含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法与流程

1.本发明涉及含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法，特别的是本发明通过设置数值模拟方案，分析了含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度的影响，建立了结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型，提供了一种含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法，属于结构面抗剪强度影响因素分析领域。


背景技术：

2.岩体是复杂的地质体，内部存在随机分布的节理以及其他缺陷，这些特殊的结构使岩体有明显的尺寸效应。结构面在很大程度上控制着岩石的稳定性，抗剪强度是结构面的重要力学性质之一。岩石结构面抗剪强度存在尺寸效应。同时，结构面粗糙度对岩石的力学性质有重要影响。
3.抗剪强度是岩石强度的力学特性之一，抗剪强度具有尺寸效应。如frossard e等根据断裂力学的尺寸效应，提出一种计算剪切强度的方法。nini l u等通过3dec软件对不同尺寸的岩块进行直剪试验模拟，研究维度对岩石剪切强度的影响。以上的内容主要是学者们研究岩石强度的尺寸效应。随着各国学者研究的不断深入，岩石的尺寸效应由定性描述向定量分析转化。但是目前学者们对结构面抗剪强度的研究很少涉及到岩石内部存在着的节理粗糙度对它的影响，更鲜有学者研究节理粗糙度对结构面抗剪强度尺寸效应的影响。
4.抗剪强度的尺寸效应受岩石中赋存的节理粗糙度的影响。如y.wang,w等研究块大小对剪切强度参数的影响。huilin l e等对不同尺寸的具有锯齿状结构面的试样进行直剪试验。liu x等通过pfc2d软件建立模型，根据巴顿曲线，研究节理长度对峰值剪切强度的影响。相同尺寸的岩石，在其它岩石条件都相同的情况下，也会由于内部存在的节理粗糙度的不同，造成结构面抗剪强度明显的不同，在这方面，国内外学者研究的还相对较少。在另一方面，在相同节理粗糙度，不同尺寸的岩石的工况下，其结构面抗剪强度也会表现出明显的区别，在这方面，国内外学者研究的也相对较少。综合起来这两个方面，当节理粗糙度和岩石的尺寸同时发生变化时，对结构面抗剪强度的尺寸效应产生的影响，还尚未有人研究，尤其是尚未建立含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型。
5.因此，含粗糙节理的岩石尺寸的变化，会对结构面抗剪强度的尺寸效应产生怎样的影响，两者之间具有怎样的数学关系情况，又该采用怎样的分析方法来研究这种含粗糙节理的岩石尺寸的变化对结构面抗剪强度的影响，是亟待解决的问题。而提出一种含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法，将具有非常重要的科学和研究意义，通过这一分析方法，可以建立起结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型，得到含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度的影响规律。
6.鉴于此，本发明提出了一种含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法。


