CN103197042A - 一种节理岩体表征单元体积的取值方法 - Google Patents
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Abstract
一种节理岩体表征单元体积的取值方法，属于岩土工程计算参数研究领域。本发明结合室内岩石、节理力学试验及现场节理地质调查，构建能充分反映节理空间分布特征及岩石、节理力学特性的室内试验尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等多尺度节理岩体试样，并对其进行虚拟单轴压缩加载，获取应力-应变曲线。最后，作各类节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图并拟合关系曲线。在拟合的关系曲线中，当节理岩体加载向试样尺寸每增加1m，单轴抗压强度的降低量与室内岩石试样单轴抗压强度的比值小于0.2%时，即可认为岩体单轴抗压强度不再随尺寸的增大而变化，并已达到节理岩体表征单元体积。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，便于确定节理岩体表征单元体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种节理岩体表征单元体积的取值方法，属于岩土工程计算参数研究领域，适用于边坡、隧道、坝基等各类岩石工程力学参数的研究。
技术背景
岩体作为地质体，在漫长的地质年代中，经历过不同时期地质构造运动的作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分和结构，并赋存于一定的地质环境中。节理作为岩体中一种重要结构面，其发育常常给各类岩石工程造成安全隐患。由于岩体质量评价不当而导致的工程事故时有发生。因此，深入开展节理岩体力学特性的研究，是保障岩石工程的合理设计、安全施工、正常运营的基础，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
节理岩体是由岩块和节理组成的复合体，其力学特性受岩块、节理的力学特性及节理的空间分布形态的控制。节理岩体是一种典型的“不连续介质”，由于节理的存在，其力学特性随研究试样尺度的不同而变化，即存在着尺寸效应。研究表明，当节理岩体试验尺寸从室内试验尺度增加到现场原位试验尺度时，节理岩体的变形模量、抗压强度等参数均明显降低，即表现出强烈的尺寸效应(主要受节理密度和节理力学强度等影响)。因此，需要研究岩体尺寸增加到多大时才能代表工程岩体的性质，即研究岩体变形模量等力学参数随岩体尺寸增加的变化规律。表征单元体积常常作为一种定量的标准，用于描述节理岩体的这一特性。由于岩体中节理规模与分布规律的多样性，岩体表征单元体积的研究十分复杂，但这意味着节理岩体表征单元体积的研究更具有工程应用价值，因为达到表征单元体积的节理岩体，其力学特性可基本代表工程岩体的力学特性。
目前，确定节理岩体表征单元体积的常用方法为理论分析法。例如，文献“周创兵，熊文林.论岩体的渗透特性[J]．工程地质学报，1996，4(2)：69-74.”，利用能量迭加原理研究了随机裂隙岩体的弹性参数与渗透张量的解析表达式，并根据统计理论提出了估算随机裂隙岩体REV的方法。文献“周创兵，陈益峰，姜清辉.岩体表征单元体与岩体力学参数[J].岩土工程学报，2009，29(8)：1135-1142.”认为，如果岩体体积V的大小达到了其内部所包含的结构面的统计特征与总体的统计特征一致时，这时V达到了表征单元体积。然而，采用理论分析法研究节理岩体表征单元体积，存在较多假设，且理论体系复杂、使用效果不佳，因此，难以被广泛应用于实际工程岩体表征单元体积的研究中。\
发明内容
本发明的目的在于克服采用存在较多假设且理论体系复杂的理论分析法研究节理岩体表征单元体积的缺点，提供一种原理简单、操作方便、成本低廉、使用效果好的方法，便于确定节理岩体表征单元体积。
本发明所述的一种节理岩体表征单元体积的取值方法，包含如下顺序步骤：
(1)进行岩石室内力学试验，通过室内单轴压缩实验，获得岩石的单轴抗压强度σucs、弹性模量E、泊松比ν；通过室内三轴压缩实验室，获得不同围压下的抗压强度，并绘制摩尔圆和强度包络线，可获得岩石的内聚力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强度，绘制峰值强度包络线，获得节理的峰值内聚力cj-p和内摩擦角
根据不同法向荷载下的残余抗剪强度，绘制残余强度包络线，获得节理的残余内聚力cj-r和残余内摩擦角
(3)确定颗粒体细观参数。描述颗粒的细观参数有：球密度ρ、最小颗粒半径Rmin、最大与最小粒径比Rmax/Rmin、接触杨氏模量Ec、接触法向与切向刚度比kn/ks、摩擦系数μ；描述黏结的细观参数有：黏结杨氏模量
黏结法向与切向刚度比
黏结法向强度平均值
黏结法向强度标准差
黏结切向强度平均值
黏结切向强度标准差
