一種節理巖體表征單元體積的取值方法，屬于巖土工程計算參數研究領域。本發明專利技術結合室內巖石、節理力學試驗及現場節理地質調查，構建能充分反映節理空間分布特征及巖石、節理力學特性的室內試驗尺度、現場原位試驗尺度和工程尺度等多尺度節理巖體試樣，并對其進行虛擬單軸壓縮加載，獲取應力-應變曲線。最后，作各類節理巖體單軸抗壓強度與加載向試樣尺寸的關系圖并擬合關系曲線。在擬合的關系曲線中，當節理巖體加載向試樣尺寸每增加1m，單軸抗壓強度的降低量與室內巖石試樣單軸抗壓強度的比值小于0.2%時，即可認為巖體單軸抗壓強度不再隨尺寸的增大而變化，并已達到節理巖體表征單元體積。本發明專利技術提供一種原理簡單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節理巖體表征單元體積。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，屬于巖土工程計算參數研究領域，適用于邊坡、隧道、壩基等各類巖石工程力學參數的研究。
技術介紹
巖體作為地質體，在漫長的地質年代中，經歷過不同時期地質構造運動的作用，經受過變形，遭受過破壞，形成一定的巖石成分和結構，并賦存于一定的地質環境中。節理作為巖體中一種重要結構面，其發育常常給各類巖石工程造成安全隱患。由于巖體質量評價不當而導致的工程事故時有發生。因此，深入開展節理巖體力學特性的研究，是保障巖石工程的合理設計、安全施工、正常運營的基礎，具有重要的科學研究意義和工程應用價值。節理巖體是由巖塊和節理組成的復合體，其力學特性受巖塊、節理的力學特性及節理的空間分布形態的控制。節理巖體是一種典型的“不連續介質”，由于節理的存在，其力學特性隨研究試樣尺度的不同而變化，即存在著尺寸效應。研究表明，當節理巖體試驗尺寸從室內試驗尺度增加到現場原位試驗尺度時，節理巖體的變形模量、抗壓強度等參數均明顯降低，即表現出強烈的尺寸效應(主要受節理密度和節理力學強度等影響)。因此，需要研究巖體尺寸增加到多大時才能代表工程巖體的性質，即研究巖體變形模量等力學參數隨巖體尺寸增加的變化規律。表征單元體積常常作為一種定量的標準，用于描述節理巖體的這一特性。由于巖體中節理規模與分布規律的多樣性，巖體表征單元體積的研究十分復雜，但這意味著節理巖體表征單元體積的研究更具有工程應用價值，因為達到表征單元體積的節理巖體，其力學特性可基本代表工程巖體的力學特性。目前，確定節理巖體表征單元體積的常用方法為理論分析法。例如，文獻“周創兵，熊文林.論巖體的滲透特性.工程地質學報，1996，4 (2):69-74.”，利用能量迭加原理研究了隨機裂隙巖體的彈性參數與滲透張量的解析表達式，并根據統計理論提出了估算隨機裂隙巖體REV的方法。文獻“周創兵，陳益峰，姜清輝.巖體表征單元體與巖體力學參數.巖土工程學報，2009，29 (8):1135-1142.”認為，如果巖體體積V的大小達到了其內部所包含的結構面的統計特征與總體的統計特征一致時，這時V達到了表征單元體積。然而，采用理論分析法研究節理巖體表征單元體積，存在較多假設，且理論體系復雜、使用效果不佳，因此，難以被廣泛應用于實際工程巖體表征單元體積的研究中。\
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服采用存在較多假設且理論體系復雜的理論分析法研究節理巖體表征單元體積的缺點，提供一種原理簡單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節理巖體表征單元體積。本專利技術所述的，包含如下順序步驟:(I)進行巖石室內力學試驗，通過室內單軸壓縮實驗，獲得巖石的單軸抗壓強度Oucs、彈性模量E、泊松比V ;通過室內三軸壓縮實驗室，獲得不同圍壓下的抗壓強度，并繪制摩爾圓和強度包絡線，可獲得巖石的內聚力C和內摩擦角穿。(2)進行室內節理力學試驗，通過室內節理直剪試驗，獲得法向荷載下的剪切應力-應變曲線；根據不同法向荷載下的峰值抗剪強度，繪制峰值強度包絡線，獲得節理的峰值內聚力Crt和內摩擦角_;根據不同法向荷載下的殘余抗剪強度，繪制殘余強度包絡線，獲得節理的殘余內聚力Ch和殘余內摩擦角奶(3)確定顆粒體細觀參數。