專利名稱：一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法，屬于巖土工程計(jì)算參數(shù)研究領(lǐng)域，適用于邊坡、隧道、壩基等各類巖石工程力學(xué)參數(shù)的研究。
背景技術(shù)：
巖體作為地質(zhì)體，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，經(jīng)歷過(guò)不同時(shí)期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，經(jīng)受過(guò)變形，遭受過(guò)破壞，形成一定的巖石成分和結(jié)構(gòu)，并賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中。節(jié)理作為巖體中一種重要結(jié)構(gòu)面，其發(fā)育常常給各類巖石工程造成安全隱患。由于巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)不當(dāng)而導(dǎo)致的工程事故時(shí)有發(fā)生。因此，深入開(kāi)展節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究，是保障巖石工程的合理設(shè)計(jì)、安全施工、正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。節(jié)理巖體是由巖塊和節(jié)理組成的復(fù)合體，其力學(xué)特性受巖塊、節(jié)理的力學(xué)特性及節(jié)理的空間分布形態(tài)的控制。節(jié)理巖體是一種典型的“不連續(xù)介質(zhì)”，由于節(jié)理的存在，其力學(xué)特性隨研究試樣尺度的不同而變化，即存在著尺寸效應(yīng)。研究表明，當(dāng)節(jié)理巖體試驗(yàn)尺寸從室內(nèi)試驗(yàn)尺度增加到現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度時(shí)，節(jié)理巖體的變形模量、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)均明顯降低，即表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)(主要受節(jié)理密度和節(jié)理力學(xué)強(qiáng)度等影響)。因此，需要研究巖體尺寸增加到多大時(shí)才能代表工程巖體的性質(zhì)，即研究巖體變形模量等力學(xué)參數(shù)隨巖體尺寸增加的變化規(guī)律。表征單元體積常常作為一種定量的標(biāo)準(zhǔn)，用于描述節(jié)理巖體的這一特性。由于巖體中節(jié)理規(guī)模與分布規(guī)律的多樣性，巖體表征單元體積的研究十分復(fù)雜，但這意味著節(jié)理巖體表征單元體積的研究更具有工程應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)檫_(dá)到表征單元體積的節(jié)理巖體，其力學(xué)特性可基本代表工程巖體的力學(xué)特性。目前，確定節(jié)理巖體表征單元體積的常用方法為理論分析法。例如，文獻(xiàn)“周創(chuàng)兵，熊文林.論巖體的滲透特性[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1996，4 (2):69-74.”，利用能量迭加原理研究了隨機(jī)裂隙巖體的彈性參數(shù)與滲透張量的解析表達(dá)式，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論提出了估算隨機(jī)裂隙巖體REV的方法。文獻(xiàn)“周創(chuàng)兵，陳益峰，姜清輝.巖體表征單元體與巖體力學(xué)參數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，29 (8):1135-1142.”認(rèn)為，如果巖體體積V的大小達(dá)到了其內(nèi)部所包含的結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)特征與總體的統(tǒng)計(jì)特征一致時(shí)，這時(shí)V達(dá)到了表征單元體積。然而，采用理論分析法研究節(jié)理巖體表征單元體積，存在較多假設(shè)，且理論體系復(fù)雜、使用效果不佳，因此，難以被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程巖體表征單元體積的研究中。\

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服采用存在較多假設(shè)且理論體系復(fù)雜的理論分析法研究節(jié)理巖體表征單元體積的缺點(diǎn)，提供一種原理簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節(jié)理巖體表征單元體積。本發(fā)明所述的一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法，包含如下順序步驟:(I)進(jìn)行巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Oucs、彈性模量E、泊松比V ;通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)室，獲得不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度，并繪制摩爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線，可獲得巖石的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角穿。(2)進(jìn)行室內(nèi)節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)，獲得法向荷載下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線；根據(jù)不同法向荷載下的峰值抗剪強(qiáng)度，繪制峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得節(jié)理的峰值內(nèi)聚力Crt和內(nèi)摩擦角_;根據(jù)不同法向荷載下的殘余抗剪強(qiáng)度，繪制殘余強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得節(jié)理的殘余內(nèi)聚力Ch和殘余內(nèi)摩擦角奶(3)確定顆粒體細(xì)觀參數(shù)。描述顆粒的細(xì)觀參數(shù)有:球密度P、最小顆粒半gRmin、最大與最小粒徑比Rmax/Rmin、接觸楊氏模量E。、接觸法向與切向剛度ttkn/ks、摩擦系數(shù)μ ;描
