本發(fā)明專利技術(shù)提供一種節(jié)理巖體各向異性的確定方法，首先構(gòu)建能充分反映巖石、節(jié)理力學(xué)特性和節(jié)理空間分布特征的多尺度節(jié)理巖體，不同尺度的節(jié)理巖體包括三組試樣，其長(zhǎng)軸方向分別沿X、Y、Z向；然后，沿各類節(jié)理巖體的長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并提取出沿X、Y、Z軸向的節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)；最后，建立各向異性指數(shù)ξ，確定不同尺度下，節(jié)理巖體不同軸向的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)的各向異性，從而量化研究節(jié)理巖體的各向異性特性。本發(fā)明專利技術(shù)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，以確定節(jié)理巖體的各向異性特性。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
:本專利技術(shù)涉及，屬于巖土工程材料力學(xué)特性研究領(lǐng)域，適用于邊坡、隧道、壩基等各類巖石工程力學(xué)特性的研究。
技術(shù)介紹
:巖體的賦存歷史十分悠久，曾經(jīng)受過(guò)多次地質(zhì)構(gòu)造作用，各次地質(zhì)構(gòu)造作用的方式和特征不同，從而形成了大小不等、方向各異的多組結(jié)構(gòu)面，因此，現(xiàn)有巖體是受不同時(shí)期、不同性質(zhì)的多組結(jié)構(gòu)面切割的巖體。這些結(jié)構(gòu)面的切割，造成了巖體的不連續(xù)性，明顯改變了巖體的受カ特征，致使巖體力學(xué)性質(zhì)具有明顯的方向性。因此，如何確定節(jié)理巖體的各向異性特征，從而確保巖土工程的合理設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)，成為該研究領(lǐng)域的重要工作之o對(duì)于完整巖石而言，巖石的強(qiáng)度特性可以認(rèn)為是各向同性的。而對(duì)于含有節(jié)理裂隙等一些不連續(xù)面的巖體而言，由于其不連續(xù)面的影響，巖體的強(qiáng)度特性表現(xiàn)為各向異性，即結(jié)構(gòu)面效應(yīng)。目前在地層淺部的工程設(shè)計(jì)中，仍粗略地將節(jié)理巖體近似為各向同性體，在考慮節(jié)理對(duì)巖體強(qiáng)度的弱化作用時(shí)，均根據(jù)節(jié)理連通率對(duì)完整巖石的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，因而未能有效地反映巖體的各向異性特性。研究表明，由于節(jié)理的存在，巖體表現(xiàn)出顯著的各向異性特征。在巖土工程中，隨著節(jié)理數(shù)量的増加，節(jié)理巖體的抗壓強(qiáng)度、變形模量等參數(shù)明顯降低，其各向異性將不能忽略。但由于天然巖體中節(jié)理的復(fù)雜和不規(guī)則性，其研究?jī)?nèi)容還包括探究巖體中節(jié)理的分布規(guī)模與規(guī)律，通過(guò)確定節(jié)理巖體不同方向的抗壓強(qiáng)度和變形模量，獲得其各向異性特征，從而尋找到更具有工程應(yīng)用價(jià)值的節(jié)理巖體各向異性確定方法。目前，確定節(jié)理巖 體各向異性的常用方法大都基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要有以下幾種研究方法:變形等效法、能量等效法、裂隙組構(gòu)張量法、損傷力學(xué)方法和自治理論。文獻(xiàn)“張武，張憲宏.節(jié)理巖體的弾性模型.巖土工程學(xué)報(bào)，1987，09 (04):33 -44.”，利用變形相等或協(xié)調(diào)，推導(dǎo)出了多向節(jié)理巖體的弾性本構(gòu)模型。文獻(xiàn)“張飛，雷化南.概率結(jié)構(gòu)節(jié)理巖體各向異性彈性模型.金屬礦山，1994,211(01):11 -14.”，基于復(fù)合材料弾性理論從宏觀上考察了節(jié)理巖體的各向異性性質(zhì)，推導(dǎo)了節(jié)理巖體各向異性的彈性矩陣。文獻(xiàn)“徐衛(wèi)亞，鄭文棠.柱狀節(jié)理壩基巖體三維各向異性數(shù)值分析.巖土力學(xué)，2010,31 (3):950 - 955.”，利用變形等效原理，推導(dǎo)出了規(guī)則棱柱柱狀節(jié)理巖體的等效彈性本構(gòu)模型。然而，以上分析方法研究節(jié)理巖體的各向異性，存在較多假設(shè)，且理論體系復(fù)雜、應(yīng)用效果不佳，難以廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程巖體的各向異性研究中
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
:本專利技術(shù)的目的在于克服傳統(tǒng)的研究節(jié)理巖體各向異性理論分析方法存在的較多假設(shè)且理論體系復(fù)雜等方面的不足，提供ー種原理簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節(jié)理巖體的各向異性特性。本專利技術(shù)所述的ー種節(jié)理巖體各向異性的確定方法，其步驟如下:(I)進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，獲得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度0_、彈性模量￡、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)聚カc和內(nèi)摩擦角(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(Vp和內(nèi)摩擦角_ザ根據(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)聚カ…”和殘余內(nèi)摩擦角科パ(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R_/Rmin、接觸楊氏模量E。、接觸法向與切向剛度比kn/ks、摩擦系數(shù)y ；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l/i,、黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值； 、黏結(jié)法向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差5,, 、黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值厶、黏結(jié)切向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差？ 