系列尺度结构面模型及其相似性研究

The shear strength direct shear test of structural plane is destructive; therefore, it is impossible to accomplish the direct shear tests on one natural rock joint in different scales. Developing serail scales structural plane models is the key to study structural plane shear strength scale effect mechanism by simulation test. This project is based on the ratio sampling principle, combined with the distribution of structural plane surface morphology, and the representative sampling method in different scales of structural plane models is established. Based on the shear strength mechanism and similarity theory of structural plane, through matching sensitivity test of similar materials, a new type of similar material with the same physical and mechanical parameter to the natural rock joint is developed. Adopt self-developed multi-scale molds, and the serial scales structural plane models with similar surface morphology are developed by inverse controlling technology. Check the similarity of models through the methods such as 3D scan technique, simulation technique and direct shear test etc... The model similarity evaluation method is established, and the similar model is further improved, which can replace the natural rock joints to do serial scales shear strength direct test and provide effective means to study on the shear strength scale effect mechanism.

结构面抗剪强度直剪试验是破坏性试验，无法实现在同一个原岩结构面上完成不同尺度的直剪试验。研制能够代表不同尺度的结构面相似模型，是解决当前利用模型试验研究结构面抗剪强度尺寸效应机理的瓶颈和难点。本项目根据概率取样原理，结合结构面表面形态分布规律，建立系列尺度结构面模型代表性取样方法；基于结构面抗剪强度机制及相似理论，通过相似材料配比敏感性试验，获得主要物理力学参数与原岩近似一致的相似材料；利用自制的多尺度试样模具，通过逆向控制技术，得到与原岩表面形态相近的系列尺度结构面模型；运用三维扫描技术、仿真技术和直剪试验等手段检验模型的相似性，建立结构面模型相似性评价方法，并进一步完善结构面相似模型，以替代原岩结构面进行系列尺度抗剪强度直剪试验，为岩体结构面抗剪强度尺寸效应机理研究提供有效手段。

室内模型试验是岩石结构面抗剪强度尺寸效应研究的重要手段，但由于影响岩石结构面的两个主要力学参数（壁岩强度和粗糙度系数）均具有尺寸效应的特性，试验者在通过相似比系数模拟结构面抗剪强度尺寸效应规律时往往忽略了两个参数的尺寸效应对试验结果的影响，导致结果不可靠。为了有效地消除该影响，本项目根据JRC-JCS准则的结构面抗剪强度力学机制和相似材料的相似原理，开展相似材料模型的几何特征及物理常数等均与原型一致的岩石模型结构面研究，主要做了如下工作：.1.试验通过对取样尺寸为10cm的18组岩石结构面粗糙度系数（JRC）的测量和统计分析，得到了该尺寸岩石结构面试样的粗糙度系数分布规律，表明了模型结构面取样代表性评价的必要性。基于结构面粗糙度系数非均一性分布特点，以及对简单随机取样法和分层取样法两种概率取样方法的比较分析，提出了基于分层取样法的岩石模型结构面代表性取样方法，该方法采用JRC四分位法确定各层样本的数量比例，再利用分层取样公式计算样本的取样数量。通过岩体结构面抗剪强度的力学机理分析，对试样取样代表性和力学可靠性进行了校验，结果表明，采用该取样方法能较好地代表该尺寸的表面形态分布，取样结果也较好地满足力学试验的统计精度要求。.2.基于岩石结构面抗剪强度力学机制及相似材料的选择原则和要求，研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料。通过敏感性试验，得到不同混合料掺量对模拟材料的抗压强度、弹性模量和重度等物理参数的影响；并通过对比分析获得与岩石结构面主要力学参数相近的模拟材料。.3.基于不同尺度岩石结构面模型试样的制作特点，研制了上、下盘完全吻合的系列尺度试样模具，并设计了上、下盘吻合结构面试样的制作工艺，实现了在同一块结构面上不同尺度结构面模型的制作。利用课题组开发的表面形态相似性评价技术验证了模型结构面制作工艺的可行性，表明按照该方法制作的模型试样，能满足结构面抗剪强度尺寸效应直剪试验的大样本及多尺度的试验要求。.4.本项目利用课题组研制的多尺度岩体结构面直剪仪开展了模型结构面代替原岩结构面的多尺度抗剪强度直剪试验，通过对比分析模型结构面和岩石结构面的破坏形式，以及比较结构面抗剪强度的直剪试验结果与经验估算结果，验证了采用该相似材料制作的模型结构面可代替岩石结构面开展多尺度的直剪试验。