CN115935460A - 一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法和相关设备，涉及岩石工程技术领域。该方法包括：获取剪切速率、基本摩擦角、法向应力和三维模型几何参数；确定速率相关的基本摩擦角和速率相关的峰值剪胀角；依据法向应力、速率相关的基本摩擦角和速率相关的峰值剪胀角，确定节理速率相关的峰值抗剪强度。该方法从剪切过程中实际接触节理三维粗糙度细观变化的角度出发，阐明了节理剪切强度率效应的物理机理，能考虑剪切速率与三维粗糙度快速获取节理速率相关的峰值抗剪强度。
Description
技术领域
本申请涉及岩石工程技术领域，尤其涉及预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法和电子设备。
背景技术
为了实施铁路、公路、天然气管线、水电站等基础设施项目，充分掌握岩体的力学特性是基本要求。天然岩体类属于极为复杂的地质种类，大量的褶皱、节理和层理等结构面存在于其内部。岩体的力学特性不仅仅取决于完整的岩石结构特性，更与节理的性质密切相关。岩石节理的剪切滑移失效，是诱发地震、硐室失稳、边坡滑坡等工程岩体动力灾害发生的重要诱因。
由于节理岩体所处的应力环境和外荷载类型的差异，岩石节理的剪切速率处在变化之中。由此申请人认为，剪切速率也成为影响节理动态剪切力学行为的重要因素。深入认识剪切速率对节理剪切力学行为源于国家重大岩石工程合理设计、施工以及合理支护的需求，具有鲜明的需求导向。现有的预测峰值抗剪强度的模型缺少对剪切速率条件的纳入，或对剪切速率条件的纳入仍处于较浅层次，没有形成全面深入的体系。现有技术对于实际情况中动态环境，不能准确地计算出动态条件下的峰值抗剪强度。
因此，如何计算动态条件下的贴近实际的峰值抗剪强度预测值，是需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法和电子设备，以解决现有技术中如何计算动态条件下的贴近实际的峰值抗剪强度预测值的技术问题。
为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。
第一方面，本申请实施例提供一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法，包括：
获取剪切速率v、基本摩擦角
法向应力σn和抗压强度σc；
建立节理面三维模型，节理面三维模型包括多个节理面微元，得到几何参数，几何参数包括节理面微元的有效剪切倾角θ*的最大值θ* max、所有节理面微元倾角大于0的面积总和与节理表面面积总和之比A0，描述节理面微元角度分布情况的公式拟合系数C；公式拟合系数C满足公式
其中，
为有效倾角大于θ*的所有微元面积与节理表面面积总和的比；
根据剪切速率v、法向应力σn、抗压强度σc、几何参数、预设的拟合系数D和公式
确定速率相关的峰值剪胀角；
根据剪切速率v、基本摩擦角
和速率相关的基本摩擦角关系式，确定速率相关的基本摩擦角
依据速率相关的基本摩擦角
速率相关的峰值剪胀角ip(v)、法向应力σn和公式
确定节理速率相关的峰值抗剪强度τ(v)。
其中，速率相关的基本摩擦角关系式可以为：
其中，v表示剪切速率，
表示速率相关的基本摩擦角，
表示基本摩擦角，A表示预设的与节理材料相关的系数。
建立节理面三维模型的步骤可包括：对所研究的节理面进行三维扫描，得到由X，Y，Z轴坐标表示的原岩节理点云数据；将原岩节理点云数据处理为三角形网格微元，作为节理面微元；分析节理面微元，得到节理面微元有效倾角θ*的最大值θ* max，以及所有节理面微元倾角大于0的面积总和与节理表面面积总和之比A0。
θ*可根据以下表达式计算出：
tanθ*＝-tanθcosα；
其中，θ为节理面微元的倾角，α为节理面倾向与剪切方向的夹角。
θ和α可根据以下表达式计算出：
其中，t为剪切方向矢量，n为节理面微元的单元外法线矢量，n0为剪切平面外法线矢量，n1为节理面微元的真倾角矢量方向在剪切平面的投影矢量。
第二方面，本申请实施例提供一种电子设备，用于执行第一方面的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序或指令，当该计算机程序或指令被计算装置执行时，实现第一方面的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法。
