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巖體裂面剪切劣化分析理論與方法 版權信息
- ISBN：9787030700025
- 條形碼：9787030700025 ; 978-7-03-070002-5
- 裝幀：暫無
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
巖體裂面剪切劣化分析理論與方法 內容簡介
巖體中原生節理面和開挖所致的新生破裂面是制約工程巖體宏觀破壞特征、卸荷力學響應、工程穩定性的重要因素。本書圍繞這兩類巖體裂面開展系列試驗測試、理論分析和工程應用實踐，利用3D掃描技術構建巖體裂面的數字模型，提出裂面形貌特征、剪切磨損及各向異性的定量表征方法；結合3D掃描技術、3D打印技術與3D雕刻技術，提出多種天然巖體裂面制備技術，分析裂面剪切變形特征與磨損力學特征及其細觀機制；借助巖體斷裂力學理論、巖體等效變形張量理論、巖體細觀損傷力學理論，闡述裂面的剪切磨損機理，建立考慮不同因素的裂隙巖體概化力學模型，并在多個重大工程進行應用實踐。
巖體裂面剪切劣化分析理論與方法 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究意義 2
1.2 問題與現狀概述 3
1.2.1 巖體裂面形貌描述方法 3
1.2.2 巖體裂面模型制作技術 6
1.2.3 巖體裂面剪切磨損機理與強度模型 7
1.2.4 含裂面巖體等效力學模型 13
1.3 本書研究方法與內容 15
第2章 巖體裂面細觀形貌分析方法 17
2.1 巖體裂面的3D光學掃描方法 18
2.1.1 3D光學掃描原理與儀器 18
2.1.2 巖體裂面測量方法 19
2.2 裂面3D表面數據重構方法 20
2.2.1 數據預處理 20
2.2.2 3D數據重構與算法 23
2.3 裂面形貌特征的間隔效應分析方法 24
2.3.1 不同采樣間隔裂面點云數據獲取 24
2.3.2 裂面形貌特征統計參數間隔效應 26
2.3.3 裂面統計參數間隔效應穩定性評估 31
2.4 裂面形貌特征的各向異性及其評價方法 33
2.4.1 裂面形貌特征的各向異性概述 33
2.4.2 裂面形貌各向異性特征的定量描述 34
2.4.3 裂面各向異性特征的采樣間隔效應 35
2.5 錦屏深部地下實驗室片幫破裂面粗糙度量化表征 37
2.5.1 工程背景 37
2.5.2 大理巖片幫細觀形貌特征 38
2.5.3 現場片幫破裂面粗糙度統計結果 42
2.5.4 基于裂面粗糙度的片幫破裂面機理 43
第3章 巖體裂面模型制樣技術 49
3.1 基于3D掃描與3D打印的裂面模型制作技術 50
3.1.1 基于3D掃描和3D打印的裂面模型制樣流程 50
3.1.2 裂面模型可靠性分析 52
3.2 基于3D掃描與3D雕刻的裂面模型制作技術 55
3.2.1 基于3D雕刻的裂面模型制樣流程 55
3.2.2 制作的巖體裂面試樣保真率檢驗與剪切實驗 57
3.3 含裂面隧道模型3D打印制作技術 59
3.3.1 3D打印隧道模型的制作技術 59
3.3.2 石膏打印材料和錨桿襯砌材料的力學特性 63
3.3.3 側限條件下隧道物理模型的壓縮試驗 65
3.4 白鶴灘水電站左岸壩基面形貌重構與剪切試驗 70
3.4.1 工程背景 70
3.4.2 左岸壩基表面形貌掃描 70
3.4.3 左岸壩基表面形貌3D數字重構 71
3.4.4 巖石-混凝土膠結面試樣制作與剪切試驗 74
第4章 裂面剪切力學試驗與剪切磨損機理 79
4.1 裂面剪切行為各向異性試驗 80
4.1.1 試驗方法 80
4.1.2 裂面剪切行為的各向異性 82
4.1.3 裂面表面微凸體對剪切行為的影響 85
4.2 裂面剪切磨損度量方法 88
4.2.1 裂面抗剪區域識別方法 88
