CN113281149B - 一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法，求取密度分布函数、方向分布函数以及尺寸分布函数；获得岩块和结构面的力学参数；生成重构岩体样；抽取岩体结构作为抽样样本；建立抽样样本对应的合成岩体模型；计算当前指定尺度的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数；获取合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数趋于稳定的指定尺度。本发明直接使用室内试验确定的岩块与结构面力学参数，计算分析较为简单；在大重构岩体样本中，同尺度多中心点抽样，可以考虑相同指定尺度条件下节理岩体样本的离散型；在确定表征单元体尺度时，同时考虑力学参数与几何参数。

Description

一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法
技术领域
本发明属于土木工程、水利水电工程、新能源工程技术领域，具体涉及一种节理岩体的表征单元体积(representative volumetric element，REV)尺度综合取值方法，用于地下工程、岩质边坡等岩石工程领域的力学参数取值研究。
背景技术
岩石的形成过程是一段漫长的地质过程，在其结晶、沉积、变质的过程中，由于地质构造运动的作用，将使得岩石内部形成大量、几乎无规则出现的裂隙，这些裂隙的存在，将降低岩石的变形模量、强度、承载力等力学指标，威胁工程安全，因此研究内含不同大小、尺寸的裂隙的岩石材料的力学性质变化特征具有重要的学术与工程意义。
节理裂隙的存在使岩体力学参数与变形参数等存在明显的尺寸效应，即岩体参数如弹性模量、抗压强度等随着岩体(试样)分析尺度的变化而变化。一般而言，试样尺寸较小时，岩体的参数随着试样尺寸的变化而差别显著，而当试样尺寸增大至某一临界值时，岩体参数趋于稳定，这一临界值的尺寸即为表征单元体尺度(REV尺度)。当采用现场试验或室内试验抑或数值试验确定岩体参数时，只有分析试件的尺寸大于或等于REV的尺寸，试验结果才可以代表整个岩体的性质与特征。采用数值方法对岩体进行力学与变形等分析时，地质模型不小于REV的尺寸时，连续介质模型才可以选用。故REV的确定对岩体的分析与评价具有非常重要的作用。
目前，确定节理岩体REV尺度的方法有(1)理论分析法，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.”、(2)实验分析法，如文献“张占荣.地下洞室岩体变形模量的尺寸效应研究[J].工程地质学报，2011，19(5)：642-648.”。实验方法求取REV尺度工作繁复，耗资巨大；而理论分析方法存在较多假设且理论体系复杂。两种方法应用均较为困难。
申请号201310061950.0和201710805196.5的专利文件，及文献“吴顺川.等效岩体技术在岩体工程中的应用.《岩石力学与工程学报》.2010,第29卷(第7期),1435-1441.”提出了采用颗粒离散元方法构建等效岩体，开展数值计算求取节理岩体REV尺度的方法。方法部分解决了理论方法及实验方法的缺陷，但其局限性在于：(1)采用的颗粒离散元数值计算方法基于微观参数假定，微观参数取值较为困难；(2)求取REV尺度的过程中需构建多尺度岩体数值模型，已有的方法不能考虑节理岩体样本的离散型；(3)已有的方法仅考虑了力学参数，对几何参数未考虑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法，利用相对简单块体离散元技术，考虑多尺度合成岩体模型的随机离散性，并同时考虑节理岩体的力学特征与几何特征，求取表征单元体尺度(REV尺度)。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法，包括以下步骤：
步骤1、测量现场岩体结构露头的露头测量数据，反算全空间中岩体结构的空间分布信息，求取对应的密度分布函数、方向分布函数、以及尺寸分布函数；
步骤2、自现场取回岩块和结构面试样，在室内开展岩块的力学试验与结构面的力学试验，获得岩块的力学参数；获得结构面的力学参数；
步骤3、在指定空间范围内，在随机中心点位置，不断生成方向符合方向分布函数、尺寸符合尺寸分布函数的单个节理，待指定空间范围内的节理密度符合密度分布函数时完成节理网络的构建，指定空间范围的节理网络作为重构岩体样；
步骤4、在步骤3获取的重构岩体样本中，设置多个中心点，在不同的中心点按照指定尺度抽取岩体结构作为抽样样本；
步骤5、根据步骤2获得岩块的力学参数和结构面的力学参数，利用有限元数值软件建立指定尺度的抽样样本对应的合成岩体模型；
步骤6、在步骤5获取的当前指定尺度的合成岩体模型中，开展数值试验，分别计算当前指定尺度的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数；
步骤7、更改指定尺度，重复步骤4～6过程，获取不同指定尺度下的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数；