相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法、电子设备和存储介质，从剪切过程中实际接触节理三维粗糙度细观变化的角度出发，阐明了节理剪切强度率效应的物理机理，能考虑剪切速率与三维粗糙度快速获取节理速率相关的峰值抗剪强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种节理面微元的几何关系示意图；
图3为本申请实施例提供的为了说明实际接触节理粗糙度的影响机理的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种速率相关的峰值剪胀角的实验数据示意图；
图5为本申请实施例提供的一种速率相关的基本摩擦角的实验数据示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本申请的描述中，“剪切速率相关的”参数可以简称为“速率相关的”参数，抗剪强度也可称之为剪切强度。
当前尚未有清晰的剪切速率与形貌三维粗糙度对节理速率相关的峰值抗剪强度的耦合影响规律；速率相关的岩石节理抗剪强度模型大多为经验模型，物理机理尚不明确。即使有速率相关的岩石节理抗剪强度模型，也仅由二维粗糙度指标探究与剪切强度之间的关系。
针对节理速率相关的抗剪强度与变形特性进行试验研究，阐明其受力变形机理，提出速率相关的岩石节理剪切强度模型源于国家重大需求，具有鲜明的需求指导，也是节理岩体在不同剪切速率下合理设计、施工技术背后的核心科学问题。
申请人研究发现，速率相关的基本摩擦角与速率相关的峰值剪胀角共同控制着节理速率相关的峰值抗剪强度。
例如，如果仅考虑了剪切速率对基本摩擦角的影响，而没有考虑对峰值剪胀角的影响，可能导致较大误差。因此，可以在峰值剪胀角参数的计算中也考虑剪切速率的因素，从而进一步预测准确且适应不同剪切速率的条件。
为了考虑剪切速率对基本摩擦角与速率相关的峰值剪胀角两者的综合影响，计算符合节理在不同剪切速率下的剪切过程与机理的峰值抗剪强度，可参阅图1，本申请实施例提供了一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法，包括：
S1，获取剪切速率v、基本摩擦角
法向应力σn和抗压强度σc；建立节理面三维模型，节理面三维模型包括多个节理面微元，得到几何参数。
S2，根据剪切速率v、法向应力σn、抗压强度σc、几何参数、预设的拟合系数D和公式，确定速率相关的峰值剪胀角；根据剪切速率v、基本摩擦角
和速率相关的基本摩擦角关系式，确定速率相关的基本摩擦角
S3，依据速率相关的基本摩擦角
速率相关的峰值剪胀角ip(v)、法向应力σn，确定节理速率相关的峰值抗剪强度τ(v)。
由于考虑了速率相关的基本摩擦角与速率相关的峰值剪胀角两种因素，节理速率相关的峰值抗剪强度的预测可以更准确且适应不同剪切速率的条件。而用三维粗糙度得出的速率相关的峰值剪胀角，则可以更准确地适应三维节理面，且更灵活地适应不同的节理面粗糙度。相较于由二维粗糙度指标探究与剪切强度之间的关系，本方案构成了实质性的区别和进步。
S3中，可以根据以下公式计算节理速率相关的峰值抗剪强度：
其中，v表示剪切速率，τ(v)表示节理速率相关的峰值抗剪强度，σn表示法向应力，
表示速率相关的基本摩擦角，ip(v)表示速率相关的峰值剪胀角。
需要说明的是，对本申请中所描述的公式的简单变换仍然落入本申请的保护范围。
S2中，可以根据以下公式计算速率相关的基本摩擦角：
其中，v表示剪切速率，
表示速率相关的基本摩擦角，
表示基本摩擦角，A表示预设的与节理材料相关的系数。
S2中，为了获取速率相关的峰值剪胀角ip(v)，可以通过以下步骤获取计算ip(v)所需要的几何参数：
S2-1，对所研究的节理面进行三维扫描，得到由X，Y，Z轴坐标表示的原岩节理点云数据；
S2-2，将原岩节理点云数据处理为三角形网格微元，作为节理面微元；
S2-3，分析节理面微元，得到节理面微元有效倾角的最大值θ* max，以及所有节理面微元倾角大于0的面积总和与节理表面面积总和Ac之比A0。
S2中，速率相关的峰值剪胀角ip(v)的表达式可以为
此时，计算ip(v)所需要的参数包括θ* max，法向应力σn，抗压强度σc，A0，预设的描述节理面微元角度分布情况的公式拟合系数C，以及剪切速率v。
该公式拟合系数C可由以下公式得出：
其中，θ*为分析节理面微元步骤得到的节理面微元的有效剪切倾角，可简称为有效倾角，θ* max为θ*的最大值，
