[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

说明书

一种考虑结构面形貌频谱特征的法向卸荷剪切损伤试验方法，包括：S1、获取与岩体结构面实际剪切状态一致的结构面形貌模型；S2、在频域内计算形貌起伏高度均方值分布函数；S3、以函数图转折点作为高频和低频成分的界限频率f_tc；S4、定量控制高频与低频成分的含量比例γ₀，计算高频成分的频率上限f_u；S5、依据f_tc或f_u建立起伏成分不同含量比例的形貌模型；S6、采用岩石雕刻机制作起伏成分定量可控的结构面试样；S7、分析卸荷过程中法向与剪切荷载的变化规律，确定试验应力路径；S8、开展法向卸荷剪切损伤试验，确定损伤和抗剪强度劣化程度。本发明解决边坡开挖卸荷不同阶段结构面损伤和抗剪强度劣化无法定量评价的问题。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种考虑结构面形貌频谱特征的法向卸荷剪切损伤试验方法。

背景技术

现有边坡岩体在开挖卸荷作用下，结构面所处的应力状态存在法向应力降低、剪切荷载动态调整的过程，其表面形貌易在剪切荷载和法向荷载的综合作用出现损伤而导致结构面的抗剪强度在边坡不同开挖阶段存在不同程度的劣化。考虑到天然结构面三维形貌具有一定的频谱特征，由不同频率特征的起伏成分组成，剪切过程中不同起伏成分的损伤演化特征对结构面抗剪强度劣化的影响存在较大差异。

杜时贵等将岩体结构面表面形态划分为宏观几何轮廓、表面起伏形态以及微观粗糙度三级要素，且研究表明不同频率成分或起伏形态要素在剪切过程中对结构面抗剪强度的贡献存在明显差异。结构面的宏观几何轮廓是结构面表面最大一级的几何轮廓，反映结构面表面宏观总体的起伏形状，它由较小级别的形态要素(即表面起伏形态)峰谷包路线(面)表征；表面起伏形态是结构面表面常见的波状起伏形态，构成结构面表面可见规模的峰谷起伏轮廓；微观粗糙度是岩体结构面表面最小一级的粗糙起伏形态，反映表面起伏形态峰谷坡面的微小几何起伏，体现矿物颗粒或细小晶体在结构面表面的分布和排列特征。针对结构面表面形态三级要素中的表面起伏形态和微观粗糙度，学者们采用了诸如“一阶起伏和二阶起伏”、“大尺度波纹分量和小尺度不规则分量”、“波纹度分量和随机不规则度分量”等名称或方式对其起伏特点进行描述和划分。实际上，起伏频率小但起伏高度较高的表面起伏形态(“一阶起伏”或“大尺度波纹分量”或“波纹度分量”)属于低频起伏成分，而起伏频率大但起伏高度较低的微观粗糙度(“二阶起伏”或“小尺度不规则分量”或“随机不规则分量”)属于高频起伏成分。在上述所描述的结构面形貌三级要素中，结构面的表面起伏形态往往是影响结构面力学性质和剪切行为的决定性因素。尽管结构面的宏观几何轮廓可由表面起伏形态的峰谷包络线直接得到，但结构面表面起伏形态和微观粗糙度之间的不存在明显界限，直观上难以定量划分。

现有学者通常采用傅立叶级数、高斯滤波、小波变换、不同采样精度等方法人为控制或分离结构面形貌中的不同起伏成分。例如，夏才初等通过移动的数据窗和最小二乘平滑提取了波纹分量和不规则分量；Yang et al.、唐志成和刘泉声采用剖面线的不同傅立叶级数代表一阶和二阶起伏成分；蒋喆等采用2.5mm的高斯滤波器截止波长对剪切前后结构面形貌进行滤波，对结构面的一阶起伏和二阶起伏进行了提取；Li et al.采用小波分析所近似表征的结构面二维剖面线的第四层对一阶起伏进行了提取；Liu et al.将大采样间距绘制的标准剖面线作为一阶起伏成分，剩余成分作为二阶起伏成分；朱小明等和Liu etal.则采用两种起伏高度的三角突起体代表结构面的一阶和二阶起伏体；孙盛玥等、黄曼等依据不同网格尺寸的形貌面积变化速率对一阶和二阶起伏进行划分。然而构成结构面的不同起伏成分在宏观尺寸上一般连续变化，不同学者基于宏观尺寸差异采用高斯滤波或小波分析等方法所分解得到的起伏成分往往不一致。二维功率谱密度函数可以有效分析结构面形貌的频谱特征，描述结构面形貌不同起伏成分的起伏高度在不同频率范围内的分布情况，可有效解决宏观尺寸上结构面不同起伏成分之间频率界限无法定量识别的问题，进而可完成结构面三维形貌中高频起伏与低频起伏成分的定量分解。基于所定量分解得到的起伏成分，依据所指定的高频起伏与低频起伏成分的含量比例，采用傅立叶逆变换即可完成高频起伏与低频起伏成分含量比例不同且可定量控制的结构面形貌模型。