文摘

为了研究岩体不连续的瞬时力学性能不同的3 d形态在剪切过程中,巴西分裂方法用于准备自然岩体不连续和不连续性的高精度三维扫描测试。的选择不连续的作为评价参数。基于间断点的分段循环剪切试验结果,形态特征的影响的强度和变形特性进行了分析。与剪切时间的增加,3 d形态特征参数的结构面分级循环剪切后稳步下降。基于测试曲线,分级循环剪切的特点分析了岩体不连续的剪切变形,剪切过程的不连续是精细除以结合剪切刚度的变化特征。结合3 d形态参数,不连续的抗剪强度的经验公式。通过验证,新模型的效果优于经典JRC-JCS模型。

1。介绍

裂隙岩体的不连续发挥主导作用,岩体的变形和破坏。由于不连续性的存在,岩体复杂的工程性质,导致各向异性和异质性1]。与此同时,它还破坏了岩体的完整性,并且极大地降低了岩体的材料特性,是影响工程岩体稳定性的主要因素(2]。因此,学者们一直关注研究力学性能和参数选择岩体的不连续。

的形态学特性不连续岩体产生重大影响的力学性能(3,4]。说到不连续的二维形态特性,最著名的是关节形态表现为关节粗糙度系数(JRC)提出的不连续巴顿和Choubey5]。推荐的方法已被国际岩石力学与工程学会。事实上,许多学者已经修改和改进,联合研究中心的评价方法,也建立了一个定量的实证关系不同的统计参数和JRC值通过测量和统计方法6- - - - - -9]。由于曼德布洛特教授提出了分形几何的理论(10),有些学者应用它研究裂隙形态。Kulatilake等人,朱et al。11,12)分别建立了实证分形维度和联合研究中心的指标之间的关系,以便联合研究中心的指标可以通过分形方法。近年来,不连续的三维形态的表征方法的研究已成为一个热点话题的形态特征。贝伦et al。13]讨论了三维粗糙度系数描述几个不连续的形态的变化规律,研究在不连续的剪切过程粗糙系数。Grasselli et al。14]研究了不连续的形态学特性与3 d形态扫描技术,提出了描述不连续的3 d形态特性与新3 d形态参数。夏et al。15]研究了不连续的三维形态的描述不同接触状态并提出了形态参数的计算方法。Rabczuk et al。16,17)描述了一种新的建模方法离散裂缝无网的方法。目前,研究不连续的形态学特性及其表征方法已经成熟,但它仍然需要进一步改善。不连续的三维形态的表征方法测量精度有较高的要求,和表征参数复杂,不利于普及和推广。

剪切强度是不连续的基本力学性能之一,和丰富的研究成果已经被实现。不连续的强度特性的研究中,最具代表性的三种强度公式的不连续性,即。巴顿的公式,Ladanyi公式,巴顿的公式,而且大部分的后续研究进行基于这三个公式。巴顿在1960年代针对摩尔-库仑准则起伏的角度引入,建立了双线性不连续的剪切强度标准。巴顿(18)建立了著名的实验式JRC-JCS基于联合研究中心的峰值抗剪强度指标。陈等人。19)构建模型基于函数的峰值抗剪强度正常压力和不连续peak-dilation角之间的关系。公园等。20.)建造了一个不连续的剪切本构模型基于3 d形态参数。基于不连续的三维形态的研究。夏et al。21)进行了全面研究不连续的3 d峰值抗剪强度和构造的峰值抗剪强度的三维模型。通用电气(22)建立了峰值抗剪强度的经验公式基于3 d形态参数BAP的不连续。与岩体的不连续的力量属性,对其变形特性的研究深度和广度都较低,但国内外学者们从未停止学习的变形性质不连续(23,24]。阴et al。25)构造一个新的不连续本构模型基于循环剪切试验和数值模拟,反映了不连续的磨损对其摩擦特性的影响和膨胀特性的模型。李,杜26)的剪切变形特征进行了探讨基于剪切试验在人工不连续。黄等。27)模拟定期齿状不连续的剪切试验与不同的正常压力和角度基于土坡程序和分析剪切变形和强度的法则。Gui (28]建立了有节的峰值剪切位移模型的基础上直接剪切试验在人工不连续的本构模型,提出联合抗剪和剪切膨胀模式。力学性能的研究成果主要是人工预制定期不连续,虽然有相对较少的研究自然岩体不连续。特别是,很少有研究考虑岩体不连续的3 d形态属性。