为有效倾角大于θ*的所有微元面积与节理表面面积总和的比。
节理表面面积总和可以由三维模型的相关几何参数(点的坐标等)得出，也可以通过下式计算：
其中，Ac为节理表面面积总和，N为作用在节理面上法向荷载，σc为抗压强度，An为法向应力σn所对应的法向面积，D为预设的拟合系数，v为剪切速率。
回到ip(v)的表达式，ip(v)的表达式的核心在于节理面微元有效倾角，节理面微元有效倾角又可称为节理面微元有效剪切倾角，是剪切方向的向量在节理面微元的三角形平面的投影与剪切平面的夹角。ip＝θave表示峰值剪胀角相当于节理面微元的倾角的平均值。节理面微元的倾角的平均值越大，说明节理面越粗糙，节理面的粗糙度越大，因此，节理面微元的倾角的平均值可代表节理面的粗糙度，即峰值剪胀角是根据三维粗糙度得出的。
此外，节理面的粗糙度也可以是根据岩石的材料和形成条件等得出的，也可以是根据拍摄的图像分析的算法得出的，可以由三维粗糙度参数代表峰值剪胀角。应用的核心原理是：实际接触节理三维粗糙度即节理峰值剪胀角。
本申请实施例采用三维粗糙度指标，揭示了剪切速率对三维粗糙度影响进而对峰值剪胀角的影响规律。相较于仅采用二维粗糙度指标的剪切速率相关的剪切模型，本申请对岩石节理速率相关的峰值抗剪强度的预测和评价更为精准、适用更复杂多变的三维几何条件。
图2展示了一个节理面微元和相关的几何关系，DEF是节理面微元，也称为三角形微元，节理面是被分割成一个个这样的三角形面的微元而进一步分析的。
面ABC是剪切平面，n0为剪切平面外法线矢量，n0⊥面ABC，n⊥面DEF，n1⊥AB，B,C,F共线。
α为t和AC夹角，θ*为BC和BD夹角，θ为AC和AD夹角，根据图中垂直的几何关系，θ＝n和n0夹角。
节理面微元有效倾角θ*根据以下表达式计算出：
tanθ*＝-tanθcosα；
如图2，其中，θ为节理面微元的倾角，α为节理面倾向与剪切方向的夹角。
θ和α可以根据以下表达式计算出：
根据三维模型的点的坐标，可得出上述向量的坐标。
为简化说明剪切速率对实际接触节理粗糙度的影响机理，将模型退化为二维，对照图3说明剪切速率影响实际接触节理粗糙度的变化规律。图3中假设类型1节理凸起角度为45°，类型2节理凸起角度为10°。当速率较低时，由于蠕变的作用实际接触面积较大，可假设在剪切过程中类型1微凸体与类型2微凸体均接触，接触微凸体粗糙度为面向剪切方向的等效倾角平均值，可知粗糙度为27.5°。当速率较大时，由于蠕变的作用实际接触面积较小，可假设在剪切过程中虚线以上部分接触，虚线以下部分未接触。虽然实际接触面积减小但是接触微凸体粗糙度变为仅有类型1微凸体45°，相当于接触部分微凸体粗糙度变大。
基于上述可选的公式，一种实施方式如下：
S01，对所研究的节理面进行三维扫描，得到由X，Y，Z轴坐标表示的原岩节理点云数据。获取所研究的节理面的法向应力σn和剪切速率v。
S02，将原岩节理点云数据处理为三角形网格微元，作为节理面微元。
S03，分析节理面微元，如图2，根据点云数据，求出每个节理面微元向量t，n，n0，n1，根据以下表达式计算出节理面微元的倾角θ，节理面倾向与剪切方向的夹角α：
进而根据以下表达式计算出节理面微元有效倾角θ*：
tanθ*＝-tanθcosα；
进而得到节理面微元有效倾角的最大值θ* max；
根据点云数据，计算出节理表面面积总和Ac，求出所有节理面微元倾角大于0的面积总和，进而求出所有节理面微元倾角大于0的面积总和与节理表面面积总和Ac之比A0。
S04，取多组θ*(例如θ*＝15°，30°，45°等)，对应计算出有效倾角大于θ*的所有微元面积与节理表面面积总和的比Aθ*，根据公式
拟合得出描述所述节理面微元角度分布情况的公式拟合系数C。
S05，根据θ* max，σn，σc，A0，C，v，预设的拟合系数D和速率相关的峰值剪胀角ip(v)的表达式
得到速率相关的峰值剪胀角。
如图4，实验数据表明上述速率相关的峰值剪胀角的公式的合理性，也可根据实验数据，拟合曲线求得公式拟合系数C。
S06，根据公式
得到速率相关的基本摩擦角
其中，
表示基本摩擦角，A表示预设的与节理材料相关的系数。
如图5，实验数据表明上述速率相关的基本摩擦角的公式的合理性，也可根据实验数据，拟合曲线求得与节理材料相关的系数A。
S07，根据公式
得出节理速率相关的峰值抗剪强度。