述黏結(jié)的細(xì)觀參數(shù)有:黏結(jié)楊氏模量瓦、黏結(jié)法向與切向剛度比t/fc、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值、黏結(jié)法向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差k、黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值？ 、黏結(jié)切向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差？0
采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其尺寸與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)試樣保持一致。賦予顆粒體試樣假定的顆粒和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行虛擬加載計(jì)算。將計(jì)算得到的顆粒體試樣宏觀參數(shù)，與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的巖石試樣宏觀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)不斷調(diào)整顆粒體細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)，便可確定合理的顆粒體細(xì)觀參數(shù)。(4)確定光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)。描述光滑節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)有:法向剛度sj_kn、切向剛度sj_ks、摩擦因數(shù)sj_fric、剪脹角sj_da、黏結(jié)法向強(qiáng)度sj_bns、黏結(jié)系統(tǒng)黏聚力sj_bcoh、黏結(jié)系統(tǒng)摩擦角s j_bfa。采用顆粒體與光滑節(jié)理構(gòu)建巖石節(jié)理直剪試驗(yàn)試樣,其尺寸與室內(nèi)節(jié)理直剪試樣保持一致，顆粒體試樣細(xì)觀參數(shù)為步驟(3)所確定。賦予光滑節(jié)理假定的細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行巖石節(jié)理試樣的虛擬直剪試驗(yàn)，將計(jì)算得到的節(jié)理宏觀參數(shù)，與室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)獲得的節(jié)理宏觀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)不斷調(diào)整光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)節(jié)理直剪試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)，便可確定合理的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)。 (5)構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。首先，通 過(guò)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理地質(zhì)調(diào)查，針對(duì)節(jié)理的傾向、傾角、間距、跡長(zhǎng)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析及偏差校正；然后，根據(jù)校正后的數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)模擬理論構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)；最后，將節(jié)理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與節(jié)理偏差校正數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩者的統(tǒng)計(jì)相似性。(6)構(gòu)建多尺度節(jié)理巖體。首先，采用步驟(3)確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建試驗(yàn)室尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等多尺度顆粒體試樣；然后，將步驟(5)所構(gòu)建的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)嵌入到各類顆粒體試樣中，節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的特性即為步驟(4)所確定的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)；最終，便可得到能充分反映節(jié)理分布特征的多尺度節(jié)理巖體。(7)針對(duì)步驟(6)所構(gòu)建的多尺度節(jié)理巖體，進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(8)根據(jù)步驟(7)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取出各類節(jié)理巖體的峰值單軸壓縮強(qiáng)度，即單軸抗壓強(qiáng)度，作節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系圖。同時(shí)，按漸進(jìn)式(Asymptoticmodel)指數(shù)函數(shù)模型,擬合節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系曲線。漸進(jìn)式指數(shù)函數(shù)模型的公式為0’=a+b*CL，式中，σ'為節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度(單位MPa)、L為節(jié)理巖體加載向試樣尺寸(單位m)，a、b、c均為參數(shù)。在擬合的關(guān)系函數(shù)中，當(dāng)節(jié)理巖體加載向試樣尺寸每增加lm，單軸抗壓強(qiáng)度的降低量與室內(nèi)巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度的比值小于0.2%時(shí)，即可認(rèn)為:單軸抗壓強(qiáng)度不再隨尺寸的增大而變化，并已達(dá)到節(jié)理巖體表征單元體積。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供一種原理簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節(jié)理巖體表征單元體積。


