[发明专利]考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法

权利要求书

1.一种考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、获取与岩体结构面实际剪切状态一致的结构面三维形貌模型；

S2、基于二维功率谱密度确定岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数，计算公式如下述公式(1)：

其中，P_3D为高度均方值，PSD(f_x,f_y)为结构面形貌的二维功率谱密度，f_x和f_y分别为结构面形貌频率成分在x轴和y轴方向的空间频率，f_t为频率阀值，f_max为最大频率值；

S3、绘制岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数图像，以函数图的转折点所对应的频率作为结构面形貌高频成分和低频成分的界限频率f_tc；

S4、保持岩体结构面中低频起伏成分含量不变，通过调整高频起伏成分的含量定量控制岩体结构面高频起伏与低频起伏成分的含量比例γ₀，则与含量比例γ₀所对应的高频起伏成分的频率上限f_u的计算公式为：

S5、当仅含高频起伏成分、低频起伏成分含量为零时，依据所确定的界限频率f_tc建立结构面三维形貌模型；当低频起伏成分含量不变时，依据所确定高频起伏成分的频率上限f_u建立结构面三维形貌模型；

S6、依据所定量建立的高频起伏和低频起伏成分含量比例不同的结构面三维形貌模型，采用岩石雕刻机雕刻制作高频起伏和低频起伏成分定量可控的岩体结构面试样；

S7、依据岩体边坡开挖卸荷条件下潜在滑动结构面的受力特征，分析卸荷过程中结构面处的法向荷载与剪切荷载的变化规律，确定卸荷损伤试验应力路径；

S8、施加法向与剪切荷载至边坡开挖前的实际应力水平，待变形稳定后，依据所确定的应力路径开展法向卸荷剪切损伤试验。

2.如权利要求1所述的考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

S71、开展岩体边坡野外现场工程地质调查和三维激光扫描，统计岩体结构面分布特征，确定边坡潜在滑动结构面；

S72、依据勘察资料确定边坡开挖前潜在滑动结构面位置处的地应力水平，计算边坡开挖前潜在滑动结构面所承受的剪切荷载和上覆法向荷载；

S73、依据边坡开挖设计方案分析卸荷过程中结构面处的法向荷载与剪切荷载的变化规律，确定法向卸荷剪切损伤试验应力路径。

3.如权利要求1或2所述的考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、沿剪切方向采集岩体结构面三维形貌离散坐标数据，以坐标数据最小二乘拟合平面与坐标平面的夹角作为结构面三维形貌的趋势向，沿趋势向反向旋转结构面形貌数据，确保旋转后的结构面三维形貌趋势向呈水平状态；

S12、平移旋转后的结构面三维形貌数据，使得其起伏高度平均平面与坐标平面重合，建立结构面三维形貌模型。

4.如权利要求1或2所述的考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，岩体结构面形貌二维功率谱密度PSD(f_x,f_y)的计算公式为：

其中，L_x和L_y为别为岩体结构面三维形貌在x轴和y轴方向的长度，Z(f_x,f_y)为结构面三维形貌z(x,y)在空间频域内的二维傅里叶变换，j²＝-1。

5.如权利要求1或2所述的考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法，其特征在于所述步骤S5的过程如下：

若建立仅含高频起伏成分，低频起伏成分含量为零的结构面三维形貌模型，基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将小于界限频率f_tc的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到仅含高频起伏成分的结构面三维形貌模型，计算公式如下述公式(4)：

若保持低频起伏成分含量不变，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型，基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将大于高频起伏成分的频率上限f_u的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到高频起伏和低频起伏成分含量比例为γ₀的三维形貌模型，计算公式如下述公式(5)：