得了节理岩体地基极限承载力的封闭形式的理论解,其解考虑了边界条件和基础的几何形状,举例说明了计算裂隙岩体极限承载力的过程和所需的参数。结果表明：节理岩体的材料特性和中间主应力对极限承载力具有重要影响。     

基于小波分析的岩石节理剪切特性研究

岩体工程中,节理面的轮廓特征是决定节理岩体剪切特性的重要因素,既往研究发现节理的表面轮廓可分解为一阶大起伏和二阶小凸起,且两者在剪切特性中发挥不同的作用。为了定量分析两阶表面特征对节理剪切强度的影响,本文通过小波分析法分解节理表面,并利用二维颗粒流数值模拟结合直剪试验验证,研究了具有不同起伏角(4°、8°、12°、16°、20°)波形节理面的细观破坏模式以及波面参数对剪切特性的影响规律。结果表明,波长对剪切强度影响较小,而起伏角是决定节理剪切强度的关键因素,随着起伏角增大剪切强度和摩擦角线性增大; 直剪切过程中裂纹数量随法向应力的增大而增加,以拉伸裂纹为主; 一阶大起伏与二阶小凸起的波形起伏角和摩擦角正相关。以上研究成果为预测节理岩体强度提供了理论支撑,对保障边坡、隧道等岩体工程的安全稳定性具有参考价值。     

柱状节理玄武岩岩体结构与结构面的分形研究

峨嵋山柱状节理玄武岩是西南地区分布的主要岩类。柱状节理玄武岩的原生建造、构造作用和风化卸荷对岩体结构和工程性状有较大的影响。节理裂隙影响岩体结构并劣化岩体完整性,分维数D能客观地表现岩体完整性特征,因而分析讨论柱状节理岩体节理面的分形特征,可以深层次的反映柱状节理岩体的工程地质特点。     

北山花岗岩深部节理间距分布多重分形研究

岩体节理几何特征定量描述是岩体力学性质和渗透性研究的基础,更是核废料处置库场址筛选和评价过程的主要内容。基于甘肃北山高放废物深地质处置库预选区BS17、BS18和BS19钻孔岩芯节理数量修正数据,针对节理间距建立了类负指数分布数学统计模型,进一步应用于RQD体系定量评价深部岩体完整性,通过与RID体系对比验证了概率模型的可靠性。指出节理数量-间距关系具有明显的分段线性特征,分维数随着间距增大而增大。确定了节理间距-数量关系符合尺度律,得出了数量与间距关系的多重分形特征。进一步分析了数量与埋深的多重分形特征,初步实现了岩芯节理的定量描述。验证了多重分形谱可以很好地统计分形维特征,尤其是节理几何形状及分布特征。该研究结果可为实现基于钻孔岩芯节理几何特征数据的深部岩体节理三维网格模拟提供参考。     

双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型

针对目前节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理长度、倾角等几何性质,而未考虑节理抗剪强度等力学性质的不足,基于断裂力学中的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学中的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了在双轴应力下含单条非贯通闭合节理岩体的损伤变量计算公式,并根据断裂力学理论对双轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用,给出了单组单排及单组多排非贯通节理尖端应力强度因子计算公式,由此建立了相应的节理岩体双轴压缩损伤本构模型,并利用该模型进行了相应的算例分析。结果表明：对含单条非贯通闭合节理的岩体而言,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为0,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小;对含单组单排非贯通闭合节理的岩体而言,当节理总长度一定时,随着单条节理长度的减小及节理条数的增加,岩体损伤则逐渐减小,但其减小幅度与节理条数并不呈线性关系。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。      

三峡库区岸坡消落带岩体劣化分形特征与演化预测研究

三峡库区岸坡岩体劣化的关键在于岩体节理的持续扩展。本文采用分形理论对消落带上下岸坡测窗岩体劣化程度、劣化破碎相变时间及发展趋势进行了分析。研究表明：岩体节理劣化分布具有分形属性,可将缺项值Λ(r)曲线陡缓转折点视为REV(表征单元)岩体尺寸下限;整体来看,劣化使得岩体节理生长向更加均匀、密布的趋势发展,呈现升维特征;进一步利用节理升维值ΔDb建立了劣化程度分级标准,升维值ΔDb与面积节理数增量ΔJov、地质强度指标变化值ΔGSI满足指数函数关系;最后探讨并提出了2种节理分维数劣化演变模式,采用岩体劣化破碎相变时间计算式可进行相应的演化预测分析,且岩体劣化破碎相变时间预测是基于割线的估计。由于分维数Db具有较高的统计稳定性,能够满足工程应用需求。研究成果为库区岸坡劣化程度调查以及劣化演化预测提供了新的方法。     

节理岩体损伤变量确定的分形方法

针对节理岩体损伤张量采用统计概率模型确定存在问题,首先建立了岩体结构分维与波速的关系方程,验证了采用分维数进行岩体质量评价的可行性,然后提出了采用室内岩块波速值与岩体结构分维确定节理岩体损伤变量的分形方法。     

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。     

节理连通率对岩体力学特性影响的细观研究

采用等效岩体（ERM）技术,将节理和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,构建含不同节理倾角、连通率的等效岩体模型。结合试验结果,从细观力学角度开展单轴压缩条件下节理连通率对岩体强度、破裂机制、能量演化等力学特征影响的定量研究。研究发现,当节理方向与加载轴向呈一定夹角时,岩体表现出沿岩桥连线方向的贯通破坏趋势,尤其当节理倾角? = 30°,连通率L = 0.8时,岩体破坏表现出岩桥复合贯通破坏模式。在该类节理倾角(? = 30°)条件下,随节理连通率增大,岩体表现出的主要力学特征为：（1）峰值抗压强度呈不断降低趋势;（2）微破裂总数不断下降,但张拉型微破裂所占比例逐渐提高。微裂纹进一步集中在不同层间节理尖端岩桥连线上产生;（3）声发射（AE）事件产生时间在整个加载阶段逐渐分散,声发射事件总数及破裂强度分布范围、均值、标准差等均不断减小;（4）峰值应变能及峰后应变能、动能变化率降低,峰后摩擦能增速放缓,试样破坏所需的外界做功逐渐降低。     

