CN108647408A - 一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析方法。关键大起伏是所有岩石节理起伏体中振幅高度A_w最高的波状大起伏，为一阶起伏体，决定着剪切性能，是沿着剪切方向、水平长度为半关键大起伏初始波长λ_w/2时坡度最陡的大起伏，关键大起伏的线性趋势线与水平方向的初始夹角为初始倾角i₀；位于关键大起伏上，面向剪切方向波长最长的粗糙小凸起则称关键小凸起，其在沿关键大起伏方向上的长度为半关键小凸起初始波长λ_u/2，关键小凸起的线性趋势线与关键大起伏的线性趋势线的初始夹角为初始倾角α₀，定义为二阶起伏体，选择基线长度最长的小凸起来代表岩石节理的关键小凸起，在所有二阶起伏体中，关键小凸起主要提供剪切抗力产生剪胀。

Description

一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析方法。

背景技术

天然岩石节理面起伏不平，包含描述节理起伏趋势的尺寸相对较大的起伏体(Waviness)和描述节理粗糙程度的尺寸相对较小的起伏体(Unevenness)。部分研究称尺寸较大的起伏体为起伏度，尺寸较小的起伏体为粗糙度；起伏度的尺寸比粗糙度的尺寸大一个数量级。有些学者则分别把尺寸较大和较小的起伏体称作一阶起伏体(First-orderasperity)和高阶起伏体(Higher-order asperity)。由于高阶起伏体的尺寸较小，通常可只考虑到二阶起伏体(Second-order asperity)。

传统的起伏度概念，即为典型的实验室尺寸倾角为i₀的一阶大起伏，其波长λ_w量级为几十毫米；粗糙度概念即为实验室尺寸倾角为α₀的二阶小凸起，其波长范围λ_u为几毫米。

2015年，李迎春等人在《A constitutive model for a laboratory rock jointwith multi-scale asperity degradation》一文中，称一阶起伏体为大起伏、二阶起伏体为小凸起，提出了一阶大起伏和二阶小凸起中对剪切行为起控制作用的关键大起伏(Critical waviness)和关键小凸起(Critical unevenness)这两个概念。但对此双阶粗糙结构剪胀和劣化过程的描述仍处于半经验阶段，对双阶粗糙结构的节理剪切行为进行系统性、定量、理论模型化的研究尚处于初级阶段。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析的方法。将粗糙结构划分为一阶起伏体，称为大起伏；二阶起伏体，称为小凸起。且自双阶粗糙结构对节理剪切行为的影响方面分析，在大起伏、小凸起的基础上，得出控制其剪切性能的关键大起伏及关键小凸起的概念。明了直观地定量分析了岩石节理双阶粗糙度，对岩体工程的评价给予了理论基础。

本发明的技术方案：

一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析的方法，步骤如下：

一阶起伏体为大起伏；二阶起伏体为小凸起；

在剪切过程中，大起伏通常由于尺寸较大难以被剪坏，造成剪胀；而小凸起则由于尺寸较小趋于破坏；

关键大起伏是所有岩石节理起伏体中振幅高度A_w最高的波状大起伏，为一阶起伏体，决定着剪切性能，是沿着剪切方向、水平长度为半关键大起伏初始波长λ_w/2时坡度最陡的大起伏，关键大起伏的线性趋势线与水平方向的初始夹角为初始倾角i₀；位于关键大起伏上，面向剪切方向波长最长的粗糙小凸起则称关键小凸起，其在沿关键大起伏方向上的长度为半关键小凸起初始波长λ_u/2，关键小凸起的线性趋势线与关键大起伏的线性趋势线的初始夹角为初始倾角α₀，定义为二阶起伏体，选择基线长度最长的小凸起来代表岩石节理的关键小凸起，在所有二阶起伏体中，关键小凸起主要提供剪切抗力产生剪胀。

一般情况下，粗糙岩石节理的剪切过程分为五个阶段。其中的第二阶段为峰前软化阶段，在此非线性阶段，二阶小凸起结构受到大量的磨损破坏，而仅部分的一阶大起伏结构受到磨损破坏，这主要取决于正应力的量级。第四阶段为与之对应的峰后软化阶段，此时由于大部分的二阶小凸起在此之前已被剪坏，故相对较大的一阶大起伏承担了主要的剪切的强度。

