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巖石工程節理力學 版權信息
- ISBN：9787030739476
- 條形碼：9787030739476 ; 978-7-03-073947-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
巖石工程節理力學 內容簡介
本書介紹巖石節理的成因、露頭自然特征與參數采集方法，形貌測試與描述方法，閉合變形與本構模型，剪切位移與本構模型，摩擦機理與峰值剪切強度準則，直剪試驗顆粒離散元模擬方法，剪切速率效應與尺度效應，以及充填顆粒物的剪切運移破碎過程分析等內容。
巖石工程節理力學 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 形成原因 1
1.1.1 地質成因 1
1.1.2 力學成因 3
1.2 自然特征與參數采集 5
1.2.1 自然特征 6
1.2.2 參數采集 10
1.3 研究方法與內容 13
第2章 形貌測試方法與技術 14
2.1 室內測試方法與技術 14
2.1.1 接觸式測試技術 14
2.1.2 非接觸式測試技術 16
2.2 現場測試方法與技術 17
2.2.1 接觸式測試技術 17
2.2.2 非接觸式測試技術 20
2.3 數據修正 21
第3章 形貌參/函數 23
3.1 統計參/函數 23
3.1.1 高度參數 24
3.1.2 坡度參數 25
3.1.3 角度參數 26
3.1.4 空間變化參/函數 28
3.1.5 統計參數的局限性 30
3.1.6 關于峰點特征的進一步分析 31
3.2 分形參/函數 36
3.2.1 碼尺法 36
3.2.2 h-L法 37
3.2.3 計盒維數法 38
3.3 三維粗糙度指標 38
3.4 節理粗糙度系數 41
3.4.1 試驗法確定JRC 42
3.4.2 計算法確定JRC 44
3.5 參數關聯性 44
3.5.1 JRC與統計參/函數 44
3.5.2 JRC與分形參/函數 49
3.5.3 JRC與方向性參數 50
第4章 形貌尺度效應與各向異性 52
4.1 尺度效應 52
4.1.1 圖解法 53
4.1.2 公式法 54
4.1.3 機理分析 55
4.2 各向異性 58
第5章 閉合變形與本構模型 60
5.1 試驗方法與變形性質 60
5.1.1 試驗方法 60
5.1.2 變形性質 63
5.2 本構模型 64
5.2.1 經驗公式 64
5.2.2 統計接觸模型 66
5.2.3 Hopkins接觸模型 79
5.2.4 分形接觸模型 80
5.3 接觸面積 81
第6章 剪切位移與本構模型 84
6.1 試驗方法 84
6.1.1 剪切試驗類型 84
6.1.2 室內剪切試驗 85
6.1.3 原位剪切試驗 87
6.2 剪切剛度 89
6.3 峰值剪切位移 90
6.4 剪脹 93
6.4.1 峰前剪脹 93
6.4.2 峰后剪脹 94
6.5 剪切位移本構模型 95
6.5.1 全量剪切模型 96
6.5.2 增量剪切模型 97
第7章 摩擦機理與峰值剪切強度準則 101
7.1 摩擦機理 101
7.1.1 穩滑摩擦機理 101
7.1.2 黏滑摩擦機理 104
7.2 峰值剪切強度準則 106
7.2.1 基本參數選取 106
7.2.2 同性巖石節理峰值剪切強度準則 109
7.2.3 異性巖石節理峰值剪切強度準則 117
7.3 影響因素 131
7.3.1 加載速率 131
7.3.2 尺度 135
7.3.3 溫度 140
7.3.4 濕度 142
7.4 各強度準則比較與分析 144
7.4.1 偶合巖石節理峰值剪切強度準則 144
7.4.2 非偶合巖石節理峰值剪切強度準則 164
