基于CT扫描和离散元模型的岩石节理法向变形研究

How to accurately predict the joint deformation under normal loads has always been a difficult problem in the field of rock mechanics. Owing to the complicated interaction of joint surfaces, currently available empirical models and theoretical models hardly predict the joint deformation accurately. While the numerical methods are capable of modeling the complex morphology and mechanical response of joint, and hence exhibit huge potential for solving the joint deformation. In this context, the deformation of rock joints will be studied using the CT scanning, image processing technology, numerical simulation and laboratory test. The specific contents include: (1) obtaining the three-dimensional morphology of the joints by CT scanning and image processing technology; (2)constructing the discrete element model of the rough joint by using the triangulated network modeling, and verifying it according to the results of the compression test; (3)acquiring the deformation curve of joints under normal loads by simulating the uniaxial compression test of jointed rock samples, and establishing the constitutive equation of normal deformation of joints by curve fitting. This study aims to propose a method for predicting joint deformation based on joint morphology and discrete element model, and establish constitutive model of joint deformation, consequently supplement and improve the joint deformation theory, hoping to provide technical means and theoretical basis for predicting rock mass deformation.

如何准确地预测节理在法向荷载作用下的变形一直是岩体力学领域的难题。由于节理表面相互作用的复杂性，已有的经验模型和理论模型都难以准确预测节理的变形，而数值法能模拟节理的复杂形貌和力学特性，具有解决节理变形问题的巨大潜力。在此背景下，本项目采用CT扫描、图像处理技术、数值模拟结合室内试验对岩石节理的变形展开研究。具体内容包括：（1）采用CT扫描和图像处理技术获得节理的三维形貌；（2）利用三角网建模技术构建粗糙节理的离散元模型，并根据室内压缩试验的结果验证模型；（3）通过模拟节理岩样的单轴压缩试验，得到节理在法向荷载作用下的变形曲线，采用曲线拟合方法建立节理的法向变形本构方程。本项目旨在提出一种基于节理形貌和离散元模型预测节理变形的方法，建立节理的法向变形本构模型，补充和完善节理的变形理论，以期为预测岩体变形提供技术手段和理论依据。

节理是控制岩体变形的主要因素，准确预测岩石节理的变形对岩质边坡稳定性分析、地下洞室围岩变形分析及裂隙岩体渗流研究具有重要意义。因此，研究节理的变形行为具有重要的理论价值和工程意义。国内外学者对节理的法向变形（闭合）规律进行了广泛研究，用于预测节理法向变形的模型可概括为3类，分别为经验模型、理论模型和数值模型。由于节理粗糙表面的相互作用非常复杂,现有的经验公式和理论模型都难以准确预测节理的变形。. 为准确预测岩石节理的法向变形，该项目主要包括以下三方面的研究内容和成果：（1）获取节理形貌数据。开展室内剪切试验得到人造岩石节理，利用三维激光扫描技术获得节理的三维形貌数据。（2）理论模型的提出和验证。本项目提出一种基于节理形貌预测节理法向变形的理论模型，该模型基于弹性理论和变形叠加原理，将节理面上的微凸体假设为圆柱体，考虑微凸体之间的相互作用，变形由三部分组成：一是由微凸体压缩而产生的变形，二是作用在该微凸体上的力引起该微凸体上下半空间的变形，三是由作用在所有其他微凸体上的力引起该微凸体上下半空间的变形。推导出所有的变形分量后，就可以构建理论模型的柔度矩阵，从而建立节理法向应力和法向变形的方程。根据系统能量最小化原理，该方程可看作二次规划问题，通过数值迭代求解得到节理的法向应力—变形曲线，该模型的建立和求解均通过Python编程实现。通过对比理论模型和单轴压缩试验的结果验证了理论模型的准确性。（3）建立节理法向变形的本构模型。通过系统分析不同岩石节理变形预测和试验结果，采用满足数据规律和趋势的函数拟合相应类型的节理变形曲线，建立了节理法向变形本构模型的经验方程。研究结果表明，在较低法向应力时，节理的法向应力和变形呈现幂函数关系，其指数在1.3~1.9之间。. 该项目为预测岩石节理的法向变形提供了新的方法和手段，丰富和完善了岩石节理的变形理论，对深入认识工程岩体的变形特征具有重要的理论价值。.