4.2.2 裂面剪切破壞體積量化方法 92
4.3 裂面剪切行為各向異性機理 94
4.3.1 裂面剪切磨損特征的區域性和各向異性 94
4.3.2 裂面剪切強度各向異性機理 96
4.4 巖體裂面剪切磨損特征與機理 99
4.4.1 試驗方法 99
4.4.2 巖體裂面2D磨損特征 100
4.4.3 巖體裂面3D剪切磨損特征 102
4.4.4 巖體裂面剪切磨損機理 104
4.5 二體裂面剪切行為與剪切磨損機理 107
4.5.1 試驗方法 107
4.5.2 壁面強度對裂面剪切變形特征和強度特征的影響 111
4.5.3 壁面強度對裂面2D破壞特征的影響 113
4.5.4 壁面強度對裂面3D破壞特征的影響 114
4.5.5 二體裂面剪切磨損機理 117
第5章 巖體裂面剪切強度模型 121
5.1 考慮二體裂面壁面強度結構特征的剪切強度模型 122
5.1.1 JRC-JCS強度模型對二體裂面強度估算的局限性 122
5.1.2 二體裂面剪切強度模型 123
5.1.3 二體裂面剪切強度模型與剪脹角的關系 126
5.2 影響剪切行為的裂面形貌特征因素 127
5.2.1 單一形貌特征因素粗糙度統計參數的局限性 127
5.2.2 試驗方案 128
5.2.3 角度特征對剪切行為的影響 129
5.2.4 高度特征對剪切行為的影響 132
5.2.5 剪切方向背坡面對剪切行為的影響 136
5.3 考慮多形貌特征的巖體裂面3D剪切強度模型 138
5.3.1 巖體裂面3D形貌特征指標SRC 138
5.3.2 SRC適用性分析 141
5.3.3 三維剪切強度模型及驗證 148
第6章 等效巖體變形與強度模型 151
6.1 巖體等效變形張量模型 152
6.1.1 裂面變形張量 152
6.1.2 裂隙巖體等效彈性變形張量本構模型 155
6.1.3 裂隙巖體空間各向異性變形特性 169
6.2 巖體等效強度模型 182
6.2.1 非貫通張開裂面對巖石強度的弱化機制 182
6.2.2 基于非貫通張開裂面系數的巖體經驗強度準則的建立 193
6.3 白鶴灘壩基柱狀節理巖體真三軸試驗驗證 199
6.3.1 壩基柱狀節理巖體結構特征 200
6.3.2 裂隙巖體張量變形本構模型的試驗驗證 208
第7章 展望 213
參考文獻 215
第1章 緒論 1
1.1 研究意義 2
1.2 問題與現狀概述 3
1.2.1 巖體裂面形貌描述方法 3
1.2.2 巖體裂面模型制作技術 6
1.2.3 巖體裂面剪切磨損機理與強度模型 7
1.2.4 含裂面巖體等效力學模型 13
1.3 本書研究方法與內容 15
第2章 巖體裂面細觀形貌分析方法 17
2.1 巖體裂面的3D光學掃描方法 18
2.1.1 3D光學掃描原理與儀器 18
2.1.2 巖體裂面測量方法 19
2.2 裂面3D表面數據重構方法 20
2.2.1 數據預處理 20
2.2.2 3D數據重構與算法 23
2.3 裂面形貌特征的間隔效應分析方法 24
2.3.1 不同采樣間隔裂面點云數據獲取 24
2.3.2 裂面形貌特征統計參數間隔效應 26
2.3.3 裂面統計參數間隔效應穩定性評估 31
2.4 裂面形貌特征的各向異性及其評價方法 33
2.4.1 裂面形貌特征的各向異性概述 33
2.4.2 裂面形貌各向異性特征的定量描述 34
2.4.3 裂面各向異性特征的采樣間隔效應 35
2.5 錦屏深部地下實驗室片幫破裂面粗糙度量化表征 37
2.5.1 工程背景 37
2.5.2 大理巖片幫細觀形貌特征 38
2.5.3 現場片幫破裂面粗糙度統計結果 42
2.5.4 基于裂面粗糙度的片幫破裂面機理 43
第3章 巖體裂面模型制樣技術 49
3.1 基于3D掃描與3D打印的裂面模型制作技術 50
3.1.1 基于3D掃描和3D打印的裂面模型制樣流程 50
