[发明专利]一种节理岩体表征单元体积的取值方法

摘要

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。本发明结合室内岩石、节理力学试验及现场节理地质调查，构建能充分反映节理空间分布特征及岩石、节理力学特性的室内试验尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等多尺度节理岩体试样，并对其进行虚拟单轴压缩加载，获取应力-应变曲线。最后，作各类节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图并拟合关系曲线。在拟合的关系曲线中，当节理岩体加载向试样尺寸每增加1m，单轴抗压强度的降低量与室内岩石试样单轴抗压强度的比值小于0.2%时，即可认为岩体单轴抗压强度不再随尺寸的增大而变化，并已达到节理岩体表征单元体积。本发明提供一种原理简单、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。

主权项

1.一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。(4)确定光滑节理细观参数。描述光滑节理的细观参数有：法向刚度sj_kn、切向刚度sj_ks、摩擦因数sj_fric、剪胀角sj_da、黏结法向强度sj_bns、黏结系统黏聚力sj_bcoh、黏结系统摩擦角sj_bfa。采用颗粒体与光滑节理构建岩石节理直剪试验试样，其尺寸与室内节理直剪试样保持一致，颗粒体试样细观参数为步骤(3)所确定。赋予光滑节理假定的细观参数，进行岩石节理试样的虚拟直剪试验，将计算得到的节理宏观参数，与室内节理直剪试验获得的节理宏观参数进行对比。通过不断调整光滑节理细观参数，当节理直剪试验计算结果与试验结果基本一致时，便可确定合理的光滑节理细观参数。(5)构建节理网络。首先，通过现场节理地质调查，针对节理的倾向、倾角、间距、迹长进行概率统计分析及偏差校正；然后，根据校正后的数据，采用随机模拟理论构建节理网络；最后，将节理网络数据与节理偏差校正数据进行对比，验证两者的统计相似性。(6)构建多尺度节理岩体。首先，采用步骤(3)确定的颗粒体细观参数，构建试验室尺度、现场原位试验尺度和工程尺度等多尺度颗粒体试样；然后，将步骤(5)所构建的节理网络嵌入到各类颗粒体试样中，节理网络的特性即为步骤(4)所确定的光滑节理细观参数；最终，便可得到能充分反映节理分布特征的多尺度节理岩体。(7)针对步骤(6)所构建的多尺度节理岩体，进行虚拟单轴压缩加载，获得各类岩体应力-应变曲线。(8)根据步骤(7)得到的应力-应变曲线，提取出各类节理岩体的峰值单轴压缩强度，即单轴抗压强度，作节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系图。同时，按渐进式(Asymptotic model)指数函数模型，拟合节理岩体单轴抗压强度与加载向试样尺寸的关系曲线。渐进式指数函数模型的公式为σ'=a+b·c^L，式中，σ'为节理岩体单轴抗压强度(单位MPa)、L为节理岩体加载向试样尺寸(单位m)，a、b、c均为参数。在拟合的关系函数中，当节理岩体加载向试样尺寸每增加1m，单轴抗压强度的降低量与室内岩石试样单轴抗压强度的比值小于0.2%时，即可认为：单轴抗压强度不再随尺寸的增大而变化，并已达到节理岩体表征单元体积。