CN113432977B - 一种岩石节理动态刚度的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种岩石节理动态刚度的获取方法，属于岩体测量技术领域，该方法包括如下过程：制备含有节理的岩石试样，对岩石试样开展单轴压缩试验，根据施加的压缩外荷载σ0确定节理所在平面上的等效法向应力σn与等效切向应力σt；拍摄岩石在压缩过程中的图像并根据拍摄的图像确定岩石试验过程中的位移场与应变场；根据所述应变场确定节理的厚度，且沿着节理长度方向上选取若干个特征断面，确定特征断面上下边缘测点的位移，确定节理所在平面上的平均法向位移un和平均切向位移ut；根据节理刚度计算公式确定节理的动态法向与切向刚度。

Description

一种岩石节理动态刚度的获取方法
技术领域
本发明属于岩体测量技术领域，具体是涉及一种岩石节理动态刚度的获取方法。
背景技术
节理广泛存在于岩体中，岩石节理刚度是表征节理力学特性的重要参数之一。目前，节理刚度的获得主要通过现场试验与室内试验两种办法。现场试验通过人为制造振动监测节理两侧的振动波形，根据振动波形及相关假定计算节理刚度。但是现场试验方法影响因素多，试验条件不易控制，过程复杂，结果可靠性与精度较差。
室内试验则通过分别开展完整岩石与含节理岩石的压缩与直剪试验，综合完整试样与含节理试样的试验数据确定节理的法向与切向刚度，现有室内试验方法需要开展4次压缩与直剪试验才能获得节理的法向与切向刚度，且存在节理厚度无法确定、不能考虑法向与切向的耦合效应等问题。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种岩石节理动态刚度的获取方法。
本发明实施例提供了一种岩石节理动态刚度的获取方法，该方法包括如下过程：制备含有节理的岩石试样，对岩石试样开展单轴压缩试验，根据施加的压缩外荷载σ0确定节理所在平面上的等效法向应力σn与等效切向应力σt；
拍摄岩石在压缩过程中的图像并通过根据拍摄的图像确定节理试验过程中的应变变化梯度；
根据所述应变变化梯度确定节理的厚度，且沿着节理长度方向上选取若干个特征断面，确定特征断面上下边缘测点的位移，确定节理所在平面上的平均法向位移un和平均切向位移ut；
根据节理刚度计算公式确定外荷载σ0对应的节理动态法向与切向刚度。
进一步地，根据岩石试样内节理所处地应力水平确定节理面法向与试样所受加载力方向之间的夹角θ，根据所述夹角θ及岩石试样尺寸要求确定岩石试样的实际尺寸，根据目标粗糙度确定节理面形态。
进一步地，利用岩石动态伺服试验机对所述岩石试样进行单轴压缩试验，同时利用相机拍摄试验全过程中岩石试样的变形。
进一步地，所述岩石动态伺服试验机的加载速率根据地震应变速率与岩石试样被加载力的方向的尺寸确定，且相机的拍摄频率根据所述加载速率确定。
进一步地，取岩石试样施加外荷载的方向为y方向，取垂直于所述加载方向为x方向建立计算坐标系；根据岩石试样中特征点的大地坐标与图像中的坐标获得相机的相关参数；以压缩试验开始时刻拍摄的岩石试样照片为参考，由试验过程中的拍摄图像计算岩石试样表面的位移场与应变场。
进一步地，根据岩石试样应变变化梯度确定试验条件下节理厚度，同时沿岩石内节理长度方向取若干个特征断面，在每个特征断面处节理上下边缘选2个测点，计算每个测点处x与y方向的位移。
进一步地，取节理面法向与切向/>建立节理面局部坐标系n-t；取所有特征断面处节理法向位移与切向位移的平均值，根据坐标变换公式计算节理平均法向位移un与平均切向位移ut。
进一步地，岩石试样厚度不大于宽度的三分之一，节理距加载面最小距离不小于宽度的三分之一。
进一步地，所述岩石试样在制备完成后，在试样表面均匀喷射散斑。
进一步地，根据所述散斑的变形确定岩石试样在试验过程中的变形场与应变场。
本发明的有益效果如下：