3D打印交叉节理试件力学破裂特性研究

交叉节理普遍存在于实际岩体中,但其对岩体力学破裂特性的影响至今未有全面深入的研究。制作了含3D打印交叉节理试样,采用声发射、CT扫描技术和数字图像相关技术(DIC)分析手段对单轴条件下含交叉节理试样的力学及破裂特性进行了研究。研究结果表明:(1)主节理倾角较小时裂隙的分形维数DB与单轴强度、弹性模量和泊松比之间的变化关系比主节理倾角较大时的一致性更好,前者破裂模式的规律性好于后者。(2)主节理倾角较大时压密和弹性阶段节理和块体之间在张拉作用下会产生聚集性微破裂声发射事件,主节理倾角较小时不会产生这种现象。DIC应变云图中裂隙扩展路径上的微应变先于宏观破裂,可通过计算压缩条件下微应变最大区域预测破裂模式。(3)主节理对起裂角和裂隙扩展模式起主要作用,且声发射和分形特性具有统一性。次节理平行最大主应力时,总损伤主要由主节理扩展造成,累积声发射事件数量AAEE和DB均最大。AAEE和DB越大,破裂模式越复杂。(4)三维破裂模式以节理端部扩展产生的2~3个张拉翼裂隙面为主,内部三维宏观裂隙面上存在由不完全张拉破裂引起的非连续结构。     

Frictional discharge at fault asperities: Origin of fractal seismo-electromagnetic radiation

To investigate the relation between the rock friction and the fractal electromagnetic radiation before the main-shock of earthquakes, we conducted a friction experiment simulating the motion of an asperity on a fault plane, and observed photon emissions due to electric discharge by dielectric breakdown of ambient gases from friction contacts between rock minerals. This indicates that frictional discharges (plasma generations) could occur locally at microscopic asperities on fault surfaces. From concepts on the fractal size-distribution and temporal evolution of fault asperities, the frictional discharge occurring at asperities on the fault plane can be one of origins of the fractal electromagnetic radiation (Benioff electromagnetic radiation) prior to earthquakes.     

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．     

The role of rock joint frictional strength in the containment of fracture propagation

The fracturing phenomenon within the reservoir environment is a complex process that is controlled by several factors and may occur either naturally or by artificial drivers. Even when deliberately induced, the fracturing behaviour is greatly influenced by the subsurface architecture and existing features. The presence of discontinuities such as joints, artificial and naturally occurring faults and interfaces between rock layers and microfractures plays an important role in the fracturing process and has been known to significantly alter the course of fracture growth. In this paper, an important property (joint friction) that governs the shear behaviour of discontinuities is considered. The applied numerical procedure entails the implementation of the discrete element method to enable a more dynamic monitoring of the fracturing process, where the joint frictional property is considered in isolation. Whereas fracture propagation is constrained by joints of low frictional resistance, in non-frictional joints, the unrestricted sliding of the joint plane increases the tendency for reinitiation and proliferation of fractures at other locations. The ability of a frictional joint to suppress fracture growth decreases as the frictional resistance increases; however, this phenomenon exacerbates the influence of other factors including in situ stresses and overburden conditions. The effect of the joint frictional property is not limited to the strength of rock formations; it also impacts on fracturing processes, which could be particularly evident in jointed rock masses or formations with prominent faults and/or discontinuities.     

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。      

岩体结构面各向异性变异系数的尺寸效应研究

岩体结构面的各向异性与尺寸效应特征对其力学性质影响较大,综合考虑两者之间的相互关系对工程岩体稳定性评价具有重要意义。全面分析不同尺度结构面的各向异性分布,提出考虑正交方向三维形貌参数的各向异性变异系数AVC3D。通过渐进覆盖法统计4组天然岩体结构面10种不同采样尺寸的各向异性变异系数及其尺寸效应规律。结果表明：各向异性变异系数均随结构面尺寸增大而减小至定值,其与结构面尺寸具有较好的负对数函数关系;通过归一化处理,各向异性变异系数与结构面尺寸呈现较好的线性函数关系,表明各向异性变异系数具有分形结构,分维数D可以实现其尺寸效应的规律统计。该方法揭示了影响结构面形貌特征方向性变化的最大有效倾角 和粗糙系数C的增长幅度会随采样尺寸增大趋于稳定的变化机制,体现了当结构面达到各向异性尺寸效应的阈值后,会呈现出稳定的各向异性规律。     

岩体节理表面几何特性描述

岩体节理表面几何特征对岩体变形、刚度、剪切强度和水渗导性有重要影响,一般用节理粗糙度系数（ＪＲＣ）、节理吻合系数（ＪＭＣ）来描述。本文用节理表面分维（ＪＳＦ）来描述节理表面形态的复杂性,为节理表面几何特征描述提供了一个新的方法。     

岩石节理张开度的分形描述

本文应用分形理论,建立了描述岩石断裂面的自仿射随机分形理论模型。根据该模型探讨了岩石断裂面张开度与自仿射分形维数之间的关系,并对影响张开度的诸因素进行了分析。研究表明,分形维数可用于定量刻划断裂面的平均张开度。