步骤8、对不同指定尺度下的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数进行数学回归分析，获取合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数趋于稳定的指定尺度。
如上所述的步骤5包括以下步骤：通过有限元数值软件建立抽样样本中岩块对应的岩块有限单元数值模型，通过有限元数值软件建立抽样样本中岩块接触面对应的岩块接触面数值模型，将步骤2获得岩块的力学参数赋值给抽样样本对应的岩块有限单元数值模型，将步骤2获得的结构面的力学参数赋值给抽样样本对应的岩块接触面数值模型，抽样样本对应的岩块有限单元数值模型和岩块接触面数值模型构成抽样样本对应的合成岩体模型。
如上所述的露头测量数据包括露头的方向、迹线长、以及间距，所述的空间分布信息包括密度、方向、以及尺寸。
如上所述的岩块的力学参数包括模量、泊松比、岩块摩擦角、以及岩块粘聚力；所述的结构面的力学参数包括法向刚度、切向刚度、结构面摩擦角、以及结构面粘聚力。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)岩块和结构面试样自现场获取，直接使用室内试验确定的岩块与结构面力学参数，计算分析较为简单；
(2)采用了“大重构岩体样本中，同尺度多中心点抽样”的方法，可以考虑相同指定尺度条件下节理岩体样本的离散型；
(3)在确定表征单元体尺度(REV尺度)时，同时考虑力学参数与几何参数，综合取得表征单元体尺度(REV尺度)。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明中获得的尺度为200m的重构岩体样本的示意图；
图3为本发明中某指定尺度下相同指定尺度不同中心点抽样样本示意图；
图4为在图2所示重构岩体样本中抽取的指定尺度为20m的4个不同中心点的抽样样本；
图5为结合了密度分布函数、方向分布函数、以及尺寸分布函数的指定尺度为20m的合成岩体模型，其中左图为抽样样本，右图为左图对应的合成岩体模型；
图6为图5所示的合成岩体模型在开展数值试验过程中的应力应变曲线示意图；
图7为不同指定尺度下结构参数P32的数学回归曲线；
图8为不同指定尺度下力学参数弹性模量E的数学回归曲线。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
以某水电站高边坡工程岩体为例，一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法，包括如下步骤：
步骤1：在工程现场开展地质调查，测量现场岩体结构露头的露头测量数据，露头测量数据包括露头的方向、迹线长、间距等，通过露头测量数据，反算全空间中岩体结构的空间分布信息，空间分布信息包括：密度、方向、尺寸等参数，并求取其相应的密度分布函数、方向分布函数、以及尺寸分布函数，表1～表3为某水电站高边坡工程岩体测量获取的密度分布函数、方向分布函数、尺寸分布函数。
步骤2：自现场取回岩块和结构面试样，在室内开展岩块的力学试验与结构面的力学试验，获得岩块的模量、泊松比、岩块摩擦角、岩块粘聚力等力学参数；获得结构面的法向刚度、切向刚度、结构面摩擦角、结构面粘聚力等力学参数，如表4。
步骤3：根据步骤1获得的方向分布函数、尺寸分布函数、密度分布函数(表1～表3中数据)，采用随机模拟理论构建节理网络，构建节理网络的具体过程为：在指定空间范围内，在随机中心点位置，不断生成方向符合方向分布函数、尺寸符合尺寸分布函数的单个节理，待指定空间范围内的节理密度符合密度分布函数时停止生成过程，完成节理网络的构建。此处根据表1～表3的数据，建立一个200m×200m×200m的指定空间范围的节理网络作为重构岩体样本，200m远大于期望的表征单元体尺度(REV尺度)，图2为建立的重构岩体样本，生成的重构岩体样本满足表1～3对应的密度分布函数、方向分布函数、尺寸分布函数。
步骤4：抽取指定尺度的岩体结构。在步骤3获取的大的重构岩体样本中，设置多个中心点，在不同的中心点按照指定尺度抽取岩体结构作为抽样样本。图3给出了抽样的原理图，图4为指定尺度为20m的若干抽样样本。
步骤5：在有限元数值软件中建立指定尺度的抽样样本100对应的合成岩体模型200：有限元数值软件建立抽样样本100中岩块对应的岩块有限单元数值模型11，有限元数值软件建立抽样样本中岩块接触面对应的岩块接触面数值模型12，将步骤2获得岩块的力学参数赋值给抽样样本100对应的岩块有限单元数值模型11，将步骤2获得的结构面的力学参数赋值给抽样样本100对应的岩块接触面数值模型12，抽样样本100对应的岩块有限单元数值模型11和岩块接触面数值模型12构成抽样样本100对应的合成岩体模型200，一个实例如图5。
步骤6：在步骤5获取的当前指定尺度的合成岩体模型中，开展数值试验，分别计算当前指定尺度的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数，合成岩体模型的结构面几何参数包括方向、尺寸和密度，合成岩体模型的等效力学参数包括模量、泊松比、粘聚力、摩擦角。图6给出了计算结果的示例。