技术实现要素：

7.为了实现含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响的分析，本发明提供了含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法。本发明通过设置数值模拟方案，分析了含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度的影响，建立了含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型，提供了含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法。
8.为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：
9.一种含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法，所述方法包括以下步骤：
10.(1)数值模拟的基本条件设置；
11.(2)含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响的数值方案；
12.(3)含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法；
13.(4)结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型建立。
14.进一步，所述步骤(4)中，结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型建立的过程如下：
15.4.1：结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型的提出，过程如下：
16.4.1.1：根据含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的关系公式，分析关系公式符合的函数类型，提出结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型；
17.4.1.2：提出的结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型中包含待定的参数；
18.4.2：参数的求解方法，过程如下：
19.4.2.1：参数的取值与节理粗糙度有关；
20.4.2.2：根据含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的关系公式，求解出每个节理粗糙度对应的参数；
21.4.2.3：以节理粗糙度为横坐标，以参数为纵坐标，绘制出参数与节理粗糙度的散点图；
22.4.2.4：根据散点图，拟合出参数与节理粗糙度的关系公式，得到参数与节理粗糙度的数学模型；
23.4.3：结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型的建立，过程如下：
24.4.3.1：将参数与节理粗糙度的数学模型代入到结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型中；
25.4.3.2：得到结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型公式。
26.进一步，所述步骤(3)中，含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法的过程如下：
27.3.1：含粗糙节理的岩石尺寸的剪切数值模拟的应力—应变曲线分析，过程如下：
28.3.1.1：对每个模拟方案，输出模拟方案中每个工况的数值模拟结果，绘制出每个工况的应力—应变曲线，并将每个模拟方案中的所有工况的应力—应变曲线绘制到同一坐标系下，得到含粗糙节理的岩石尺寸的应力—应变曲线汇总图；
29.3.1.2：根据每个模拟方案中含粗糙节理的岩石尺寸的应力—应变曲线汇总图，分析含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度的影响规律；
30.3.2：结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的关系拟合方法，过程如下：
31.3.2.1：对每个模拟方案，根据模拟方案中每个工况的应力—应变曲线，求解出每个工况的结构面抗剪强度；
32.3.2.2：绘制出每个模拟方案中，结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的散点图，并根据散点图，绘制出结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的拟合曲线，得到结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的关系公式；
33.3.2.3：得到含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的关系公式。
34.进一步，所述步骤(2)中，含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响的数值方案的过程如下：
35.2.1：数值方案1：设置节理粗糙度为r1，设置岩石尺寸为l1×
l1、l2×
l2、l3×
l3、l4×
l4、l5×
l5、l6×
l6，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
36.2.2：数值方案2：设置节理粗糙度为r2，设置岩石尺寸为l1×
l1、l2×
l2、l3×
l3、l4×
l4、l5×
l5、l6×
l6，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
37.2.3：数值方案3：设置节理粗糙度为r3，设置岩石尺寸为l1×
l1、l2×
l2、l3×
l3、l4×
l4、l5×
l5、l6×
l6，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
38.2.4：数值方案4：设置节理粗糙度为r4，设置岩石尺寸为l1×
l1、l2×
l2、l3×
l3、l4×
l4、l5×
l5、l6×
l6，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
39.2.5：数值方案5：设置节理粗糙度为r5，设置岩石尺寸为l1×
l1、l2×
l2、l3×
l3、l4×
l4、l5×
l5、l6×
l6，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟。
40.进一步，所述步骤(1)中，数值模拟的基本条件设置的过程如下：
41.1.1：数值模拟的理论基础为岩石剪切变形理论；
42.1.2：数值模拟使用的软件为数值分析软件；
43.1.3：数值模拟的条件设置，过程如下：
44.1.3.1：设置数值模拟使用的力学模型，约束条件，加载方式，加载增量和判断准则；
45.1.4：岩石的力学参数设置，过程如下：
46.1.4.1：设置岩石的弹性模量，泊松比，抗压强度，粘聚力，摩擦角和密度；
47.1.5：节理的参数设置，过程如下：
48.1.5.1：设置节理的粗糙度值；
49.1.5.2：设置节理的弹性模量，抗压强度，粘聚力和摩擦角。
50.本发明具有以下有益效果：
51.1、本发明提供了含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响的数值模拟方案；
52.2、本发明提供了含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响的分析方法；
53.3、本发明提供了一种含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型建立方法。
附图说明
54.图1是粗糙度为1.7的6种岩石尺寸的岩石应力—应变曲线汇总图。
55.图2是含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的拟合曲线图。
56.图3是参数d与节理粗糙度的拟合曲线图。
57.图4是参数f与节理粗糙度的拟合曲线图。
58.图5是参数g与节理粗糙度的拟合曲线图。
具体实施方式
59.下面参照附图对本发明做进一步说明。
