[发明专利]一种节理岩体表征单元体积的取值方法

说明书

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σ_ucs、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c_j-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c_j-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R_min、最大与最小粒径比R_max/R_min、接触杨氏模量E_c、接触法向与切向刚度比k_n/k_s、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。