基于上述实施例，本申请实施例还提供一种电子设备，执行上述的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法。本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储了程序代码，程序代码被处理器执行时，实现上述的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法。
总体来说，本申请从剪切过程中实际接触节理三维粗糙度细观变化的角度出发，阐明节理剪切强度率效应的物理机理，本申请提出的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法、电子设备和存储介质，应用了更贴合实际动态条件的物理机理，从而计算出动态的、更贴近实际的速率相关的峰值抗剪强度预测值。
以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
上述仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法，其特征在于，包括：
获取剪切速率v、基本摩擦角
法向应力σn和抗压强度σc；
建立节理面三维模型，所述节理面三维模型包括多个节理面微元，得到几何参数：所述节理面微元的有效剪切倾角θ*的最大值θ* max、所有所述节理面微元倾角大于0的面积总和与节理表面面积总和之比A0，描述所述节理面微元角度分布情况的公式拟合系数C；所述公式拟合系数C满足公式
其中，Aθ*为有效倾角大于θ*的所有微元面积与节理表面面积总和的比；
根据所述剪切速率v、法向应力σn、抗压强度σc、所述几何参数、预设的拟合系数D和公式
确定速率相关的峰值剪胀角；
根据所述剪切速率v、所述基本摩擦角
和速率相关的基本摩擦角关系式，确定速率相关的基本摩擦角
依据所述速率相关的基本摩擦角
所述速率相关的峰值剪胀角ip(v)、法向应力σn和公式
确定节理速率相关的峰值抗剪强度τ(v)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，速率相关的基本摩擦角关系式为：
其中，v表示剪切速率，
表示所述速率相关的基本摩擦角，
表示基本摩擦角，A表示预设的与节理材料相关的系数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立节理面三维模型的步骤包括：
对所研究的节理面进行三维扫描，得到由X，Y，Z轴坐标表示的原岩节理点云数据；
将所述原岩节理点云数据处理为三角形网格微元，作为节理面微元；
分析所述节理面微元，得到所述节理面微元有效倾角的最大值θ* max，以及所有所述节理面微元倾角大于0的面积总和与节理表面面积总和之比A0。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分析所述节理面微元的步骤包括：所述θ*根据以下表达式计算出：
tanθ*＝-tanθcosα；
其中，θ为节理面微元的倾角，α为节理面倾向与剪切方向的夹角；
所述θ和所述α根据以下表达式计算出：
其中，t为剪切方向矢量，n为节理面微元的单元外法线矢量，n0为剪切平面外法线矢量，n1为节理面微元的真倾角矢量方向在剪切平面的投影矢量。
5.一种电子设备，其特征在于，用于执行如权利要求1-4任一项所述的预测岩石节理速率相关的峰值抗剪强度方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被计算装置执行时，实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BAN LIREN 等: "A peak dilation angle model considering the real contact area for rock joints", ROCK MECHANICS AND ROCK ENGINEERING, pages 4909 - 4923 * |
| 杨洁 等: "节理峰值抗剪强度试验研究", 岩石力学与工程学报, vol. 34, no. 05, pages 884 - 893 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115935460B (zh) | 2024-03-26 |
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