描述顆粒的細觀參數有: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μ ;描述黏結的細觀參數有:黏結楊氏模量瓦、黏結法向與切向剛度比t/fc、黏結法向強度平均值、黏結法向強度標準差k、黏結切向強度平均值？ 、黏結切向強度標準差？0采用顆粒和黏結構建顆粒體試樣，其尺寸與室內巖石力學試驗試樣保持一致。賦予顆粒體試樣假定的顆粒和黏結細觀參數，并對其進行虛擬加載計算。將計算得到的顆粒體試樣宏觀參數，與室內巖石力學試驗獲得的巖石試樣宏觀參數進行對比。通過不斷調整顆粒體細觀參數，當計算結果與試驗結果基本一致時，便可確定合理的顆粒體細觀參數。(4)確定光滑節理細觀參數。描述光滑節理的細觀參數有:法向剛度sj_kn、切向剛度sj_ks、摩擦因數sj_fric、剪脹角sj_da、黏結法向強度sj_bns、黏結系統黏聚力sj_bcoh、黏結系統摩擦角s j_bfa。采用顆粒體與光滑節理構建巖石節理直剪試驗試樣,其尺寸與室內節理直剪試樣保持一致，顆粒體試樣細觀參數為步驟(3)所確定。賦予光滑節理假定的細觀參數，進行巖石節理試樣的虛擬直剪試驗，將計算得到的節理宏觀參數，與室內節理直剪試驗獲得的節理宏觀參數進行對比。通過不斷調整光滑節理細觀參數，當節理直剪試驗計算結果與試驗結果基本一致時，便可確定合理的光滑節理細觀參數。 (5)構建節理網絡。首先，通 過現場節理地質調查，針對節理的傾向、傾角、間距、跡長進行概率統計分析及偏差校正；然后，根據校正后的數據，采用隨機模擬理論構建節理網絡；最后，將節理網絡數據與節理偏差校正數據進行對比，驗證兩者的統計相似性。(6)構建多尺度節理巖體。首先，采用步驟(3)確定的顆粒體細觀參數，構建試驗室尺度、現場原位試驗尺度和工程尺度等多尺度顆粒體試樣；然后，將步驟(5)所構建的節理網絡嵌入到各類顆粒體試樣中，節理網絡的特性即為步驟(4)所確定的光滑節理細觀參數；最終，便可得到能充分反映節理分布特征的多尺度節理巖體。(7)針對步驟(6)所構建的多尺度節理巖體，進行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類巖體應力-應變曲線。(8)根據步驟(7)得到的應力-應變曲線，提取出各類節理巖體的峰值單軸壓縮強度，即單軸抗壓強度，作節理巖體單軸抗壓強度與加載向試樣尺寸的關系圖。同時，按漸進式(Asymptoticmodel)指數函數模型,擬合節理巖體單軸抗壓強度與加載向試樣尺寸的關系曲線。漸進式指數函數模型的公式為0’=a+b*CL，式中，σ'為節理巖體單軸抗壓強度(單位MPa)、L為節理巖體加載向試樣尺寸(單位m)，a、b、c均為參數。在擬合的關系函數中，當節理巖體加載向試樣尺寸每增加lm，單軸抗壓強度的降低量與室內巖石試樣單軸抗壓強度的比值小于0.2%時，即可認為:單軸抗壓強度不再隨尺寸的增大而變化，并已達到節理巖體表征單元體積。本專利技術的有益效果在于:本專利技術提供一種原理簡單、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于確定節理巖體表征單元體積。附圖說明圖1顆粒體試樣壓縮加載下計算應力-應變曲線。圖2光滑節理虛擬直剪試驗的計算應力-應變曲線。圖3節理網絡。圖4多尺度節理巖體。圖5多尺度節理巖體虛擬單軸壓縮應力-應變曲線。圖6節理巖體單軸抗壓強度與加載向試樣尺寸的關系圖。其中，圖4中，顆粒體細觀參數構建試驗室尺度(RMOl)、現場原位試驗尺度(RM02、RM03)、工程尺度(RM04、RM05、RM06、RM07)顆粒體。具體實施方式:以某露天鐵礦巖質高邊坡為例，介紹，包含如下順序步驟:(I)進行巖石室內力學試驗，獲得現場采樣巖石的各類宏觀參數。通過室內單軸壓縮實驗，獲得巖石的單軸抗壓 強度σu。s、彈性模量E、泊松比V ;通過室內三軸壓縮實驗室，獲得不同圍壓下的抗壓強度，并繪制摩爾圓和強度包絡線，可獲得巖石的內聚力c和內摩擦角,表I為在現場取回巖石(白云巖)樣本后，進行室內力學試驗，獲得的巖石宏觀參數。(2)進行室內節理力學試驗，獲得現場采樣節理本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種節理巖體表征單元體積的取值方法，包含如下順序步驟：(1)進行巖石室內力學試驗，通過室內單軸壓縮實驗，獲得巖石的單軸抗壓強度σucs、彈性模量E、泊松比ν；通過室內三軸壓縮實驗室，獲得不同圍壓下的抗壓強度，并繪制摩爾圓和強度包絡線，可獲得巖石的內聚力c和內摩擦角(2)進行室內節理力學試驗，通過室內節理直剪試驗，獲得法向荷載下的剪切應力?