不连续的形态学特性的基本研究强度理论,但是很难应用电流强度模型由于复杂的3 d形态表征方法不连续的性质。本文几个样品自然岩体的不连续的帮助下准备通过人工压裂3 d形态扫描技术,并评估3 d形态属性。间断点的分段循环剪切试验是进行基于不同的3 d形态属性,在不连续的力量和影响的基础上,分析了测试结果。从抗剪强度变化的角度,剪切过程中的不连续的变形特性进行了研究,和抗剪强度的经验公式的不连续性考虑建立3 d形态属性。

2。材料和方法

2.1。样品制备

准备选择自然片麻岩十块 ( )多维数据集样本, ( )不连续岩体的巴西获得的分割测试方向平行的片麻岩片理,和不连续的样品编号从导出,如图1。

2.2。在不连续的三维形态扫描测试

为了定量描述的三维形态的影响抗剪强度上的不连续性,如图2TJXW-3D岩石表面形态测量学是用来确定岩体的不连续的表面形态。十个样品总选择不连续的分级循环剪切试验。每次直接剪切试验后,样品应提供3 d形态扫描10年代,用扫描精度±20μm,以便准确地获得不连续的三维形态学数据,如图3。

2.3。分级循环直接剪切试验

css - 1950双轴岩石流变试验机在岩土及地下工程的重点实验室,如图4,是用来进行分级循环剪切试验对岩体的不连续。测试人员的最大压力是500 kN的方向垂直轴和水平方向300 kN,和加载系统的控制精度为1%。

的正常加载岩体剪切试验确定岩体的单轴抗压强度样本。平均单轴抗压强度得到单轴极限抗压强度测试圆柱样品5日为50.5 MPa。

不连续的各向异性是复杂的,样本块测试通过加载分级循环剪切不同正常压力下。5样本块的不连续岩体的自然选择。每个样本的不连续块受到五直接剪切试验,分别为(2.5 MPa的正常压力下,3.75 MPa, 5 MPa, 6.25 MPa,和7.5 MPa),剪切速率为0.5 MPa /分钟,这样和值和每个不连续的形态变化结合测试结果。

3所示。3 d形态评价岩体的不连续

3.1。3 d形态指标的不连续性

基于大量的不连续岩体剪切测试,发现只有部分接触顶部和底部的岩石不连续在剪切过程中,这样的接触只出现在剪切方向面临的斜率。在确定不连续的3 d形态属性,参数剪切方向应使用面临的反映不连续的有效剪切阻力。Grasselli等人研究了不连续的形态学特性的三维形态扫描和指出之间的几何关系不连续的三角小学明显下降( )和剪切方向参照有效剪切角的概念(即。明显下降, )(14),如图5。

如图6的计算公式明显下降( )如下: 在哪里是指不连续的三角形元素的真倾角,是指不连续的三角形元素的夹角倾斜方向和剪切方向,指的是外法向量的元素,指的是剪切面外法向量,指的是投影向量的在剪切方向,指联合剪切方向的向量。

谢霆锋和时候29日)获得了联合研究中心和对数回归关系联合曲线从10巴顿标准轮廓曲线,这是使用最广泛的。Yu和Vayssade30.)使用了一个线性关系来描述联合研究中心和之间的关系 。2010年,Tatone和Grasselli [31日)还建议使用指数代表联合研究中心之间的关系和关系 。上述研究结果表明,可以更好地描述联合的波动特征。

减压后数据一节德劳内的计算根据公式(1),以获得有效剪切倾斜( )每个三角形的基本平面。

在这项研究中,根据有效剪切倾斜( )计算每个三角形的基本平面,计算均方根的公式( )边坡提出如下: 在哪里是指任何三角形元素的有效剪切倾斜指的是有效的数量在整个关节表面剪切下降。

公式(4)不连续的有效剪切下降有关。均方根( )一口气边坡最终决定可以用来准确地描述整个断层的形态特性,计算速度快,所以它可以作为一个有效的参数来描述不连续的形态学特性。

3.2。计算3 d形态属性指标的不连续性

扫描得到的点云数据不连续的形态是一个基于三维投影中心坐标系统,和样品放置在扫描,所以应当转换坐标计算之前为了得到形态参数三角元数据标准坐标系下。之后,使用MATLAB程序转换为三角坐标点云数据,以获得不连续的三角形基本数据在全球坐标系统下,如图6。此外,公式(4)用于计算均方根( )边坡的三维不连续的形态学参数。摘要不连续的用于描述三维不连续的形态特性,结果如表所示1。

根据三维形态属性参数的变化,如图7不连续的形态属性和变化趋势,可以评估,以便更好地分析剪切试验中不连续的变化特征。曲线在图7显示了一个稳定的下降趋势,表明分级循环直接剪切条件下,轻微的减少,和滑移发生不连续,慢慢地减少了不连续的粗糙度。曲线波动,然而,一些数据显示明显的剪切现象可能发生在剪切过程中,大大改变了不连续的形状,导致的突然增加或减少 。最后,不连续的三维形态学参数表现出降低的趋势,这反映了断层的形态往往是平滑和稳定的多级剪切过程中。