3.1.2 裂面模型可靠性分析 52
3.2 基于3D掃描與3D雕刻的裂面模型制作技術 55
3.2.1 基于3D雕刻的裂面模型制樣流程 55
3.2.2 制作的巖體裂面試樣保真率檢驗與剪切實驗 57
3.3 含裂面隧道模型3D打印制作技術 59
3.3.1 3D打印隧道模型的制作技術 59
3.3.2 石膏打印材料和錨桿襯砌材料的力學特性 63
3.3.3 側限條件下隧道物理模型的壓縮試驗 65
3.4 白鶴灘水電站左岸壩基面形貌重構與剪切試驗 70
3.4.1 工程背景 70
3.4.2 左岸壩基表面形貌掃描 70
3.4.3 左岸壩基表面形貌3D數字重構 71
3.4.4 巖石-混凝土膠結面試樣制作與剪切試驗 74
第4章 裂面剪切力學試驗與剪切磨損機理 79
4.1 裂面剪切行為各向異性試驗 80
4.1.1 試驗方法 80
4.1.2 裂面剪切行為的各向異性 82
4.1.3 裂面表面微凸體對剪切行為的影響 85
4.2 裂面剪切磨損度量方法 88
4.2.1 裂面抗剪區域識別方法 88
4.2.2 裂面剪切破壞體積量化方法 92
4.3 裂面剪切行為各向異性機理 94
4.3.1 裂面剪切磨損特征的區域性和各向異性 94
4.3.2 裂面剪切強度各向異性機理 96
4.4 巖體裂面剪切磨損特征與機理 99
4.4.1 試驗方法 99
4.4.2 巖體裂面2D磨損特征 100
4.4.3 巖體裂面3D剪切磨損特征 102
4.4.4 巖體裂面剪切磨損機理 104
4.5 二體裂面剪切行為與剪切磨損機理 107
4.5.1 試驗方法 107
4.5.2 壁面強度對裂面剪切變形特征和強度特征的影響 111
4.5.3 壁面強度對裂面2D破壞特征的影響 113
4.5.4 壁面強度對裂面3D破壞特征的影響 114
4.5.5 二體裂面剪切磨損機理 117
第5章 巖體裂面剪切強度模型 121
5.1 考慮二體裂面壁面強度結構特征的剪切強度模型 122
5.1.1 JRC-JCS強度模型對二體裂面強度估算的局限性 122
5.1.2 二體裂面剪切強度模型 123
5.1.3 二體裂面剪切強度模型與剪脹角的關系 126
5.2 影響剪切行為的裂面形貌特征因素 127
5.2.1 單一形貌特征因素粗糙度統計參數的局限性 127
5.2.2 試驗方案 128
5.2.3 角度特征對剪切行為的影響 129
5.2.4 高度特征對剪切行為的影響 132
5.2.5 剪切方向背坡面對剪切行為的影響 136
5.3 考慮多形貌特征的巖體裂面3D剪切強度模型 138
5.3.1 巖體裂面3D形貌特征指標SRC 138
5.3.2 SRC適用性分析 141
5.3.3 三維剪切強度模型及驗證 148
第6章 等效巖體變形與強度模型 151
6.1 巖體等效變形張量模型 152
6.1.1 裂面變形張量 152
6.1.2 裂隙巖體等效彈性變形張量本構模型 155
6.1.3 裂隙巖體空間各向異性變形特性 169
6.2 巖體等效強度模型 182
6.2.1 非貫通張開裂面對巖石強度的弱化機制 182
6.2.2 基于非貫通張開裂面系數的巖體經驗強度準則的建立 193
6.3 白鶴灘壩基柱狀節理巖體真三軸試驗驗證 199
6.3.1 壩基柱狀節理巖體結構特征 200
6.3.2 裂隙巖體張量變形本構模型的試驗驗證 208
第7章 展望 213
參考文獻 215
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巖體裂面剪切劣化分析理論與方法 節選