与现在室内试验方法相比，本申请通过施加的单轴外荷载确定节理所在平面的等效法向应力σn与等效切向应力σt；通过采集试验过程中试样的图像获得岩石试样的应变变化梯度，并根据应变变化梯度取得在节理宽度范围内的几个特征断面，最后根据特征断面采集点的位移获取节理的平均法向位移un和平均切向位移ut；最终可以通过节理刚度计算公式确定节理的动态法向与切向刚度与施加的外荷载的关系，这样相比于目前需要开展4次压缩与直剪试验才能获得节理的法向与切向刚度相比，本发明提供方法可以实现只需要对岩石试样进行一次单轴压缩试验即可获得岩石在不同外荷载下的节理的动态法向与切向刚度，简化了试验工序；同时，解决了现有试验方法中节理厚度不易确定、无法考虑节理法向与切向耦合效应等问题，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的节理岩石试样示意图；
图2为本发明实施例提供的应变云图中确定节理厚度及特征断面示意图；
图3为本发明实施例提供的节理动态法向刚度与切向刚度与荷载关系曲线。
具体实施方式
本发明实施例提供了用一种地震作用下岩石节理动态刚度的室内获取方法，该方法包括如下过程：
需要说明的，本实施例中的节理，也称为裂隙，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。
1、制备含有贯穿节理的长方体岩石试样。
首先，针对现场根据地震波传播方向与节理倾角，节理面上法向应力与切向应力之比约为0.87。
假定岩石试样上荷载加载方向与内部节理面法向之间的夹角θ，参见图1所示，所述岩石试样在单轴压缩条件下，节理面等效法向应力与等效切向应力分别为σn＝σ0cos2(θ)，σt＝0.5σ0sin(2θ)；根据法向应力与切向应力的比值确定夹角θ＝49°。
为了有效去掉试验过程中的岩石试样的端部效应，其中岩石试样的长度取250mm，而且为了确保岩石试样厚度方向上的受力均匀，岩石试样的厚度不大于宽度的三分之一，并且岩石试样中的节理距记载面最小距离不小于宽度的三分之一，如图1所示，最终确定的节理岩石试样的长×宽×高分别为250mm×120mm×40mm。
本实施例中根据岩石试验中节理的粗糙度，确定人造起伏体的尺寸为高度为5mm、底边长为25mm的等腰三角形。
进一步地，本实施例中岩石试样在制备完成后，在试样的表面均匀喷射散斑，这样便于后期观察岩石试样的变形。
1、开展试样动态单轴压缩试验。
根据场地地震危险性评价与场地条件，所述围岩在地震作用下的应变速率范围为0.001/s～0.01/s。考虑试样加载方向的尺寸为250mm，试验加载速率取2.5mm/s。
本实施例中岩石试样通过岩石动态伺服试验机对岩石试样内的节理开展单轴压缩试验，得到时间～荷载试验曲线；同时，利用相机来拍摄整个试验全过程中岩石试样范围内的变形。
考虑到本试验中的伺服试验机的加载速率，为保证试验过程中关键点不漏拍，相机拍摄频率取100Hz。
2、计算岩石试样的位移场与应变场。
在本实施例试验中，取岩石试样中伺服试验机加载力的方向，也就是试样长度方向为y方向，取试样宽度方向为x方向，建立计算坐标系。
根据试验中的特征点的大地坐标与图像中的坐标标定相机参数，获得相机相关参数。其中所述大地坐标是大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标，地面点P的位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。
进一步地，本实施例为了便于得到岩石试样在进行试验过程中的位移场和应变场，所以在对岩石试验进行单轴压缩实验时，选取了岩石试样开始加载时刻对应的图像为参考图像，计算加载过程中拍摄到的图像与参考图像对应斑点间的相对变形，得到试验过程中试样的位移场与应变场。
3、计算节理厚度与变形。
如图2所示，本实施中根据岩石试样应变变化梯度确定当前试验条件下节理厚度d＝14.4mm。
进一步地，本实施例中在进行单轴压缩试验时，在所述节理的厚度范围的区域内沿着岩石试样内部节理长度方向上取5个特征断面(S1～S5)，在每个特征断面处节理的上下边缘选取2个特征点，计算每个测点处x与y方向的位移。
5、计算节理动态法向与切向刚度。