圖1顆粒體試樣壓縮加載下計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖2光滑節(jié)理虛擬直剪試驗(yàn)的計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖3節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。圖4多尺度節(jié)理巖體。圖5多尺度節(jié)理巖體虛擬單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖6節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系圖。其中，圖4中，顆粒體細(xì)觀參數(shù)構(gòu)建試驗(yàn)室尺度(RMOl)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度(RM02、RM03)、工程尺度(RM04、RM05、RM06、RM07)顆粒體。
具體實(shí)施方式
:以某露天鐵礦巖質(zhì)高邊坡為例，介紹一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法，包含如下順序步驟:(I)進(jìn)行巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，獲得現(xiàn)場(chǎng)采樣巖石的各類宏觀參數(shù)。通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗壓 強(qiáng)度σu。s、彈性模量E、泊松比V ;通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)室，獲得不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度，并繪制摩爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線，可獲得巖石的內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角,表I為在現(xiàn)場(chǎng)取回巖石(白云巖)樣本后，進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，獲得的巖石宏觀參數(shù)。(2)進(jìn)行室內(nèi)節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)，獲得現(xiàn)場(chǎng)采樣節(jié)理的各類宏觀參數(shù)。通過(guò)室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)，獲得法向荷載下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線；根據(jù)不同法向荷載下的峰值抗剪強(qiáng)度，繪制峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得節(jié)理的峰值內(nèi)聚力Crt和內(nèi)摩擦角根據(jù)不同法向荷載下的殘余抗剪強(qiáng)度，繪制殘余強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得節(jié)理的殘余內(nèi)聚力Ch和殘余內(nèi)摩擦角的表2為在現(xiàn)場(chǎng)取回含節(jié)理的巖樣后，進(jìn)行室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)，獲得的節(jié)理宏觀參數(shù)。(3)顆粒體細(xì)觀參數(shù)確定。通過(guò)構(gòu)建顆粒體，以表征巖石。顆粒體由顆粒和黏結(jié)構(gòu)成，顆粒體類似于兩顆粒間附著的膠凝物質(zhì)。在顆粒體中，描述顆粒的細(xì)觀參數(shù)有:球密度P、最小顆粒半徑Rmin、最大與最小粒徑比Rmax/Rmin、接觸楊氏.胃.&、接觸法向與切向剛度比k /ks、摩擦系數(shù)μ ;描述黏結(jié)的細(xì)觀參數(shù)有:黏結(jié)楊氏模ii I 黏結(jié)法向與切向剛度比iks、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值、黏結(jié)法向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差h',、黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值、黏結(jié)切向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差I(lǐng)—采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其尺寸與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)
試樣保持一致。賦予顆粒體試樣假定的顆粒和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行虛擬加載計(jì)算。將計(jì)算得到的顆粒體試樣宏觀參數(shù)，與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的巖石試樣宏觀參數(shù)進(jìn)行對(duì)t匕。通過(guò)不斷調(diào)整顆粒體細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)，便可確定合理的顆粒體細(xì)觀參數(shù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，采用表3所述的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行單軸和三軸虛擬壓縮加載，得到了圖1所示的顆粒體計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線。