采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，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粒和黏结细观参数，并对其进行虚拟加载计算。将计算得到的颗粒体试样宏观参数，与室内岩石力学试验获得的岩石试样宏观参数进行对比。通过不断调整颗粒体细观参数，当计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的颗粒体细观参数。
(4)确定光滑节理细观参数。描述光滑节理的细观参数有：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，颗粒体试样细观参数为步骤(3)所确定。赋予光滑节理假定的细观参数，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参数，与室内节理直剪试验获得的节理宏观参数进行对比。通过不断调整光滑节理细观参数，当节理直剪试验计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的光滑节理细观参数。
(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)确定的颗粒体细观参数，构建试验室尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等多尺度颗粒体试样；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参数；最终，便可得到能充分反映节理分布特征的多尺度节理岩体。
(7)针对步骤(6)所构建的多尺度节理岩体，进行虚拟单轴压缩加载，获得各类岩体应力-应变曲线。
(8)根据步骤(7)得到的应力-应变曲线，提取出各类节理岩体的峰值单轴压缩强度，即单轴抗压强度，作节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图。同时，按渐进式(Asymptoticmodel)指数函数模型，拟合节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系曲线。渐进式指数函数模型的公式为σ'=a+b·cL，式中，σ'为节理岩体单轴抗压强度(单位MPa)、L为节理岩体加载向试样尺寸(单位m)，a、b、c均为参数。在拟合的关系函数中，当节理岩体加载向试样尺寸每增加1m，单轴抗压强度的降低量与室内岩石试样单轴抗压强度的比值小于0.2%时，即可认为：单轴抗压强度不再随尺寸的增大而变化，并已达到节理岩体表征单元体积。
本发明的有益效果在于：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，便于确定节理岩体表征单元体积。
附图说明
图1颗粒体试样压缩加载下计算应力-应变曲线。
图2光滑节理虚拟直剪试验的计算应力-应变曲线。
图3节理网络。
图4多尺度节理岩体。
图5多尺度节理岩体虚拟单轴压缩应力-应变曲线。
图6节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图。
其中，图4中，颗粒体细观参数构建试验室尺度(RM01)、现场原位试验尺度(RM02、RM03)、工程尺度(RM04、RM05、RM06、RM07)颗粒体。
具体实施方式：
以某露天铁矿岩质高边坡为例，介绍一种节理岩体表征单元体积的取值方法，包含如下顺序步骤：
(1)进行岩石室内力学试验，获得现场采样岩石的各类宏观参数。通过室内单轴压缩实 验，获得岩石的单轴抗压强度σucs、弹性模量E、泊松比ν；通过室内三轴压缩实验室，获得不同围压下的抗压强度，并绘制摩尔圆和强度包络线，可获得岩石的内聚力c和内摩擦角
表1为在现场取回岩石（白云岩）样本后，进行室内力学试验，获得的岩石宏观参数。
(2)进行室内节理力学试验，获得现场采样节理的各类宏观参数。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强度，绘制峰值强度包络线，获得节理的峰值内聚力cj-p和内摩擦角
根据不同法向荷载下的残余抗剪强度，绘制残余强度包络线，获得节理的残余内聚力cj-r和残余内摩擦角
表2为在现场取回含节理的岩样后，进行室内节理直剪试验，获得的节理宏观参数。
(3)颗粒体细观参数确定。通过构建颗粒体，以表征岩石。颗粒体由颗粒和黏结构成，颗粒体类似于两颗粒间附着的胶凝物质。在颗粒体中，描述颗粒的细观参数有：球密度ρ、最小颗粒半径Rmin、最大与最小粒径比Rmax/Rmin、接触杨氏模量Ec、接触法向与切向刚度比kn/ks、摩擦系数μ；描述黏结的细观参数有：黏结杨氏模量
黏结法向与切向刚度比
黏结法向强度平均值
黏结法向强度标准差黏结切向强度平均值
黏结切向强度标准差