进一步地，在本实施例中取岩石试样中节理面法向与切向/>建立节理面局部坐标系n-t；考虑沿节理面长度方向节理厚度的不均匀性，所以取所有特征断面处节理法向位移与切向位移的平均值，根据坐标变换公式，节理平均法向位移un与平均切向位移ut分别为：
其中，uy1,i和uy2,i分别为节理第i个特征断面处上下边缘两特征点y方向(加载方向)的位移；ux1,i和ux2,i分别为节理第i个特征断面处上下边缘两特征点x方向(垂直加载方向)的位移。
当试验机施加的荷载为σ0时，根据力的平衡与坐标转换公式，节理面等效法向应力σn与等效切向应力σt分别为：
σn＝σ0cos2(49)
σt＝0.5σ0sin(98) (2)
根据节理刚度定义，由(1)(2)式得节理的动态法向与切向刚度为：
从上述公式可以看出，节理动态法向刚度与切向刚度是施加荷载σ0的函数。
如图3所示，通过计算就可以得到节理法向与切向动态刚度随施加荷载的关系曲线，通过该关系曲线可以得到不同荷载下的节理的动态法向与切向刚度。而且仅仅只需要一些单轴加载试验即可，操作简单，可重复性腔，同时，本实施例提供的方法中也考虑了岩石试验中节理的粗糙度、试验条件与地震作用匹配、这样就能准确确定岩石内部节理厚度，可以快速准确地得到地震作用下节理的动态刚度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种岩石节理动态刚度的获取方法，其特征在于，包括如下过程：
制备含有贯穿节理的岩石试样，根据地震波传播方向与节理倾角确定节理面上法向应力与切向应力之比，根据法向应力与切向应力的比值确定夹角；对岩石试样开展单轴压缩试验，根据施加的压缩外荷载σ0确定节理所在平面上的等效法向应力σn与等效切向应力σt；
拍摄岩石在压缩过程中的图像并通过根据拍摄的图像确定试验过程中岩石的应变变化梯度；
根据岩石试样应变变化梯度确定试验条件下节理厚度，同时沿岩石内节理长度方向取若干个特征断面，确定特征断面上下边缘测点的位移，在每个特征断面处节理上下边缘选2个测点，计算每个测点处x与y方向的位移，确定节理所在平面上的平均法向位移un和平均切向位移ut；
根据节理刚度计算公式确定节理法向与切向动态刚度随施加荷载的关系曲线，通过该关系曲线得到外荷载σ0对应的节理动态法向与切向刚度；
岩石试样的长度取250mm，而且为了确保岩石试样厚度方向上的受力均匀，岩石试样的厚度不大于宽度的三分之一，并且岩石试样中的节理距记载面最小距离不小于宽度的三分之一；
根据节理所处地应力水平确定节理面法向与试样所受加载力方向之间的夹角θ，根据所述夹角θ及岩石试样尺寸要求确定岩石试样的实际尺寸，根据目标粗糙度确定节理面形态；
利用岩石动态伺服试验机对所述岩石试样进行单轴压缩试验，所述岩石动态伺服试验机的加载速率根据地震应变速率与岩石试样被加载方向的尺寸确定，且相机的拍摄频率根据所述加载速率确定。
2.如权利要求1所述的一种岩石节理动态刚度的获取方法，其特征在于，利用相机拍摄试验全过程中岩石试样的变形。
3.如权利要求1所述的一种岩石节理动态刚度的获取方法，其特征在于，取岩石试样施加外荷载的方向为y方向，取垂直于所述加载方向为x方向建立计算坐标系；根据岩石试样中特征点的大地坐标与图像中的坐标获得相机的相关参数；以压缩试验开始时刻拍摄的岩石试样照片为参考，由试验过程中的拍摄图像计算岩石试样表面的位移场与应变场。
4.如权利要求1所述的一种岩石节理动态刚度的获取方法，其特征在于，取节理面法向与切向/>建立节理面局部坐标系n-t；取所有特征断面处节理法向位移与切向位移的平均值，根据坐标变换公式计算节理平均法向位移un与平均切向位移ut。
5.如权利要求1任一项所述的一种岩石节理动态刚度的获取方法，其特征在于，所述岩石试样在制备完成后，在试样表面均匀喷射散斑。
6.如权利要求5所述的一种岩石节理动态刚度的获取方法，其特征在于，根据所述散斑的变形确定岩石试样在试验过程中的变形场与应变场。
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