岩石节理粗糙度系数的分形特征

岩石节理粗糙度系数JRC是估算节理抗剪强度和变形指标最重要的参数。通过对简易纵剖面仪获取的节理表面轮廓曲线的分形研究,讨论了节理表面轮廓曲线的自相似性和JRC的自相似性,并根据实测统计资料的分析,指出了分形理论研究JRC的适用条件和有效的使用方法。由实测统计资料的JRC尺寸效应自相似性分析,认为JRC尺寸效应具分形结构。本文介绍了一种确定JRC尺寸效应分维数D的方法,由此确定的分维数D具有明确的物理意义。     

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。     

分形节理力学性质的光弹研究

本文从分形几何的观点出发，根据Ｗｅｉｅｒｓｔｒａｓｓ函数，用计算机生成６条维数不同的分形曲线，在聚碳酸脂板上加工出贯通节理模型，来模拟节理剖面的粗糙度。对试样进行了一系列的单向压缩光弹实验，并用概率统计的方法分析了定量刻画节理粗糙度的分维对节理变形、强度的影响，其理论分析结果与实验吻合较好。     

基于孔内影像的岩石节理粗糙度特征研究

目前对岩石结构表面粗糙度的研究往往只局限于地表,难以反映深部岩石节理粗糙度的特征。钻孔孔壁上节理轮廓线包含有三维信息的特点,本文开展了基于数字钻孔摄像技术的岩石节理粗糙度分形特征的研究,利用数字钻孔摄像系统获取地下深度岩石节理全景图,采用边缘检测技术从全景图中提取出节理轮廓线,对其进行空间变换和视距离变换得到地下岩石节理粗糙表面轮廓线的真实状况。与Barton提出的10条标准剖面曲线进行对比得到每条轮廓线的JRC值,并计算其分形维数,根据最小二乘法原理拟合出JRC与分形维数之间的关系为:(D)=JRC=-541.9x2+1362x-818.53。本文研究内容为描述地下深部天然节理的结构及其特征提供了基础,对更深入地研究地下深部岩石节理的表面空间状况有重要的意义。     

节理岩体分形描述

研究了岩体节理产状、迹长、间距和节理数目对岩体节理网络分维的影响和节理几何参数的分维特征。结果表明,随节理发育方向、迹长、间距和节理数目的变化,岩体节理网络分维发生变化,节理间距和迹长的空间分布具有较好的分维特性,岩体节理网络分维可以作为岩体节理几何特征的定量描述指标。     

节理粗糙度曲线的分维特征

基于野外实测节理粗糙度曲线，建立了分维数Ｄｆ与节理粗糙度系数间的关系式。此外，文章对Ｂａｒｔｏｎ标准粗糙度谱线用分维值进行了分类，并探讨了粗糙度的本质含义。     

Natural rock joint roughness quantification through fractal techniques

Accurate quantification of roughness is important in modeling hydro-mechanical behavior of rock joints. A highly refined variogram technique was used to investigate possible existence of anisotropy in natural rock joint roughness. Investigated natural rock joints showed randomly varying roughness anisotropy with the direction. A scale dependant fractal parameter, K _v, seems to play a prominent role than the fractal dimension, D _r1d, with respect to quantification of roughness of natural rock joints. Because the roughness varies randomly, it is impossible to predict the roughness variation of rock joint surfaces from measurements made in only two perpendicular directions on a particular sample. The parameter D _r1d × K _v seems to capture the overall roughness characteristics of natural rock joints well. The one-dimensional modified divider technique was extended to two dimensions to quantify the two-dimensional roughness of rock joints. The developed technique was validated by applying to a generated fractional Brownian surface with fractal dimension equal to 2.5. It was found that the calculated fractal parameters quantify the rock joint roughness well. A new technique is introduced to study the effect of scale on two-dimensional roughness variability and anisotropy. The roughness anisotropy and variability reduced with increasing scale.     