第1章 緒論 1.1 研 究 意 義 工程巖體在擾動前都存在大量的原生節理、裂隙，而工程開挖后又會產生很多新破裂面，這些原生節理面和新生破裂面及其相互作用是導致巖體松弛、開裂、剪切變形、結構破壞的本質因素。為此，可將工程巖體中原始節理、結構面和新生破裂面統稱為巖體裂面并加以分析與研究。這些巖體裂面不僅破壞了巖體的完整性和連續性，顯著降低了巖體的整體強度，還使工程巖體表現出不同于其他工程材料的非均質、非連續、各向異性（唐輝明，2008；夏才初等，2002；王思敬，1990；孫廣忠，1988；Barton etal.，1985；谷德振，1979；Deere，1964）。而且，工程巖體的宏觀變形與破壞通常也是眾多細觀裂面張開、擴展、貫通、剪切錯動漸進演化的*終結果。因此，深入分析巖體裂面的剪切損傷過程與剪損裂化力學機制是全面揭示工程巖體變形破壞及其災變過程的關鍵。 隨著“一帶一路”“西部大開發”等相關基礎設施建設的推進，以及深部資源開采與資源開發的逐年發展，復雜地質條件下大型基礎性工程的數量和規模還將持續增長，如“一帶一路”交通沿線存在大量含裂面巖體的基礎工程，其中川藏鐵路近90%的橋隧工程都涉及巖體裂面力學穩定性的問題。可見，巖石裂面力學性質及其含裂面巖體穩定性評價是我國復雜地質地區重大基礎工程建設中難以回避的關鍵技術問題之一。大量工程實踐與巖體失穩災害事故都表明工程巖體失穩破壞與巖體裂面有直接關系（陳祖煜等，2005；杜時貴，1999；王思敬，1990；Pollard etal.，1988），例如：鄧宜明等（1987）對大瑤山隧道施工過程中29次塌方進行調查，顯示有22次隧道塌方都與圍巖裂面剪切滑動相關；造成了500余人死亡和失蹤的法國馬爾帕塞拱壩潰決地質誘因是巖體內裂面發育并發生剪切破壞（馮寺燄，1988）；導致了高達2000余人死亡和失蹤的意大利瓦依昂大壩壩前的山體滑坡也是因為沿著軟弱裂面發生了剪切大變形（陳祖煜，2005）；近年造成了1000余人受災的麗水市遂昌縣北界鎮山體滑坡的誘因與山體裂面剪切破壞密切相關（韓菁雯等，2017）；大崗山水電站地下廠房頂拱3000m3的塌方事故與巖體內發育的節理裂面有直接關系（魏志云等，2013）。因此，包含“巖塊+裂隙面”二元結構的工程巖體，其擾動下力學行為及其災變機制研究關鍵就是巖體連續/非連續裂面的剪斷、剪切、滑移過程及其理論描述。 谷德振院士對巖體穩定性與其裂面之間的關系進行過深入論述，他指出巖體的完整性主要取決于裂面的性質和數量；巖體工程穩定性主要取決于巖體裂面的幾何形態及軟弱面的抗滑阻力或泥化程度（谷德振，1979）；在第12屆國際巖石力學大會上，Barton（2011）強調“絕大部分現實的工程巖體都是含裂面、裂隙巖體”。因此，為了分析巖體裂面的力學性質和工程巖體的穩定性，巖體裂面表面的幾何形貌特征分析十分重要。而且，工程中巖體在發生失穩破壞時往往是沿著連續/非連續裂面發生的剪切，研究裂面的剪切特性并建立相應的力學模型對揭示工程巖體剪切失穩過程、評估工程巖體安全狀態具有重要意義。 近年來發展的3D掃描、3D打印、3D雕刻等技術給巖體裂面形貌特征分析、剪切力學特性分析提供了新手段，也為進一步完善巖體裂面變形和強度力學模型提供了新的支撐。3D掃描技術可以無接觸地獲取物體表面幾何特征，這為從3D角度開展裂面形貌特征分析提供了基礎數據；3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎的快速成型技術，它可以便捷地制作出復雜的天然裂面3D實體模型，這為分析天然粗糙裂面的剪切特性提供了新的制樣手段；3D雕刻技術是將計算機技術與機械加工技術相融合，可以將巖體裂面的幾何信息復刻于真實巖體表面，這為分析真實巖體裂面的力學特征提供了新途徑。 為此，本書以工程巖體連續/非連續裂面為研究主線，借助3D打印技術、3D掃描技術、3D雕刻技術并融合圖像處理和數據重構等技術，建立巖體裂面的細觀形貌分析方法，提出巖體裂面物理模型制樣技術，揭示巖體裂面的宏細觀剪損劣化力學特性，構建巖體裂面剪切強度劣化模型和含裂面工程巖體等效力學模型，較系統地揭示巖體裂面的基本剪切力學特性并闡述含裂面巖體的變形破壞力學模型。 