传统的起伏度概念，即为典型的实验室尺寸倾角为i₀的一阶大起伏，其波长λ_w量级为几十毫米；粗糙度概念即为实验室尺寸倾角为α₀的二阶小凸起，其波长范围λ_u为几毫米。

本发明的有益效果：本发明所述的一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析的方法，分别从几何形貌、对剪切过程的影响方面独立地介绍了节理粗糙结构的关键大起伏、关键小凸起的划分，考虑到关键关键大起伏、关键小凸起的劣化，能够更加准确地定量描述岩石节理双阶粗糙度；考虑到实地规模节理面裂隙的存在而造成的剪切强度的降低，针对地下洞室等开挖项目，提高了其对岩体结构稳定性评估的可靠性。

附图说明

图1为表面不规则节理粗糙结构的关键大起伏、关键小凸起。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析方法，包括以下步骤：

一阶起伏体为大起伏；二阶起伏体为小凸起。

在剪切过程中，大起伏通常由于尺寸较大难以被剪坏，造成剪胀；而小凸起则由于尺寸较小趋于破坏。

如图1所示，i₀和α₀分别是关键大起伏的线性趋势线与水平方向的初始夹角及关键小凸起的线性趋势线与关键大起伏的线性趋势线的初始夹角，即初始倾角；λ_w和λ_u分别是关键大起伏和关键小凸起的初始波长；A_w和A_u分别是关键大起伏和关键小凸起的初始高度。

关键大起伏是指所有节理起伏体中振幅高度A_w最高的波状大起伏，定义为一阶起伏体，决定着剪切性能，是沿着剪切方向、水平长度为半关键大起伏初始波长λ_w/2时坡度最陡的大起伏，关键大起伏的线性趋势线与水平方向的初始夹角为初始倾角i₀；位于关键大起伏上，面向剪切方向波长最长的粗糙小凸起则称关键小凸起，其在沿关键大起伏方向上的长度为半关键小凸起初始波长λ_u/2，关键小凸起的线性趋势线与关键大起伏的线性趋势线的初始夹角为初始倾角α₀，定义为二阶起伏体，选择基线长度最长的小凸起来代表实验室尺寸的关键小凸起，在所有二阶起伏体中，关键小凸起主要提供剪切抗力产生剪胀。

一般情况下，粗糙岩石节理的剪切过程分为五个阶段。其中的第二阶段为峰前软化阶段，在此非线性阶段，二阶小凸起结构受到大量的磨损破坏，而仅部分的一阶大起伏结构受到磨损破坏，这主要取决于正应力的量级。第四阶段为与之对应的峰后软化阶段，此时由于大部分的二阶小凸起在此之前已被剪坏，故相对较大的一阶大起伏承担了主要的剪切的强度。

本发明所述的一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析的方法，分别从几何形貌、对剪切过程的影响方面独立地介绍了节理粗糙结构的关键大起伏、关键小凸起的划分，考虑到关键关键大起伏、关键小凸起的劣化，能够更加准确地定量描述岩石节理双阶粗糙度；考虑到实地规模节理面裂隙的存在而造成的剪切强度的降低，针对地下洞室等开挖项目，提高了其对岩体结构稳定性评估的可靠性。

提出的上述描述是为了便于该研究领域的普通研究人员能理解和运用本模型进行计算分析。熟悉本领域的人员可以对这些分析进行修改，并把在此说明的模型原理应用到其他例如三维剖面的分析计算中。本领域研究人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种新型岩石节理双阶粗糙度定量分析的方法，其特征在于，一阶起伏体为大起伏；二阶起伏体为小凸起；

关键大起伏是所有岩石节理起伏体中振幅高度A_w最高的波状大起伏，为一阶起伏体，决定着剪切性能，是沿着剪切方向、水平长度为半关键大起伏初始波长λ_w/2时坡度最陡的大起伏，关键大起伏的线性趋势线与水平方向的初始夹角为初始倾角i₀；位于关键大起伏上，面向剪切方向波长最长的粗糙小凸起则称关键小凸起，其在沿关键大起伏方向上的长度为半关键小凸起初始波长λ_u/2，关键小凸起的线性趋势线与关键大起伏的线性趋势线的初始夹角为初始倾角α₀，定义为二阶起伏体，选择基线长度最长的小凸起来代表岩石节理的关键小凸起，在所有二阶起伏体中，关键小凸起主要提供剪切抗力产生剪胀。