4所示。研究剪切变形特性不同的3 d形态不连续

4.1。剪切变形的性质不同的3 d形态不连续

不连续是复杂,变形属性是由表面形态和材料的特点,和Ladanyi Archambault [32)不连续的剪切变形分为两部分,即。,减少变形和摩擦变形。不连续的3 d形态属性相同,正常压力越大,峰值强度越高,峰值越明显。

如图8(p-i-zj-l),由于应力集中的影响,当剪切应力超过“凸”能承受的最大应力,会造成表面磨损和损坏的不连续性。当“凸”很大程度上被切断,剪切应力将很大程度上发布的一个明显的应力降。后,不连续将开始产生失败并生成大量macroslip的相对位移输入阶段,和剪切应力主要是由摩擦力提供。

如图8(p-i-zj-2 ~ 5), stress-displacement的形态学特性曲线(MPa毫米)显著改变了与第一剪切。曲线显示了一个时期重要的线性增加早期加载但缺少原始的高峰阶段,直接进入屈服阶段,所以剪应力与剪切位移的增加没有明显的变化。因为显而易见的“凸”表面上的不连续被切断在第一剪切断层倾向于展示“平滑”救援。随着剪切机数量的增加,整个不连续变得平滑,减少的现象逐渐消失,不连续的剪切力主要由摩擦力。因此,第一次剪后,很难观察到任何应力降应力-应变曲线随着剪切机数量的增加,曲线趋向于平稳,也证明了只有“凸”的存在使不连续表面有一个峰值在第一剪切。

4.2。剪切过程中剪切刚度不连续的性质

从剪切刚度的变化不连续在剪切过程中,不连续的剪切过程可以详细描述。根据公式(5),在剪切过程中剪切刚度不连续的可以计算。样品p - 1用于画stress-stiffness-deformation曲线,如图9。

在图9,剪切刚度显示了一定的波动。剪切刚度随剪切变形增加在刚开始的时候,和这一阶段对应于压实部分(OA部分)的剪切曲线。与变形之后,剪切刚度急剧增加,这一阶段对应于AB部分剪切曲线;当剪切应力达到压力 ,剪切刚度达到峰值,随后开始下降,而这一阶段剪切曲线对应于公元前部分,也就是说,样本开始软化硬化后最大程度;交流往往是近似的线性部分,和这个阶段是我们称为线性弹性的阶段。

剪切刚度下降到一定程度时,剪切变形曲线往往有明显的屈服特性。这时,不连续的剪切刚度迅速下降,和这一阶段对应于CD部分剪切曲线,即屈服阶段,如剪切刚度曲线所示点后N在图9。剪切变形达到高峰时,对应点变形值D,最大剪切应力,剪切刚度是接近于零。当压力超过点D,剪切变形曲线开始下降,剪切刚度是负的,这阶段对应于postpeaking阶段(DE部分),在此期间,从负剪切刚度也变得接近于零。

5。不同的抗剪强度特性的研究3 d形态不连续

5.1。不连续的剪切强度变化特征

这组测试循环剪切试验在同一断层在不同样本正常压力,可能不同的数据处理方法。基于大量的直接剪切试验的样本人工JRC不连续,王et al。33,34)提出,不连续的剪切强度可分为两部分,即。,强度组件相关的剪切和摩擦。

因为它可以从公式(6),在剪切过程中,不连续的剪切强度可分为两个部分,即:,联合研究中心的相关和不连续性之间的摩擦。因此,本文认为,这也是自然岩体的不连续的情况,所以自然岩体的不连续的峰值抗剪强度可以被视为是由剪切和摩擦约。

图10给出了图的力量自然岩体的不连续的组件剪切过程。为了恢复削减不连续的影响,第一次的峰值强度减去了剪切残余强度的剪切应力产生的不连续,稍后将被添加到相应的摩擦应力后再后续剪,以大约恢复相应的峰值抗剪强度的不连续的每个剪切。 在哪里 ,这指的是测试。