1.2 問題與現狀概述 1.2.1 巖體裂面形貌描述方法 裂面形貌特征作為影響巖體剪切行為的重要因素之一，其表面形態復雜，且還具有很大的隨機性，如何合理地對其進行定量描述一直是巖體力學研究中的難點和熱點問題。1973年，挪威學者Barton在研究巖體裂面表面特征對剪切行為影響時，提出利用裂面粗糙度系數（joint roughness coefficient，JRC）來表征裂面的表面形貌特征；隨后Barton等（1977）通過對136種不同裂面剪切試驗的分析，提取了10條典型的裂面輪廓曲線，并建議可以通過匹配這10條標準輪廓曲線來量化JRC，并作為估算JRC的國際標準加以推廣（Brown，1981）。然而，部分學者在研究過程中發現該方法是存在主觀性的。例如：Beer等（2002）曾做過一項調查，分別讓125個、123個、122個有專業背景的人根據10條JRC標準輪廓線估計3組不同裂面的JRC值，發現其估算值具有較大的離散性；Hsuing等（1993）、Alameda-Hernández等（2014）、Grasselli等（2003）和Xia等（2014）也做過類似的調查，同樣得出存在主觀不確定性的結論。為了克服這種取值主觀性，很多學者提出用一些定量參數來描述裂面的形貌特征，進而來確定裂面的粗糙度。目前，常用的方法大致可以分為兩種，即統計參數法和分形參數法（宋磊博，2017a）。 引入統計參數法評估裂面形貌特征是Tse等（1979）提出的坡度均方根Z2和結構函數SF，他們通過對10條JRC標準輪廓線的分析建立了這兩個參數與JRC值的擬合關系。為了克服裂面形貌特征的尺寸效應，Reeves（1985）用平均隙寬梯度（Z2/dx）來代替Z2，同時也給出了參數Z2/dx與JRC值的關系；Maerz等（1990）提出用粗糙度指數Rp來度量裂面的粗糙度，并通過計算10條JRC標準輪廓曲線的Rp值建立了與JRC值的關系；Lee等（1997）通過人工制作的裂面，在考慮了取樣長度對各統計參數影響的前提下，給出了JRC與平均傾角i、i的均方根iRMS、標準方差SDi、粗糙度指數Rp 4個參數的各個回歸關系。以上是利用統計學方法對裂面表面形態進行描述，但是其參數往往受到樣本測量步距和儀器測量精度的影響，即統計參數具有采樣間隔效應（Gu etal.，2003）。Yu等（1991）研究發現在不同的采樣間隔（0.25mm、0.5mm、1.0mm）下，統計參數Z2、Rp和SF與JRC的擬合公式也是有區別的；夏才初（1996）提出了采樣間隔效應的概念，并指出高度均方根、坡度均方根、峰點密度都隨著采樣間距的增大呈減小的趨勢，但峰頂平均半徑卻有相反的規律；Hong等（2008）對27 條剖面線采用4種不同的采樣間隔（0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm），對表征粗糙度的幾何參數RL進行計算，結果表明RL與采樣間距呈反比關系；Tatone等（2013）以不同的采樣間隔（0.044mm、0.25mm、0.50mm、1.00mm）對巖體裂面進行度量，結果表明粗糙度隨著采樣間距的減小而增大。由于統計參數間隔效應的存在，使用統計參數來確定裂面粗糙度時，即使同一裂面，當采樣間隔不同時其粗糙度也是有區別的。但上述關于間隔效應的研究，大部分所涉及的采樣間距過小，導致分析結果具有較大的離散性，且大部分研究停留在定性描述階段。值得提出的是，在工程中估算巖體裂面剪切強度*常使用的結構面粗糙度系數定向統計測量（joint roughness coefficient-joint compressive strength，JRC-JCS）剪切強度公式，采用的裂面采樣間隔為0.5~1.0mm（Barton，1977，1973），但如果用其他高精度的裂面數據所計算的JRC值則無法直接代入該強度公式來估算巖體的剪切強度。