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专利名称：一种节理岩体各向异性的确定方法
技术领域：
:本发明涉及一种节理岩体各向异性的确定方法，属于岩土工程材料力学特性研究领域，适用于边坡、隧道、坝基等各类岩石工程力学特性的研究。
背景技术：
:岩体的赋存历史十分悠久，曾经受过多次地质构造作用，各次地质构造作用的方式和特征不同，从而形成了大小不等、方向各异的多组结构面，因此，现有岩体是受不同时期、不同性质的多组结构面切割的岩体。这些结构面的切割，造成了岩体的不连续性，明显改变了岩体的受カ特征，致使岩体力学性质具有明显的方向性。因此，如何确定节理岩体的各向异性特征，从而确保岩土工程的合理设计、施工和运营，成为该研究領域的重要工作之
o对于完整岩石而言，岩石的强度特性可以认为是各向同性的。而对于含有节理裂隙等一些不连续面的岩体而言，由于其不连续面的影响，岩体的強度特性表现为各向异性，即结构面效应。目前在地层浅部的工程设计中，仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体，在考虑节理对岩体強度的弱化作用时，均根据节理连通率对完整岩石的強度參数进行折減，因而未能有效地反映岩体的各向异性特性。研究表明，由于节理的存在，岩体表现出显著的各向异性特征。在岩土工程中，随着节理数量的増加，节理岩体的抗压强度、变形模量等參数明显降低，其各向异性将不能忽略。但由于天然岩体中节理的复杂和不规则性，其研究内容还包括探究岩体中节理的分布规模与规律，通过确定节理岩体不同方向的抗压强度和变形模量，获得其各向异性特征，从而寻找到更具有工程应用价值的节理岩体各向异性确定方法。目前，确定节理岩 体各向异性的常用方法大都基于连续介质力学方法，国内外学者主要有以下几种研究方法:变形等效法、能量等效法、裂隙组构张量法、损伤力学方法和自治理论。文献“张武，张宪宏.节理岩体的弾性模型[J].岩土工程学报，1987，09 (04):33 -44.”，利用变形相等或协调，推导出了多向节理岩体的弾性本构模型。文献“张飞，雷化南.概率结构节理岩体各向异性弹性模型[J].金属矿山，1994,211(01):11 -14.”，基于复合材料弾性理论从宏观上考察了节理岩体的各向异性性质，推导了节理岩体各向异性的弹性矩阵。文献“徐卫亚，郑文棠.柱状节理坝基岩体三维各向异性数值分析[J].岩土力学，2010,31 (3):950 - 955.”，利用变形等效原理，推导出了规则棱柱柱状节理岩体的等效弹性本构模型。然而，以上分析方法研究节理岩体的各向异性，存在较多假设，且理论体系复杂、应用效果不佳，难以广泛应用于实际工程岩体的各向异性研究中
发明内容
:本发明的目的在于克服传统的研究节理岩体各向异性理论分析方法存在的较多假设且理论体系复杂等方面的不足，提供ー种原理简单、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于确定节理岩体的各向异性特性。
本发明所述的ー种节理岩体各向异性的确定方法，其步骤如下:(I)进行室内岩石力学试验，通过室内单轴压缩试验，获得岩石的单轴抗压强度0_、弹性模量￡、泊松比V ;通过室内三轴压缩实验室，获得不同围压下的抗压强度，并绘制摩尔圆和強度包络线，可获得岩石的内聚カc和内摩擦角(2)进行室内节理力学试验，通过室内节理直剪试验，获得法向荷载下的剪切应力-应变曲线；根据不同法向荷载下的峰值抗剪強度，绘制峰值强度包络线，获得节理的峰值内聚力(Vp和内摩擦角_ザ根据不同法向荷载下的残余抗剪强度，绘制残余強度包络线，获得节理的残余内聚カ…”和残余内摩擦角科パ(3)确定颗粒体细观參数。描述颗粒的细观參数有:球密度P、最小颗粒半径Rmin、最大与最小粒径比R_/Rmin、接触杨氏模量E。、接触法向与切向刚度比kn/ks、摩擦系数y ；描述黏结的细观參数有:黏结杨氏模量瓦，、黏结法向与切向刚度比l/i,、黏结法向强度平均值； 、黏结法向强度标准差5,, 、黏结切向强度平均值厶、黏结切向强度标准差？ 