步骤7：更改指定尺度，重复步骤4～6过程，获取不同指定尺度下的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数，进行统计回归，其结果如图7和图8。
步骤8：对不同指定尺度下的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数进行数学回归分析，获取合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数趋于稳定的指定尺度，即连续设定个数的相邻指定尺度的合成岩体模型的结构面几何参数的差值小于设定阈值，且连续设定个数的相邻指定尺度的合成岩体模型的等效力学参数的差值小于设定阈值。图7中给出了合成岩体模型的结构面几何参数中的密度统计量(P32)随指定尺度的变化规律，图8给出了合成岩体模型的等效力学参数中的模量随指定尺度的变化规律，对于图7和图8而言，密度和模量在30m左右的指定尺度均区域稳定，则综合认定当前合成岩体模型的表征单元体尺度(REV尺度)为30m。
表1为实施例1中岩体结构的方向分布函数对应的方向数值表
优势分组 倾向均值/° 倾角均值/° Fisher常数κ
第一组 106 62 56.8702
第二组 200 55 54.8658
第三组 356 72 40.3720
第四组 267 83 39.5506
表2为实施例1中岩体结构的尺寸分布函数对应的尺寸数值表
优势分组 结构面直径均值/m 负指数参数
第一组 4.334268439 0.230719443
第二组 6.311300684 0.158445945
第三组 7.372008901 0.135648236
第四组 5.22628955 0.191340336
表3为实施例1中岩体结构的密度分布函数对应的密度数值表
优势分组 线密度P10/(m<sup>-1</sup>) 体密度P30/(m<sup>-3</sup>)
第一组 0.261182264 0.009971066
第二组 0.23083362 0.003789355
第三组 0.362735921 0.005085881
第四组 0.31482274 0.010178563
表4为实施例1的岩块及裂隙面(结构面)力学参数
Figure BDA0003107350890000061
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种节理岩体的表征单元体积尺度综合取值方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测量现场岩体结构露头的露头测量数据，反算全空间中岩体结构的空间分布信息，求取对应的密度分布函数、方向分布函数、以及尺寸分布函数；
步骤2、自现场取回岩块和结构面试样，在室内开展岩块的力学试验与结构面的力学试验，获得岩块的力学参数；获得结构面的力学参数；
步骤3、在指定空间范围内，在随机中心点位置，不断生成方向符合方向分布函数、尺寸符合尺寸分布函数的单个节理，待指定空间范围内的节理密度符合密度分布函数时完成节理网络的构建，指定空间范围的节理网络作为重构岩体样；
步骤4、在步骤3获取的重构岩体样本中，设置多个中心点，在不同的中心点按照指定尺度抽取岩体结构作为抽样样本；
步骤5、根据步骤2获得岩块的力学参数和结构面的力学参数，利用有限元数值软件建立指定尺度的抽样样本对应的合成岩体模型；
步骤6、在步骤5获取的当前指定尺度的合成岩体模型中，开展数值试验，分别计算当前指定尺度的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数；
步骤7、更改指定尺度，重复步骤4～6过程，获取不同指定尺度下的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数；
步骤8、对不同指定尺度下的合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数进行数学回归分析，获取合成岩体模型的结构面几何参数及合成岩体模型的等效力学参数趋于稳定的指定尺度，
所述的步骤5包括以下步骤：通过有限元数值软件建立抽样样本中岩块对应的岩块有限单元数值模型，通过有限元数值软件建立抽样样本中岩块接触面对应的岩块接触面数值模型，将步骤2获得岩块的力学参数赋值给抽样样本对应的岩块有限单元数值模型，将步骤2获得的结构面的力学参数赋值给抽样样本对应的岩块接触面数值模型，抽样样本对应的岩块有限单元数值模型和岩块接触面数值模型构成抽样样本对应的合成岩体模型，
所述的露头测量数据包括露头的方向、迹线长、以及间距，所述的空间分布信息包括密度、方向、以及尺寸，
所述的岩块的力学参数包括模量、泊松比、岩块摩擦角、以及岩块粘聚力；所述的结构面的力学参数包括法向刚度、切向刚度、结构面摩擦角、以及结构面粘聚力。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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