隨著測量技術的發展，基于光電技術的非接觸式測量儀器已廣泛應用于裂面的測量（宋磊博等，2017a；Jiang etal.，2017；Li etal.，2015；Jang etal.，2014；Xia etal.，2014；Tatone etal.，2010；Grasselli etal.，2003）。如果想將所獲得的高精度裂面點云數據應用于相關剪切強度公式中，就有必要對常用統計參數在不同采樣間隔下的穩定性進行深入分析和定量描述。另外，高精度的裂面點云數據雖然給分析其表面特征帶來很大便利，但其點云數據十分龐大，導致普通計算機很難承擔，給該技術推廣和裂面分析帶來了不利影響。因此，確定一個既能滿足巖體裂面形貌特征分析的要求，又一定程度上減小計算耗時的合適采樣間距是目前亟須解決的問題。 為了克服統計參數間隔效應對度量裂面形貌特征的影響，部分學者試圖尋找不受測量間隔影響的參數，而法國數學家Mandelbrot（1982）在20世紀70年代所創立的分形幾何為此提供了一種新的思路。Carr等（1987）首次將分維引入裂面粗糙度的描述，并建立了分維指數和JRC的關系。謝和平等（1994）用分形理論模型來模擬裂面的粗糙性。Turk等（1987）、Muralha（1992）、Seidel等（1995）及Lee等（1990）利用碼尺法計算裂面剖面的分形維數，并度量了10條JRC標準輪廓線的分形維數。Kulatilake等（2006）后來指出單一的分形維數可能不足以度量巖體裂面全部的形貌特征信息，并提出用兩個分形參數來描述裂面的粗糙度，如分形維數與割線長度或分形維數與截距等。目前利用分形維數D來描述裂面粗糙度的特性雖然達到了很好的效果，但它僅限于描述給定輪廓曲線的情況，或者定量描述裂面剖面線的分形性質，并未考慮實際上天然巖體裂面具有顯著的各向異性和明顯隨機性這一基本特征。上述的統計參數法和分形參數法是從2D角度對裂面粗糙度進行度量的，這些方法提取數據簡單、處理方便，并且與JRC具有較好的擬合關系，常用來確定結構面粗糙度JRC的值。但是，這些2D統計參數都有一個共同的缺陷，即這些參數不能反映裂面除所使用2D剖面線以外的形貌特征，其所揭示的幾何表面信息是有限的，這也是部分學者（Xia etal.，2014；Hong etal.，2008；Grasselli etal.，2003；Beer etal.，2002）認為JRC-JCS剪切強度準則在估算裂面強度時估算值偏低的原因，因此，部分學者試圖從3D角度對巖體裂面的粗糙度進行分析。 在從3D角度對巖體裂面形貌特征進行分析的過程中，3D測量技術可以在無接觸的狀態下獲取物體表面的點云數據，該項技術在巖體工程中的推廣與應用，為我們從3D角度全面地認識裂面的幾何特征提供了基礎，很多學者已經提出了一些評價裂面三維形貌特征的3D參數。Belem等（2000）提出利用3D的平均傾角θs、各向異性度Ka、平均梯度Z2S和表面扭曲參數Ts 5個參數來描述裂面的3D形貌特征；Grasselli等（2002）考慮了剪切方向上裂面傾角和接觸面積的關系，建立了裂面上有效傾角與其對應接觸面積的統計函數，提出了度量裂面3D粗糙度的參數；考慮參數，當C=0時將失去意義；Tatone等（2009）經過數學推導提出了利用參數來表征裂面的粗糙度；并且Tatone等（2010）對參數進行了2D化處理，經過對10條JRC標準輪廓曲線的分析，提出了2D參數與JRC值的擬合關系；葛云峰（2014）基于光亮面積百分比提出了考慮裂面各向異性的3D形貌特征參數BAP；陳世江等（2015）也提出了一個考慮裂面各向異性特征的3D形貌特征參數SRv；孫輔庭等（2014）基于離散三角形面積單元的3D裂面，提出了包含裂面起伏特征、角度特征及分形特性的3D指標SRI來描述裂面的
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