采用颗�：宛そ峁菇�颗粒体试样，其尺寸与室内岩石力学试验试样保持一致。赋予颗粒体试样假定的颗�：宛そ嵯腹蹍⑹�，并对其进行虚拟加载计算。将计算得到的颗粒体试样宏观參数，与室内岩石力学试验获得的岩石试样宏观參数进行对比。通过不断调整颗粒体细观參数，当计算与试验结果的宏观參数基本一致时，便可确定合理的颗粒体细观參数。(4)确定光滑节理细观參数。描述光滑节理的细观參数有:法向刚度sj_kn、切向刚度sj_ks、摩擦因数sj_fric、剪胀角sj_da、黏结法向强度sj_bns、黏结系统黏聚力sj_bcoh、黏结系统摩擦角sj_bfa。采用颗粒体与光滑节理构建岩石节理直剪试验试样,其尺寸与室内节理直剪试样保持一致，颗粒体试样细观參数为步骤(3)所确定。赋予光滑节理假定的细观參数，进行岩石节理试样的虚拟直剪试验，将计算得到的节理宏观參数，与室内节理直剪试验获得的节理宏观參数进行对比。通过不断调整光滑节理细观參数，当节理直剪试验计算与试验结果的宏观參数基本一致时，便可确定合理的光滑节理细观參数。 (5)构建节理网络。首先，通过现场节理地质调查，针对节理的倾向、倾角、间距、迹长进行概率统计分析及偏差校正；然后，根据校正后的数据，采用随机模拟理论构建节理网络；最后，将节理网络数据与节理偏差校正数据进行对比，验证两者的统计相似性。(6)构建多尺度节理岩体。首先，采用步骤(3)确定的颗粒体细观參数，构建实验室尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等三类多尺度颗粒体试样。为使计算结果具有可比性,各类颗粒体试样长宽高比值均为2:1:1。各类颗粒体试样分别包括三组颗粒体试样，其长轴方向分别沿X、Y、Z向。然后，将步骤(5)所构建的节理网络嵌入到各类颗粒体试样中，节理网络的特性即为步骤(4)所确定的光滑节理细观參数；最終，便可得到能充分反映节理分布特征的多尺度节理岩体。其中，实验室尺度试样不含节理。(7)针对步骤(6)所构建的多尺度节理岩体，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩加载，获得各类节理岩体沿X、Y、Z轴向的应カ-应变曲线。(8)根据步骤(7)得到的节理岩体应カ-应变曲线，提取出各类节理岩体沿X、Y、Z轴向加载的单轴抗压 強度和弹性模量(即单轴抗压强度前线性段应カ应变曲线的斜率)，分别作节理岩体单轴抗压强度、弹性模量与加载向试样尺寸的关系曲线。为确定各类节理岩体的各向异性程度，建立各向异性指数し其表达式为
权利要求
1.一种节理岩体各向异性的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 一、构建多尺度节理岩体:首先，根据室内岩石和节理力学试验結果，确定颗粒体和光滑节理的细观參数，同时结合现场节理地质调查，构建节理网络；然后，采用已确定的颗粒体细观參数，构建实验室尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等三类多尺度颗粒体试样；为使计算结果具有可比性，各类颗粒体试样长宽高比值均为2:1:1 ;各类颗粒体试样分别包括三组颗粒体试样，其长轴方向分别沿X、Y、Z向；将构建的节理网络嵌入到各类颗粒体试样中，节理网络的特性采用已确定的光滑节理细观參数；最終，便可得到能充分反映节理分布特征的多尺度节理岩体；其中，实验室尺度试样不含节理； ニ、针对步骤一所构建的多尺度节理岩体，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩加载，获得各类节理岩体沿X、Y、Z轴向的应カ-应变曲线； 三、根据步骤ニ得到的节理岩体应カ-应变曲线，提取出各类节理岩体沿X、Y、Z轴向加载的单轴抗压強度和弹性模量等力学參数，分别作节理岩体单轴抗压强度、弹性模量等与加载向试样尺寸的关系曲线；为确定各类节理岩体的各向异性程度，建立各向异性指数I，通过各向异性指数I，即可判别不同尺度下节理岩体的各向异性特性。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，步骤三中