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)算與試驗(yàn)結(jié)果的宏觀參數(shù)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)算與試驗(yàn)結(jié)果的宏觀參數(shù)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)建實(shí)驗(yàn)室尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等三類多尺度顆粒體試樣。為使計(jì)算結(jié)果具有可比性,各類顆粒體試樣長(zhǎng)寬高比值均為2:1:1。各類顆粒體試樣分別包括三組顆粒體試樣，其長(zhǎng)軸方向分別沿X、Y、Z向。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。其中，實(shí)驗(yàn)室尺度試樣不含節(jié)理。(7)針對(duì)步驟(6)所構(gòu)建的多尺度節(jié)理巖體，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類節(jié)理巖體沿X、Y、Z軸向的應(yīng)カ-應(yīng)變曲線。(8)根據(jù)步驟(7)得到的節(jié)理巖體應(yīng)カ-應(yīng)變曲線，提取出各類節(jié)理巖體沿X、Y、Z軸向加載的單軸抗壓 強(qiáng)度和彈性模量(即單軸抗壓強(qiáng)度前線性段應(yīng)カ應(yīng)變曲線的斜率)，分別作節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與加載向試樣尺寸的關(guān)系曲線。為確定各類節(jié)理巖體的各向異性程度，建立各向異性指數(shù)し其表達(dá)式為權(quán)利要求1.，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 一、構(gòu)建多尺度節(jié)理巖體:首先，根據(jù)室內(nèi)巖石和節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，確定顆粒體和光滑節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理地質(zhì)調(diào)查，構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)；然后，采用已確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等三類多尺度顆粒體試樣；為使計(jì)算結(jié)果具有可比性，各類顆粒體試樣長(zhǎng)寬高比值均為2:1:1 ;各類顆粒體試樣分別包括三組顆粒體試樣，其長(zhǎng)軸方向分別沿X、Y、Z向；將構(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)的特性采用已確定的光滑節(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；其中，實(shí)驗(yàn)室尺度試樣不含節(jié)理； ニ、針對(duì)步驟一所構(gòu)建的多尺度節(jié)理巖體，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類節(jié)理巖體沿X、Y、Z軸向的應(yīng)カ-應(yīng)變曲線； 三、根據(jù)步驟ニ得到的節(jié)理巖體應(yīng)カ-應(yīng)變曲線，提取出各類節(jié)理巖體沿X、Y、Z軸向加載的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)，分別作節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種節(jié)理巖體各向異性的確定方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：一、構(gòu)建多尺度節(jié)理巖體：首先，根據(jù)室內(nèi)巖石和節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，確定顆粒體和光滑節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理地質(zhì)調(diào)查，構(gòu)建節(jié)理網(wǎng)絡(luò)；然后，采用已確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室尺度、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)尺度和工程尺度等三類多尺度顆粒體試樣；為使計(jì)算結(jié)果具有可比性，各類顆粒體試樣長(zhǎng)寬高比值均為2：1：1；各類顆粒體試樣分別包括三組顆粒體試樣，其長(zhǎng)軸方向分別沿X、Y、Z向；將構(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)的特性采用已確定的光滑節(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；其中，實(shí)驗(yàn)室尺度試樣不含節(jié)理；二、針對(duì)步驟一所構(gòu)建的多尺度節(jié)理巖體，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類節(jié)理巖體沿X、Y、Z軸向的應(yīng)力‐應(yīng)變曲線；三、根據(jù)步驟二得到的節(jié)理巖體應(yīng)力‐應(yīng)變曲線，提取出各類節(jié)理巖體沿X、Y、Z軸向加載的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)，分別作節(jié)理巖體單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等與加載向試樣尺寸的關(guān)系曲線；為確定各類節(jié)理巖體的各向異性程度，建立各向異性指數(shù)ξ，通過(guò)各向異性指數(shù)ξ，即可判別不同尺度下節(jié)理巖體的各向異性特性。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周喻，吳順川，高永濤，嚴(yán)瓊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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