采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，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粒和黏结细观参数，并对其进行虚拟加载计算。将计算得到的颗粒体试样宏观参数，与室内岩石力学试验获得的岩石试样宏观参数进行对比。通过不断调整颗粒体细观参数，当计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的颗粒体细观参数。
经过反复调试，采用表3所述的颗粒体细观参数，进行单轴和三轴虚拟压缩加载，得到了图1所示的颗粒体计算应力-应变曲线。颗粒体试样的计算宏观参数如表4所述，基本与表1所述的室内试验岩石宏观参数一致，由此可以认为所确定的颗粒体细观参数是合理的。
(4)光滑节理细观参数确定。通过构建光滑节理，以表征岩体中的节理。光滑节理的性质与岩体中节理的性质类似。描述光滑节理的细观参数有：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，颗粒体试样细观参数为步骤(3)所确定。赋予光滑节理假定的细观参数，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参数，与室内节理直剪试验获得的节理宏观参数进行对比。通过不断调整光滑节理细观参数，当节理直剪试验计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的光滑节理细观参数。
经过反复调试，采用表5所述的光滑节理细观参数，进行光滑节理虚拟直剪试验，得到 了图2所示的光滑节理计算应力-应变曲线。根据不同法向荷载下的峰值抗剪强度，绘制峰值强度包络线，可获得光滑节理的峰值内聚力和峰值内摩擦角；根据不同法向荷载下的残余抗剪强度，绘制残余强度包络线，可获得光滑节理的残余内聚力和残余内摩擦角。光滑节理的计算宏观参数如表6所述，基本与表2所述的室内直剪试验宏观参数一致，由此可以认为所确定的光滑节理细观参数是合理的。
(5)节理网络构建。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。
表7为通过对现场节理进行采样、概率统计、偏差校正后，获得的节理概率分布模型和参数估计。图3为根据校正后的数据，采用随机模拟理论构建的尺寸为40m×40m×40m的节理网络。
(6)多尺度节理岩体构建。首先，采用步骤(3)确定的颗粒体细观参数，构建试验室尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等多尺度颗粒体试样；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参数；最终，便可得到能充分反映节理分布特征的多尺度节理岩体。
采用表3所述的颗粒体细观参数构建试验室尺度(RM01)、现场原位试验尺度(RM02、RM03)和工程尺度(RM04、RM05、RM06、RM07)等颗粒体，其中RM01为不含节理的纯岩石颗粒体试样。为了使计算结果具有可比性，各类颗粒体均为长方体，长高宽比为2：1：1，长轴为Z轴。RM01～RM07模型尺寸分别为0.1m×0.05m×0.05m、1m×0.5m×0.5m、2m×1m×1m、4m×2m×2m、8m×4m×4m、10m×5m×5m、20m×10m×10m。然后，将具有如表5所述光滑节理细观参数的节理网络，嵌入到颗粒体RM01～RM07中，即可得到多尺度节理岩体，如图4所示。
(7)针对步骤(6)所构建的多尺度节理岩体，进行虚拟单轴压缩加载，获得各类岩体应力-应变曲线。图5为对图4中的节理岩体RM01～RM07，沿Z轴进行虚拟单轴压缩加载，得到的各类岩体应力-应变曲线。
(8)根据步骤(7)得到的应力-应变曲线，提取出各类节理岩体的峰值单轴压缩强度，即单轴抗压强度，作节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图。同时，按渐进式(Asymptoticmodel)指数函数模型，拟合节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系曲线。渐进式指数函数模型的公式为σ'=a+b·cL，式中，σ'为节理岩体单轴抗压强度(单位MPa)、L为节理岩体加载向试样尺寸(单位m)，a、b、c均为参数。在拟合的关系函数中，当 节理岩体加载向试样尺寸每增加1m，单轴抗压强度的降低量与室内岩石试样单轴抗压强度的比值小于0.2%时，即可认为：单轴抗压强度不再随尺寸的增大而变化，并已达到节理岩体表征单元体积。
根据图5多尺度节理岩体虚拟单轴压缩应力-应变曲线，节理岩体试样RM01～RM07的单轴抗压强度分别为120MPa、40.2MPa、20.9MPa、8.0MPa、4.5MPa、4.0MPa、2.8MPa，按渐进式指数函数模型，拟合的节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸关系曲线为σ'=3.3068+121.6870·0.3025L，室内岩石试样单轴抗压强度为120MPa。当节理岩体加载向试样尺寸分别为5m和6m时，通过公式σ'=3.3068+121.6870·0.3025L计算得到的单轴抗压强度分别为3.6150MPa和3.4000MPa，单轴抗压强度的降低量为0.179%，小于0.2%。因此，可以认为试样尺寸为6m时，已达到表征单元体积，即该区域节理岩体表征单元体积为10m×5m×5m。