顆粒體試樣的計(jì)算宏觀參數(shù)如表4所述，基本與表I所述的室內(nèi)試驗(yàn)巖石宏觀參數(shù)一致，由此可以認(rèn)為所確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)是合理的。(4)光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)確定。通過(guò)構(gòu)建光滑節(jié)理，以表征巖體中的節(jié)理。光滑節(jié)理的性質(zhì)與巖體中節(jié)理的性質(zhì)類似。描述光滑節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)有:法向剛度sj_kn、切向剛度sj_ks、摩擦因數(shù)sj_fric、剪脹角sj_da、黏結(jié)法向強(qiáng)度sj_bns、黏結(jié)系統(tǒng)黏聚力sj_bcoh、黏結(jié)系統(tǒng)摩擦角sj_bfa。采用顆粒體與光滑節(jié)理構(gòu)建巖石節(jié)理直剪試驗(yàn)試樣，其尺寸與室內(nèi)節(jié)理直剪試樣保持一致，顆粒體試樣細(xì)觀參數(shù)為步驟(3)所確定。賦予光滑節(jié)理假定的細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行巖石節(jié)理試樣的虛擬直剪試驗(yàn)，將計(jì)算得到的節(jié)理宏觀參數(shù)，與室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)獲得的節(jié)理宏觀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)不斷調(diào)整光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)節(jié)理直剪試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)，便可確定合理的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，采用表5所述的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行光滑節(jié)理虛擬直剪試驗(yàn)，得到了圖2所示的光滑節(jié)理計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)不同法向荷載下的峰值抗剪強(qiáng)度，繪制峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，可獲得光滑節(jié)理的峰值內(nèi)聚力和峰值內(nèi)摩擦角；根據(jù)不同法向荷載下的殘余抗剪強(qiáng)度，繪制殘余強(qiáng)度包絡(luò)線，可獲得光滑節(jié)理的殘余內(nèi)聚力和殘余內(nèi)摩擦角。光滑節(jié)理的計(jì)算宏觀參數(shù)如表6所述，基本與表2所述的室內(nèi)直剪試驗(yàn)宏觀參數(shù)一致，由此可以認(rèn)為所確定的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)是合理的。(5)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。首先，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理地質(zhì)調(diào)查，針對(duì)節(jié)理的傾向、傾角、間距、跡長(zhǎng)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析及偏差校正；然后，根據(jù)校正后的數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)模擬理論構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)；最后，將節(jié)理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與節(jié)理偏差校正數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩者的統(tǒng)計(jì)相似性。表7為通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理進(jìn)行采樣、概率統(tǒng)計(jì)、偏差校正后，獲得的節(jié)理概率分布模型和參數(shù)估計(jì)。圖3為根據(jù)校正后的數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)模擬理論構(gòu)建的尺寸為40mX40mX40m的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。(6)多尺度節(jié)理巖體構(gòu)建。首先，采用步驟(3)確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建試驗(yàn)室尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等多尺度顆粒體試樣；然后，將步驟(5)所構(gòu)建的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)嵌入到各類顆粒體試樣中，節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的特性即為步驟(4)所確定的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)；最終，便可得到能充分反映節(jié)理分布特征的多尺度節(jié)理巖體。采用表3所述的顆粒體細(xì)觀參數(shù)構(gòu)建試驗(yàn)室尺度(RMOl)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度(RM02、RM03)和工程尺度(RM04、RM05、RM06、RM07)等顆粒體，其中RMOl為不含節(jié)理的純巖石顆粒體試樣。為了使計(jì)算結(jié)果具有可比性，各類顆粒體均為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)高寬比為2:1:1，長(zhǎng)軸為 Z 軸。RMOl RM07 模型尺寸分別為 0.1mX0.05mX0.05mUmX0.5mX0.5m、2mX ImX lm、4mX 2mX 2m、8mX 4mX 4m、IOmX 5mX 5m、20mX IOmX 10m。然后，將具有如表 5所述光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)，嵌入到顆粒體RMOl RM07中，即可得到多尺度節(jié)理巖體，如圖4所示。