3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤一中根据室内岩石和节理力学试验結果，确定颗粒体和光滑节理的细观參数的具体方法包括以下步骤: (1)进行室内岩石力学试验:通过室内单轴压缩试验，获得岩石的单轴抗压强度弹性模量E、泊松比V ;通过室内三轴压缩实验室，获得不同围压下的抗压强度，并绘制摩尔圆和強度包络线，可获得岩石的内聚カc和内摩擦角爭； (2)进行室内节理力学试验:通过室内节理直剪试验，获得法向荷载下的剪切应カ-应变曲线；根据不同法向荷载下的峰值抗剪強度，绘制峰值强度包络线，获得节理的峰值内聚力4 _p和内摩擦角根据不同法向荷载下的残余抗剪强度，绘制残余強度包络线，获得节理的残余内聚カCji和残余内摩擦角卿r; (3)确定颗粒体细观參数:描述颗粒的细观參数有:球密度P、最小颗粒半径Rmin、最大与最小粒径比R_/Rmin、接触杨氏模量E。、接触法向与切向刚度比kn/ks、摩擦系数y ;描述黏结的细观參数有:黏结杨氏模量、黏结法向与切向刚度比t/t、黏结法向强度平均值Gn、黏结法向强度标准差'、黏结切向強度平均值1、黏结切向强度标准差 采用颗�：宛そ峁菇�颗粒体试样，其尺寸与室内岩石力学试验试样保持一致；赋予颗粒体试样假定的颗�：宛そ嵯腹蹍⑹�，并对其进行虚拟加载计算；将计算得到的颗粒体试样宏观參数，与室内岩石力学试验获得的岩石试样宏观參数进行对比；通过不断调整颗粒体细观參数，当计算与试验结果的宏观參数基本一致时，便可确定合理的颗粒体细观參数。
(4)确定光滑节理细观參数:描述光滑节理的细观參数有法向刚度sj_kn、切向刚度sj_ks、摩擦因数sj_fric、剪胀角sj_da、黏结法向强度sj_bns、黏结系统黏聚力sj_bcoh、黏结系统摩擦角sj_bfa ;采用颗粒体与光滑节理构建岩石节理直剪试验试样，其尺寸与室内节理直剪试样保持一致，颗粒体细观參数为步骤(3)所确定；赋予光滑节理假定的细观參数，进行岩石节理试样的虚拟直剪试验，将计算得到的节理宏观參数，与室内节理直剪试验获得的节理宏观參数进行对比；通过不断调整光滑节理细观參数，当节理直剪试验计算与试验结果的宏观參数基本一致时，便可确定合理的光滑节理细观參数。
4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤一中构建节理网络的方法是:首先，通过现场节理地质调查，针对节理的倾向、倾角、间距、迹长进行概率统计分析及偏差校正；然后，根据校正后的数据，采用随机模拟理论构建节理网络；最后，将节理网络数据与节理偏差校正 数据进行对比，验证两者的统计相似性。
全文摘要
本发明提供一种节理岩体各向异性的确定方法，首先构建能充分反映岩石、节理力学特性和节理空间分布特征的多尺度节理岩体，不同尺度的节理岩体包括三组试样，其长轴方向分别沿X、Y、Z向；然后，沿各类节理岩体的长轴方向进行虚拟单轴压缩加载，获得应力-应变曲线，并提取出沿X、Y、Z轴向的节理岩体单轴抗压强度和弹性模量等力学参数；最后，建立各向异性指数ξ，确定不同尺度下，节理岩体不同轴向的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数的各向异性，从而量化研究节理岩体的各向异性特性。本发明提供一种原理简单、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，以确定节理岩体的各向异性特性。
文档编号G01N3/08GK103115820SQ20131007378
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者周喻, 吴顺川, 高永涛, 严琼 申请人:北京科技大学