The variogram method for a fractal model of a rock joint surface

The variogram method can be used to make a fractal model of a rock joint surface. However, it has been found that the range of lag satisfying the power law is very small, that is, less than about 10% of the profile length. The cause of this has been investigated mathematically. The main cause of this problem is due to the fact that the profile length is assumed infinite for the theory, but it is finite for the actual calculation. This discrepancy between the actual calculation and the theory yields a significant error and causes the problem when the lag is large. To confirm the validity of this conclusion, it has been demonstrated that the range of lag satisfying the power law increases with an increase in the profile length by applying the variogram method to profiles cut from a long profile. In addition, the range of lag was investigated mathematically and it has been clarified that the range of lag increases with an increase in the fractal dimension. These results suggest that the profile length, the sampling interval and the removal of the linear trend are items to which we must pay attention when we use the variogram method.     

节理网络分形在隧道超前地质预报中的应用

分形几何是20世纪70年代以来发展起来的研究非线性现象的理论和方法,这一理论的诞生为揭示隐藏于混乱复杂现象的精细结构和定量地描述它们提供了理论基础。将分形的方法引入到隧道的超前地质预报,通过岩体结构面网络的分维值来预测岩体的质量。结合工程实例可以看出,岩体结构具有良好的分形特征,其分形描述可作为评价结构岩体质量的标准之一。分形方法是评价岩体性质的一个有效的方法,具有广泛的应用前景。     

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。     

基于功率谱密度的评估岩石节理粗糙度新方法

为进一步提高结构面粗糙特征描述的精确性和可靠性,更全面地体现出细微形貌的影响,将轮廓线凹凸起伏分解为幅值、倾角和曲率3个特征,分别代表轮廓线的高度变化、角度变化和弯曲程度变化。以Barton建议的10条标准轮廓线为例,计算其幅度、角度和弯曲度的特征曲线,获得了三者的分布规律。利用可表征微细观形貌的功率谱密度函数研究了3种特征曲线的频谱特征,然后从功率谱密度对数曲线中提取了可以描述形貌特征的分形参数D_j（斜率相关）和粗糙度参数A_j（截距相关）,在此基础上研究了D_j和A_j与节理粗糙度系数（joint roughness coefficient,简称JRC）的关系。同时,将该指标推广到了三维形貌的表征形式,并计算了大理岩剪切面的三维粗糙度。结果表明：新指标评估精确度高,可反映结构面各向异性特征,能有效表征结构面粗糙特征,对研究结构面剪切力学性质有重要意义。     

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。     

A three-dimensional equivalent continuum constitutive model for jointed rock masses containing up to three random joint sets

A three dimensional constitutive model is formulated for deformation analysis of jointed rock masses containing up to three joint sets with arbitrary spatial configurations. A representative elementary volume (REV) that represents the deformational response of the rock mass is defined and the constitutive relationships are developed based on superposition of deformations of the REV components. By representing the constitutive relationships in a tensorial form, the model is able to implement deformation anisotropy of jointed rock masses. The Mohr-Coulomb failure criterion with tension cut-off is used for the intact rock and the joint sets. The model is implemented in FLAC^3D and the deformations and strength values calculated by the model are compared with the results from a 3DEC model and analytical solutions. The model results are in good agreement with those obtained from 3DEC.     

岩石断裂表面的分形模拟

根据岩石断裂表面粗糙度所具有的统计自仿射分形的特征,提出了改进的自仿射分形插值的概念。运用改进的自仿射分形插值方法,根据实测岩石断裂表面粗糙度数据,对岩石断裂表面粗糙形态进行了分形模拟,给出了二元分形插值数学模型。将以不同数量的观测数据模拟出的插值曲面与实际测量的岩石断裂表面相比较,得出了不同数量信息点的模拟精度,它们之间的关系曲线显示为幂函数关系的规律。这就意味着不仅可以得到模拟结果,还可以得到模拟结果的估计精度。运用少量已知数据值,模拟出未知曲面,给出了由局部模拟整体的方法这对于根据少量数据研究、模拟和直观显示复杂物体的几何形态,如地形地貌、断层表面和材料裂隙表面,具有重要的应用意义。     

一种检测地层压力新方法研究——岩石力学参数法

在分析岩芯力学试验和测井等资料的基础上,提出了利用岩石力学参数进行地层压力检测的新方法。主要包括地区动静态岩石力学转换关系、地层孔隙压力与岩石力学参数关系、压力剖面中岩石力学基础参数求取等。结合测井资料数据,利用该新方法对某高压地区地层压力进行了分析。