(7)針對(duì)步驟(6)所構(gòu)建的多尺度節(jié)理巖體，進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖5為對(duì)圖4中的節(jié)理巖體RMOl RM07，沿Z軸進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，得到的各類巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(8)根據(jù)步驟(7)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取出各類節(jié)理巖體的峰值單軸壓縮強(qiáng)度，即單軸抗壓強(qiáng)度，作節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系圖。同時(shí)，按漸進(jìn)式(Asymptoticmodel)指數(shù)函數(shù)模型,擬合節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系曲線。漸進(jìn)式指數(shù)函數(shù)模型的公式為0’=a+b*CL，式中，σ’為節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度(單位MPa)、L為節(jié)理巖體加載向試樣尺寸(單位m)，a、b、c均為參數(shù)。在擬合的關(guān)系函數(shù)中，當(dāng)節(jié)理巖體加載向試樣尺寸每增加lm，單軸抗壓強(qiáng)度的降低量與室內(nèi)巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度的比值小于0.2%時(shí)，即可認(rèn)為:單軸抗壓強(qiáng)度不再隨尺寸的增大而變化，并已達(dá)到節(jié)理巖體表征單元體積。根據(jù)圖5多尺度節(jié)理巖體虛擬單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，節(jié)理巖體試樣RMOl RM07 的單軸抗壓強(qiáng)度分別為 120MPa、40.2MPa、20.9MPa、8.0MPa、4.5MPa、4.0MPa、2.8MPa,按漸進(jìn)式指數(shù)函數(shù)模型，擬合的節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸關(guān)系曲線為σ ’ =3.3068+121.6870.0.3025S室內(nèi)巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度為120MPa。當(dāng)節(jié)理巖體加載向試樣尺寸分別為5m和6m時(shí)，通過(guò)公式σ ’ =3.3068+121.6870.0.3025L計(jì)算得到的單軸抗壓強(qiáng)度分別為3.6150MPa和3.4000MPa,單軸抗壓強(qiáng)度的降低量為0.179%，小于0.2%。因此，可以認(rèn)為試樣尺寸為6m時(shí)，已達(dá)到表征單元體積，即該區(qū)域節(jié)理巖體表征單元體積為IOmX 5mX 5m。表I巖石宏觀參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法，包含如下順序步驟: (1)進(jìn)行巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σ_、彈性模量Ε、泊松比V ;通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)室，獲得不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度，并繪制摩爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線，可獲得巖石的內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角P。
(2)進(jìn)行室內(nèi)節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)，獲得法向荷載下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線；根據(jù)不同法向荷載下的峰值抗剪強(qiáng)度，繪制峰值強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得節(jié)理的峰值內(nèi)聚力Crt和內(nèi)摩擦角？根據(jù)不同法向荷載下的殘余抗剪強(qiáng)度，繪制殘余強(qiáng)度包絡(luò)線，獲得節(jié)理的殘余內(nèi)聚力C」-和殘余內(nèi)摩擦角奶 (3)確定顆粒體細(xì)觀參數(shù)。描述顆粒的細(xì)觀參數(shù)有:球密度P、最小顆粒半徑Rmin、最大與最小粒徑比Rmax/Rmin、接觸楊氏模量Ε。、接觸法向與切向剛度比kn/ks、摩擦系數(shù)μ ;描述黏結(jié)的細(xì)觀參數(shù)有:黏結(jié)楊氏模量、黏結(jié)法向與切向剛度比t/t、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值 結(jié)法向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差黏 結(jié)切向強(qiáng)度平均值 、黏結(jié)切向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差Lifev。采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其尺寸與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)試樣保持一致。賦予顆粒體試樣假定的顆粒和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行虛擬加載計(jì)算。將計(jì)算得到的顆粒體試樣宏觀參數(shù)，與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得的巖石試樣宏觀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)不斷調(diào)整顆粒體細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)，便可確定合理的顆粒體細(xì)觀參數(shù)。