60.参照图1～图5，一种含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法，包括以下步骤：
61.1)数值模拟的基本条件设置，过程如下：
62.1.1：数值模拟的理论基础为剪切变形理论；
63.1.2：数值模拟使用的软件为数值分析软件；
64.1.3：数值模拟的条件设置，过程如下：
65.1.3.1：设置力学模型为平面应力模型；
66.1.3.2：设置约束条件为模型两侧受到水平的剪力，模型上下表面承受荷载；
67.1.3.3：设置加载方式为模型两侧位移加载，初始加载量为0mm，加载增量为0.01mm；
68.1.3.4：设置判断准则为mohr-coulomb准则；
69.1.4：岩石的力学参数设置，过程如下：
70.1.4.1：设置岩石的弹性模量为8000mpa，泊松比为0.25，抗压强度为60mpa，粘聚力为1.2mpa，摩擦角为30
°
，密度为2600g/cm3；
71.1.5：节理的参数设置，过程如下：
72.1.5.1：设置节理的粗糙度值，粗糙度jrc值依次为1.7，2.7，3.7，4.7和5.7；
73.1.5.2：设置节理的弹性模量为0.1mpa，泊松比为0.25，抗压强度为0.1mpa，摩擦角为30
°
；
74.2)含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响的数值方案，过程如下：
75.2.1：数值方案1：设置节理粗糙度为1.7，设置岩石尺寸为200mm
×
200mm、400mm
×
400mm、600mm
×
600mm、800mm
×
800mm、1000mm
×
1000mm、1200mm
×
1200mm，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
76.2.2：数值方案2：设置节理粗糙度为2.7，设置岩石尺寸为200mm
×
200mm、400mm
×
400mm、600mm
×
600mm、800mm
×
800mm、1000mm
×
1000mm、1200mm
×
1200mm，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
77.2.3：数值方案3：设置节理粗糙度为3.7，设置岩石尺寸为200mm
×
200mm、400mm
×
400mm、600mm
×
600mm、800mm
×
800mm、1000mm
×
1000mm、1200mm
×
1200mm，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
78.2.4：数值方案4：设置节理粗糙度为4.7，设置岩石尺寸为200mm
×
200mm、400mm
×
400mm、600mm
×
600mm、800mm
×
800mm、1000mm
×
1000mm、1200mm
×
1200mm，其它参数保持不变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
79.2.5：数值方案5：设置节理粗糙度为5.7，设置岩石尺寸为200mm
×
200mm、400mm
×
400mm、600mm
×
600mm、800mm
×
800mm、1000mm
×
1000mm、1200mm
×
1200mm，其它参数保持不
变，对6种岩石尺寸工况开展剪切数值模拟；
80.3)含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度影响分析方法，过程如下：
81.3.1：含粗糙节理的岩石尺寸的剪切数值模拟的应力—应变曲线分析，过程如下：
82.3.1.1：对每个模拟方案，输出模拟方案中每个工况的数值模拟结果，绘制出每个工况的应力—应变曲线，并将每个模拟方案中的所有工况的应力—应变曲线绘制到同一坐标系下，得到含粗糙节理的岩石尺寸的应力—应变曲线汇总图，粗糙度为1.7的6种岩石尺寸的应力—应变曲线汇总图如图1所示；
83.3.1.2：根据每个模拟方案中含粗糙节理的岩石尺寸的应力—应变曲线汇总图，分析含粗糙节理的岩石尺寸对结构面抗剪强度的影响规律；
84.3.2：结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的关系拟合方法，过程如下：
85.3.2.1：对每个模拟方案，根据模拟方案中每个工况的应力—应变曲线，求解出每个工况的结构面抗剪强度，所有工况的结构面抗剪强度见表1
[0086][0087]
表1；
[0088]
3.2.2：绘制出每个模拟方案中，结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的散点图，并根据散点图，绘制出结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的拟合曲线，得到结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的关系公式，含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的拟合曲线图如图2所示；
[0089]
3.2.3：得到含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的关系公式；
[0090]
jrc为1.7的结构面抗剪强度与岩石尺寸的的关系公式为
[0091][0092]
jrc为2.7的结构面抗剪强度与岩石尺寸的的关系公式为
[0093][0094]
jrc为3.7的结构面抗剪强度与岩石尺寸的的关系公式为
[0095][0096]
jrc为4.7的结构面抗剪强度与岩石尺寸的的关系公式为
[0097][0098]
jrc为5.7的结构面抗剪强度与岩石尺寸的的关系公式为
[0099][0100]
式中：τ(l)为岩石尺寸为l时的结构面抗剪强度，单位：mpa，l为岩石尺寸，单位：mm；
[0101]
4)结构面抗剪强度与岩石尺寸的数学模型建立，过程如下：
[0102]
4.1：结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型的提出，过程如下：
[0103]
4.1.1：根据含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的关系公式，分析关系公式符合的函数类型，提出结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型，提出的数学模型为：
[0104][0105]
式中：τ(l)为岩石尺寸为l时的结构面抗剪强度，单位：mpa，l为岩石尺寸，单位：mm，d、f和g为待定的参数；
[0106]
4.1.2：提出的结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型中包含待定的参数；
[0107]
4.2：参数的求解方法，过程如下：
[0108]
4.2.1：参数的取值与节理粗糙度有关；
[0109]
4.2.2：根据含粗糙节理的结构面抗剪强度与岩石尺寸的关系公式，求解出每个节理粗糙度对应的参数，见表2
[0110][0111]
表2；
[0112]
4.2.3：以节理粗糙度为横坐标，以参数为纵坐标，绘制出参数与节理粗糙度的散点图；
[0113]
4.2.4：根据散点图，拟合出参数与节理粗糙度的关系公式，得到参数与节理粗糙度的数学模型，参数d与节理粗糙度的拟合曲线如图3所示，参数d与节理粗糙度的数学模型为：
[0114]
d＝38.09+1.458r(7)
[0115]
参数f与节理粗糙度的拟合曲线如图4所示，参数f与节理粗糙度的数学模型为：
[0116]
f＝444.84r
0.114
(8)
[0117]
参数g与节理粗糙度的拟合曲线如图5所示，参数g与节理粗糙度的数学模型为：
[0118][0119]
式中：d、f和g为参数，r为节理粗糙度；
[0120]
4.3：结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型的建立，过程如下：
[0121]
4.3.1：将参数与节理粗糙度的数学模型代入到结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型中；
[0122]
4.3.2：得到结构面抗剪强度与含粗糙节理的岩石尺寸的数学模型为：
[0123][0124]
式中：τ(l)为岩石尺寸为l时的结构面抗剪强度，单位：mpa，l为岩石尺寸，单位：mm，r为节理粗糙度。