應變曲線；根據不同法向荷載下的峰值抗剪強度，繪制峰值強度包絡線，獲得節理的峰值內聚力cj?p和內摩擦角根據不同法向荷載下的殘余抗剪強度，繪制殘余強度包絡線，獲得節理的殘余內聚力cj?r和殘余內摩擦角(3)確定顆粒體細觀參數。描述顆粒的細觀參數有：球密度ρ、最小顆粒半徑Rmin、最大與最小粒徑比Rmax/Rmin、接觸楊氏模量Ec、接觸法向與切向剛度比kn/ks、摩擦系數μ；描述黏結的細觀參數有：黏結楊氏模量黏結法向與切向剛度比黏結法向強度平均值黏結法向強度標準差黏結切向強度平均值黏結切向強度標準差采用顆粒和黏結構建顆粒體試樣，其尺寸與室內巖石力學試驗試樣保持一致。賦予顆粒體試樣假定的顆粒和黏結細觀參數，并對其進行虛擬加載計算。將計算得到的顆粒體試樣宏觀參數，與室內巖石力學試驗獲得的巖石試樣宏觀參數進行對比。通過不斷調整顆粒體細觀參數，當計算結果與試驗結果基本一致時，便可確定合理的顆粒體細觀參數。(4)確定光滑節理細觀參數。描述光滑節理的細觀參數有：法向剛度sj_kn、切向剛度sj_ks、摩擦因數sj_fric、剪脹角sj_da、黏結法向強度sj_bns、黏結系統黏聚力sj_bcoh、黏結系統摩擦角sj_bfa。采用顆粒體與光滑節理構建巖石節理直剪試驗試樣，其尺寸與室內節理直剪試樣保持一致，顆粒體試樣細觀參數為步驟(3)所確定。賦予光滑節理假定的細觀參數，進行巖石節理試樣的虛擬直剪試驗，將計算得到的節理宏觀參數，與室內節理直剪試驗獲得的節理宏觀參數進行對比。通過不斷調整光滑節理細觀參數，當節理直剪試驗計算結果與試驗結果基本一致時，便可確定合理的光滑節理細觀參數。(5)構建節理網絡。首先，通過現場節理地質調查，針對節理的傾向、傾角、間距、跡長進行概率統計分析及偏差校正；然后，根據校正后的數據，采用隨機模擬理論構建節理網絡；最后，將節理網絡數據與節理偏差校正數據進行對比，驗證兩者的統計相似性。(6)構建多尺度節理巖體。首先，采用步驟(3)確定的顆粒體細觀參數，構建試驗室尺度、現場原位試驗尺度和工程尺度等多尺度顆粒體試樣；然后，將步驟(5)所構建的節理網絡嵌入到各類顆粒體試樣中，節理網絡的特性即為步驟(4)所確定的光滑節理細觀參數；最終，便可 得到能充分反映節理分布特征的多尺度節理巖體。(7)針對步驟(6)所構建的多尺度節理巖體，進行虛擬單軸壓縮加載，獲得各類巖體應力?應變曲線。(8)根據步驟(7)得到的應力?應變曲線，提取出各類節理巖體的峰值單軸壓縮強度，即單軸抗壓強度，作節理巖體單軸抗壓強度與加載向試樣尺寸的關系圖。同時，按漸進式(Asymptotic?model)指數函數模型，擬合節理巖體單軸抗壓強度與加載向試樣尺寸的關系曲線。漸進式指數函數模型的公式為σ“=a+b·cL，式中，σ“為節理巖體單軸抗壓強度(單位MPa)、L為節理巖體加載向試樣尺寸(單位m)，a、b、c均為參數。在擬合的關系函數中，當節理巖體加載向試樣尺寸每增加1m，單軸抗壓強度的降低量與室內巖石試樣單軸抗壓強度的比值小于0.2%時，即可認為：單軸抗壓強度不再隨尺寸的增大而變化，并已達到節理巖體表征單元體積。FDA00002866294000011.jpg,FDA00002866294000012.jpg,FDA00002866294000013.jpg,FDA00002866294000014.jpg,FDA00002866294000015.jpg,FDA00002866294000016.jpg,FDA00002866294000017.jpg,FDA00002866294000018.jpg,FDA00002866294000019.jpg...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：周喻，吳順川，趙偉，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發明
國別省市：
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