表1岩石宏观参数
表2节理宏观参数
表3颗粒体细观参数
表4颗粒体计算宏观参数
表5光滑节理细观参数
表6光滑节理的计算宏观参数
表7节理概率分布模型和参数估计
Claims (1)
1.一种节理岩体表征单元体积的取值方法，包含如下顺序步骤：
(1)进行岩石室内力学试验，通过室内单轴压缩实验，获得岩石的单轴抗压强度σucs、弹性模量E、泊松比ν；通过室内三轴压缩实验室，获得不同围压下的抗压强度，并绘制摩尔圆和强度包络线，可获得岩石的内聚力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强度，绘制峰值强度包络线，获得节理的峰值内聚力cj-p和内摩擦角
根据不同法向荷载下的残余抗剪强度，绘制残余强度包络线，获得节理的残余内聚力cj-r和残余内摩擦角
(3)确定颗粒体细观参数。描述颗粒的细观参数有：球密度ρ、最小颗粒半径Rmin、最大与最小粒径比Rmax/Rmin、接触杨氏模量Ec、接触法向与切向刚度比kn/ks、摩擦系数μ；描述黏结的细观参数有：黏结杨氏模量
黏结法向与切向刚度比
黏结法向强度平均值
黏结法向强度标准差
黏结切向强度平均值
黏结切向强度标准差
采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，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粒和黏结细观参数，并对其进行虚拟加载计算。将计算得到的颗粒体试样宏观参数，与室内岩石力学试验获得的岩石试样宏观参数进行对比。通过不断调整颗粒体细观参数，当计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的颗粒体细观参数。
(4)确定光滑节理细观参数。描述光滑节理的细观参数有：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，颗粒体试样细观参数为步骤(3)所确定。赋予光滑节理假定的细观参数，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参数，与室内节理直剪试验获得的节理宏观参数进行对比。通过不断调整光滑节理细观参数，当节理直剪试验计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的光滑节理细观参数。
(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)确定的颗粒体细观参数，构建试验室尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等多尺度颗粒体试样；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参数；最终，便可得到能充分反映节理分布特征的多尺度节理岩体。
(7)针对步骤(6)所构建的多尺度节理岩体，进行虚拟单轴压缩加载，获得各类岩体应力-应变曲线。
(8)根据步骤(7)得到的应力-应变曲线，提取出各类节理岩体的峰值单轴压缩强度，即单轴抗压强度，作节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图。同时，按渐进式(Asymptotic model)指数函数模型，拟合节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系曲线。渐进式指数函数模型的公式为σ'=a+b·cL，式中，σ'为节理岩体单轴抗压强度(单位MPa)、L为节理岩体加载向试样尺寸(单位m)，a、b、c均为参数。在拟合的关系函数中，当节理岩体加载向试样尺寸每增加1m，单轴抗压强度的降低量与室内岩石试样单轴抗压强度的比值小于0.2%时，即可认为：单轴抗压强度不再随尺寸的增大而变化，并已达到节理岩体表征单元体积。
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| 周 喻: "岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析", 《岩石力学与工程学报》 * |
| 周创兵: "岩体表征单元体与岩体力学参数", 《岩土工程学报》 * |
| 周创兵: "论岩体表征单元体积REV-岩体力学参数取值的一个基本问题", 《工程地质学报》 * |
| 安玉华: "基于三维裂隙网络的裂隙岩体表征单元体研究", 《岩土力学》 * |
| 王旭: "鄂西三叠系灰岩岩体的REV及强度参数研究", 《中国优秀硕士学位论文数据库》 * |
| 白哲: "采用光滑节理模型的单节理岩体数值试验", 《铁道建筑》 * |
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