(4)確定光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)。描述光滑節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)有:法向剛度sj_kn、切向剛度sj_ks、摩擦因數(shù)sj_fric、剪脹角sj_da、黏結(jié)法向強(qiáng)度sj_bns、黏結(jié)系統(tǒng)黏聚力sj_bcoh、黏結(jié)系統(tǒng)摩擦角sj_bfa。采用顆粒體與光滑節(jié)理構(gòu)建巖石節(jié)理直剪試驗(yàn)試樣，其尺寸與室內(nèi)節(jié)理直剪試樣保持一致，顆粒體試樣細(xì)觀參數(shù)為步驟(3)所確定。賦予光滑節(jié)理假定的細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行巖石節(jié)理試樣的虛擬直剪試驗(yàn)，將計(jì)算得到的節(jié)理宏觀參數(shù)，與室內(nèi)節(jié)理直剪試驗(yàn)獲得的節(jié)理宏觀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)不斷調(diào)整光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)，當(dāng)節(jié)理直剪試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí)，便可確定合理的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)。
(5)構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。首先，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理地質(zhì)調(diào)查，針對(duì)節(jié)理的傾向、傾角、間距、跡長(zhǎng)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析及偏差校正；然后，根據(jù)校正后的數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)模擬理論構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)；最后，將節(jié)理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與節(jié)理偏差校正數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩者的統(tǒng)計(jì)相似性。
(6)構(gòu)建多尺度節(jié)理巖體。首先，采用步驟(3)確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建試驗(yàn)室尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等多尺度顆粒體試樣；然后，將步驟(5)所構(gòu)建的節(jié)理網(wǎng)絡(luò)嵌入到各類顆粒體試樣中，節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的特性即為步驟(4)所確定的光滑節(jié)理細(xì)觀參數(shù)；最終，便可得到能充分反映節(jié)理分布特征的多尺度節(jié)理巖體。
(7)針對(duì)步驟(6)所構(gòu)建的多尺度節(jié)理巖體，進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
(8)根據(jù)步驟(7)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取出各類節(jié)理巖體的峰值單軸壓縮強(qiáng)度，即單軸抗壓強(qiáng)度，作節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系圖。同時(shí)，按漸進(jìn)式(Asymptotic model)指數(shù)函數(shù)模型,擬合節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系曲線。漸進(jìn)式指數(shù)函數(shù)模型的公式為σ ’=a+b.>，式中，σ ’為節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度(單位MPa)、L為節(jié)理巖體加載向試樣尺寸(單位m)，a、b、c均為參數(shù)。在擬合的關(guān)系函數(shù)中，當(dāng)節(jié)理巖體加載向試樣尺寸每增加lm，單軸抗壓強(qiáng)度的降低量與室內(nèi)巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度的比值小于0.2%時(shí)，即可認(rèn)為:單軸抗壓強(qiáng)度不再隨尺寸的增大而變化，并已達(dá)到節(jié)理巖體表征單元體積 。
全文摘要
一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法，屬于巖土工程計(jì)算參數(shù)研究領(lǐng)域。本發(fā)明結(jié)合室內(nèi)巖石、節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理地質(zhì)調(diào)查，構(gòu)建能充分反映節(jié)理空間分布特征及巖石、節(jié)理力學(xué)特性的室內(nèi)試驗(yàn)尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等多尺度節(jié)理巖體試樣，并對(duì)其進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線。最后，作各類節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度與加載向試樣尺寸的關(guān)系圖并擬合關(guān)系曲線。在擬合的關(guān)系曲線中，當(dāng)節(jié)理巖體加載向試樣尺寸每增加1m，單軸抗壓強(qiáng)度的降低量與室內(nèi)巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度的比值小于0.2%時(shí)，即可認(rèn)為巖體單軸抗壓強(qiáng)度不再隨尺寸的增大而變化，并已達(dá)到節(jié)理巖體表征單元體積。本發(fā)明提供一種原理簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節(jié)理巖體表征單元體積。
文檔編號(hào)G01N33/24GK103197042SQ201310061950
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者周喻, 吳順川, 趙偉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)