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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

分形节理的强度和变形研究

首次运用“分形实验法”人为地生成具有分形结构的节理试件进行实验分析，利用光弹实验可视性特点详细研究了具有不同粗糙度（不同分形维数）的节理在单压和压剪两种加载 方式下对试件力学特性影响，得出了一些规律性的结果。     

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。     

结构面剪切强度参数三维分形估算

现有结构面剪切强度参数经验估算公式多建立在结构面形态二维描述基础上,对结构面形态的三维特征考虑不够。作者自行研制了结构面形态三维量测设备,对结构面表面形态进行三维量测,将量测结果与分形理论相结合,采用分形维数表征结构面三维形态特征。在对大量硬性结构面剪切试验结果及表面形态描述结果进行统计分析的基础上,提出将JRC-JCS估算公式中的JRC用分形维数的表达式替换,进而建立了基于结构面表面形态三维分形表述的剪切强度估算公式:τ=σntg[(6.12D-13.53)lg ((JCS)/σ_n)+φb]。实际应用结果表明,改进后的估算方法能得到令人满意的结构面剪切强度参数。     

The shear strength of rock joints in theory and practice

SummaryThe Shear Strength of Rock Joints in Theory and Practice The paper describes an empirical law of friction for rock joints which can be used both for extrapolating and predicting shear strength data. The equation is based on three index parameters; the joint roughness coefficientJRC, the joint wall compressive strengthJCS, and the residual friction angle _r . All these index values can be measured in the laboratory. They can also be measured in the field. Index tests and subsequent shear box tests on more than 100 joint samples have demonstrated that _r can be estimated to within ± 1° for any one of the eight rock types investigated. The mean value of the peak shear strength angle (arctan/ _n ) for the same 100 joints was estimated to within 1/2°. The exceptionally close prediction of peak strength is made possible by performing self-weight (low stress) sliding tests on blocks with throughgoing joints. The total friction angle (arctan/ _n ) at which sliding occurs provides an estimate of the joint roughness coefficientJRC. The latter is constant over a range of effective normal stress of at least four orders of magnitude. However, it is found that bothJRC andJCS reduce with increasing joint length. Increasing the length of joint therefore reduces not only the peak shear strength, but also the peak dilation angle and the peak shear stiffness. These important scale effects can be predicted at a fraction of the cost of performing large scale in situ direct shear tests.With 20 Figures     

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于多尺度直剪试验仪(MSJ-DST),对20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm、80 cm×80 cm和100 cm×100 cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1 000 kPa进行直接剪切试验;然后,研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近,峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动;在同一法向应力作用下,不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征,残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加;5级法向应力作用下,不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同,抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。     

充填物性质影响结构面剪切特性试验研究

通过自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了无充填结构面和充填石膏、岩屑、黄泥结构面的剪切试验。利用三维光学扫描技术,研究了结构面的三维形貌特征和裂隙开度演化。结果表明：充填结构面的峰值剪应力和法向位移由充填石膏、岩屑到黄泥依次递减,受充填物强度影响较大;无充填结构面由于直接接触,剪切后表面发生明显磨损,结构面粗糙度系数（JRC）整体减小且变化最为显著,充填石膏和岩屑结构面的JRC变化次之,充填黄泥结构面几乎没有变化;充填物破坏和结构面磨损主要受裂隙开度演化和局部应力集中的影响。随着剪切位移的增大,在裂隙开度较小的区域,应力分布较大,充填物易沿此处破碎,无充填结构面沿此处严重磨损。     

含坡度均方根的节理峰值剪切强度经验公式

节理的剪切强度涉及到岩体工程的安全。通过CSS–342岩体剪切试验机对3组具有不同形貌特征的节理进行直剪试验,研究形貌对剪切强度的影响。试验结果表明：峰值剪切强度随法向应力和粗糙程度的增加而增加;但就相同的形貌而言,剪切应力与法向应力的比值减小,即由形貌产生的剪胀角随法向应力的增加而减小。通过分析剪胀角存在的边界条件,提出双曲线形式的剪胀角演化模型,并采用抗拉强度体现岩石的性质对节理剪切强度的影响。采用坡度均方根表征节理的三维形貌特征并提出相应的峰值剪切强度公式,与经典的Barton公式进行了比较,总体上新公式的计算值更为接近试验值。     

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。     

裂缝介质中不同震源横波分裂现象的数值模拟

采用TTI介质中二维三分量一阶交错网格应力-速度弹性波方程,模拟胀缩源、垂直集中力源、剪切源在垂直裂缝介质中的井间地震波场,分析了不同方位角情况下波场的传播特征,并讨论了横波分裂时的能量分配情况。结果表明：地震波从各向同性介质进入各向异性介质时会观测到快慢横波;在一定方位角的情况下,垂直裂缝介质中会得到快慢横波,这为进一步分析横波分裂特征和地震实际数据提供了依据。     

祁连山南北麓明长城夯土抗剪强度指标与分维值相关关系

夯土是具有明显时代、地域、工艺和取材属性的土体,其抗剪性能评价和参数获取是干旱、半干旱地区夯土遗址稳定性评价和控制领域所面临的基础性问题。选取了分布于祁连山南北两麓的我国规模最大的线性遗址明长城18处段落的原状夯土作为研究样本,在建造地点、年代和工艺调查的基础上,采用直接剪切试验、土-水特征曲线测试、颗粒分析试验、相关与回归拟合分析对夯土抗剪强度指标、孔隙和颗粒特征及其联系进行了系统的研究。研究结果表明：18处不同属地夯土依据黏聚力和内摩擦角的取值大小可划分为抗剪性能弱型和抗剪性能强型,颗粒及孔隙的组成与分布具有良好分形特征;黏聚力和内摩擦角值与粒度分维值和孔隙分维值存在量化对应关系,以分维值为变量建立数学模型预测的抗剪强度指标与实测值的误差不超过7.5%,为有效获取抗剪参数和评价抗剪性能提供了新途径。     

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。