因此,根据上述理论,结合测试结果,不连续的峰值强度的剪切恢复约,如表所示2。

某些校正后,不连续的每一块具有良好的线性相关性与峰值抗剪强度在不同正常的部队,以便最终确定不连续的基本力学参数,如表所示3和图11。

5.2。抗剪强度的经验公式考虑3 d形态

不连续的峰值抗剪强度一直是一个热点和难题在岩体力学领域在过去的几十年。大部分的峰值抗剪强度公式提出到目前为止遵循莫尔-库仑公式的形式。巴顿首次提出,不连续的抗剪强度主要由三部分组成:峰值扩张角,即。倾斜的剪切路径切线的高峰状态;凸剪切部分代表凸剪切破坏连接强度的贡献;和基本摩擦角,这主要是由材料特性(5]。基于不规则不连续的直接剪切试验的正常压力,巴顿认为不规则贴合表面形态有显著影响关节的峰值抗剪强度(35]。因此,巴顿建立之间的关系表达式扩张角和法向应力与不同形态参数,认为,接头的剪切强度共同决定的正常压力( )和内摩擦角( )。 在哪里指的是峰值抗剪强度,指正常的压力,指的内摩擦角,指的是扩张角。

基于巴顿模型,结合模型的钱36),抗剪强度的经验公式不连续性提出了考虑三维形态的影响: 在哪里指的是峰值抗剪强度,指正常的压力,指内摩擦角。法向应力为0时,可以用来描述最初的扩张角与3 d形态共同的属性。至于光滑平坦的不连续,3 d形态参数是0,简化的公式 ,这是与古典Mohr-Coulumb标准一致。

峰值抗剪强度的对比测试结果不连续和公式的计算结果(9)如图12,从中可以看出,理论公式(9)和测试结果周期的开始时保持良好的一致性。随着周期的数量增加,测试值之间的偏差和理论价值的增长,这是因为峰值抗剪强度的测试值已恢复通过特定的手段,但随着正常压力的增加,峰值抗剪强度恢复仍低,所以偏差生长在高正应力。

抗剪强度的经验公式考虑不连续的3 d形态参数获得表达简单明了,每个能快速得到的参数,它可以用来快速评估形态属性和估计不连续的抗剪强度,所以它适合硬岩体的不连续。

5.3。模型验证的剪切强度考虑3 d形态

巴顿和Choubey5]提出最常用JRC-JCS公式基于大量的直接剪切测试岩体的不连续性: 在哪里指的是基本的内摩擦角,指的是正常压力,JCS指不连续的墙的抗压强度。

基于巴顿的标准剖面线,谢霆锋和时候29日)发现通过研究表面几何参数之间的相关性均方根( )坡度和粗糙度系数JRC不连续是最好的,和相关系数为0.986,如公式(12)所示。在本文中,均方根( )代入公式(11)来推断出粗糙度系数JRC的不连续,后来代入公式(10)来计算相应的峰值抗剪强度。计算结果如图所示12。

为了定量评价的影响两个模型预测峰值抗剪强度,平均偏差公式是用来描述计算模型的准确性,平均偏差越小,越接近模型的计算值与测量值。下面的平均偏差的定义(37- - - - - -39]: 在哪里指的是平均偏差,指连接的测试值峰值抗剪强度,指的是有接缝的峰值抗剪强度的计算值,和指联合测试组的数量。

基于25剪切测试的平均偏差公式(9)和JRC-JCS公式在不同阶段如表所示4。如果从平均偏差分析,可以看出,随着周期的数量增加,平均偏差的公式(9)保持稳定和小于经典JRC-JCS公式,这表明该模型预测能力,稳定的计算值与测试值,可以很好和模型效果优于经典的巴顿的公式。

6。结论

本文进行综合研究的形态性能和剪切性能自然岩体的不连续,和高精度3 d形态扫描测试在不连续的3 d形态属性进行评价岩体的不连续。此外,基于不连续的分级循环剪切试验,不连续的形态学特性的影响的自然岩体不连续的强度特性和变形特性进行了分析和总结,主要结论如下:(1)基于3 d形态扫描测试的结果自然岩体的不连续性、均方根( )边坡被选中作为参数来评估形态属性,并发现形态学参数显示稳步下降的趋势随着剪切机数量的增加(2)基于分级循环剪切试验曲线,分级循环剪切特性的不连续岩体的剪切变形,分析了不连续的剪切过程是精炼的特点结合剪切刚度的变化(3)基于分级循环剪切试验在自然岩体的不连续,不连续的强度特性和变形特性分级过程中循环剪切过程进行了分析,和一种方法适用于强度参数的确定提出了分级循环剪切过程中的不连续。同时,结合3 d形态参数,抗剪强度的经验公式不连续性考虑3 d形态属性,提出了与古典JRC-JCS公式相比这是为了验证提出抗剪强度模型。

数据可用性

在研究过程中使用的所有数据和模型生成或出现在提交文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(41977227),岩石力学重点实验室、浙江省地质灾害,复杂条件下公路隧道安全施工的关键技术在云南东部山区,关键技术研究波纹钢组装快速初始支撑结构高速公路隧道、上海新星计划(17 qc1400600)和上海市科技重大项目(2017号shzdzx02)。