基于岩体结构面形貌三维参数表征的剪切机制研究

It’s difficult to reflect the three-dimensional spatial characteristics of the rock discontinuities that parameters representing the rock discontinuities morphology and shear strength model , which is based on the two-dimensional profile contours. In this project, three-dimensional identified printing technology is proposed to realize the high-quality identification of the three-dimensional morphology of rock discontinuities and preparation batch of specific morphological model samples, and the shear test is carried on for studying the three-dimensional morphological characterization and shear mechanism of rock discontinuities. First of all, Print the surface mold of a rock discontinuity by three-dimensional identified printing process, then pour the mold using similar material to get batch of model samples and carry out shear test for the quality verification; Study on the evaluation of the waviness and roughness of the rock discontinuity in partial and whole based on the apparent resistance angle and the spectral parameters of the rock discontinuity surface through the two-dimensional Fourier transform, scale of waviness and roughness by inverse Fourier transform method to pouring model samples for studying on the scale effect of morphology by mechanical test. Finally. Carry out shear test under different stress, shear history and material strength condition, Conclude the mechanism of the rock discontinuity morphology in shearing behavior, and propose the shear strength model using three-dimensional morphology parameter. This project has a new theoretical method to improve the rock discontinuity mechanics test technology, and make an approach to the shearing ; mechanism of rock discontinuities.

描述岩体结构面的形貌参数及剪切强度模型多基于二维轮廓线提出，难以体现结构面的三维空间特征，本项目拟引入三维识别打印技术，实现结构面形貌三维精细识别及特定形貌模型试样的批量制作，并开展剪切试验研究结构面三维形貌参数表征及其剪切机制。首先，通过三维识别打印制作结构面模具，用相似材料倒模浇筑模型试样并进行剪切验证试验；基于结构面曲面的有效剪切倾角和二维傅里叶变换后的频谱参数对结构面局部及整体的三维起伏粗糙进行评价，通过傅里叶逆变换构造具有不同尺度起伏粗糙的结构面数字模型并制作相应的物理模型试样开展三维形貌的尺寸效应力学特性试验；最后开展不同正应力、剪切历史及材料强度条件下的剪切试验，总结三维形貌的影响机制，提出基于三维形貌参数的强度模型。本项目通过引通过引入新的方法，提高了结构面力学试验技术，对深化结构面剪切机制的认识具有重要的理论意义。

描述岩体结构面的形貌参数及剪切强度模型多基于二维轮廓线提出，难以体现结构面的三维空间特征，本项目首先在岩体结构及形貌特征精细描述方法上开展了研究与应用，在此基础上研究了结构面轮廓随机间距采样、向量表征与粗糙度的相关性，通过现场，室内试验开展了考虑结构面形貌特征的剪切机制与强度模型的研究。项目取得主要成果包括：研发了结构面三维形貌现场注塑采集工具，使用近景摄影技术对不同测量尺度及赋存环境的岩体结构及形貌特征进行了编录，完善了技术流程；提出了结构面不等间距采样方法，通过选取表征结构面轮廓起伏的转折点为采样点，以此提出并论证了新的结构面粗糙度参数，结构面起伏高程的一阶导数均方根的定量计算方法；通过多种类型结构面剪切试验揭示了，结构面形貌对剪切特性的影响具有方向性，起伏粗糙对剪切特性的影响随正压力增大而降低，相应的剪胀效应也随正压力增大而减小，在低正压力条件下，结构面表面的起伏凸起体即可被磨损剪断，首先出现磨损剪断的是视倾角较大的凸起，单块试样反复剪切试验中，取第1 次残余值与后续剪切强度值拟合得到的剪切强度参数可代表具有剪切运动历史的结构面剪切强度等规律；实现了基于3D打印技术，结构面模型试样批量制作技术，并基于大量物理模型试验的成果分析，对DDA程序的结构面强度模型进行了改进。以上成果对提高结构面力学试验技术，对深化结构面剪切机制的认识具有重要的理论意义。