第8章 顆粒流數值直剪試驗方法 173
8.1 基本理論 173
8.2 接觸本構模型與細觀參數選擇 174
8.3 直剪模型構建及加載 176
8.3.1 模型構建 176
8.3.2 加載 178
8.4 結果分析 179
8.4.1 宏觀剪切響應 179
8.4.2 細觀破壞分析 180
第9章 剪切速率效應與尺度效應 184
9.1 剪切速率效應 184
9.1.1 宏觀剪切響應 184
9.1.2 細觀破壞分析 187
9.2 剪切尺度效應 191
9.2.1 宏觀剪切響應 191
9.2.2 細觀破壞分析 193
第10章 顆粒剪切運移破碎 196
10.1 試驗模型構建與方案 196
10.2 充填顆粒物形狀效應 197
10.2.1 扁率為0 197
10.2.2 扁率為1/3 200
10.2.3 扁率為1/2 201
10.3 剪切速率效應 203
10.3.1 扁率為0 203
10.3.2 扁率為1/3 205
10.3.3 扁率為1/2 207
10.4 參數敏感性分析 209
10.4.1 摩擦系數 209
10.4.2 接觸模量 210
10.4.3 法/切向剛度比 211
10.4.4 黏結強度 211
參考文獻 213
第1章 緒論 1
1.1 形成原因 1
1.1.1 地質成因 1
1.1.2 力學成因 3
1.2 自然特征與參數采集 5
1.2.1 自然特征 6
1.2.2 參數采集 10
1.3 研究方法與內容 13
第2章 形貌測試方法與技術 14
2.1 室內測試方法與技術 14
2.1.1 接觸式測試技術 14
2.1.2 非接觸式測試技術 16
2.2 現場測試方法與技術 17
2.2.1 接觸式測試技術 17
2.2.2 非接觸式測試技術 20
2.3 數據修正 21
第3章 形貌參/函數 23
3.1 統計參/函數 23
3.1.1 高度參數 24
3.1.2 坡度參數 25
3.1.3 角度參數 26
3.1.4 空間變化參/函數 28
3.1.5 統計參數的局限性 30
3.1.6 關于峰點特征的進一步分析 31
3.2 分形參/函數 36
3.2.1 碼尺法 36
3.2.2 h-L法 37
3.2.3 計盒維數法 38
3.3 三維粗糙度指標 38
3.4 節理粗糙度系數 41
3.4.1 試驗法確定JRC 42
3.4.2 計算法確定JRC 44
3.5 參數關聯性 44
3.5.1 JRC與統計參/函數 44
3.5.2 JRC與分形參/函數 49
3.5.3 JRC與方向性參數 50
第4章 形貌尺度效應與各向異性 52
4.1 尺度效應 52
4.1.1 圖解法 53
4.1.2 公式法 54
4.1.3 機理分析 55
4.2 各向異性 58
第5章 閉合變形與本構模型 60
5.1 試驗方法與變形性質 60
5.1.1 試驗方法 60
5.1.2 變形性質 63
5.2 本構模型 64
5.2.1 經驗公式 64
5.2.2 統計接觸模型 66
5.2.3 Hopkins接觸模型 79
5.2.4 分形接觸模型 80
5.3 接觸面積 81
第6章 剪切位移與本構模型 84
6.1 試驗方法 84
6.1.1 剪切試驗類型 84
6.1.2 室內剪切試驗 85
6.1.3 原位剪切試驗 87
6.2 剪切剛度 89
6.3 峰值剪切位移 90
6.4 剪脹 93
6.4.1 峰前剪脹 93
6.4.2 峰后剪脹 94
6.5 剪切位移本構模型 95
6.5.1 全量剪切模型 96
6.5.2 增量剪切模型 97
第7章 摩擦機理與峰值剪切強度準則 101
7.1 摩擦機理 101
7.1.1 穩滑摩擦機理 101
7.1.2 黏滑摩擦機理 104
7.2 峰值剪切強度準則 106
7.2.1 基本參數選取 106
7.2.2 同性巖石節理峰值剪切強度準則 109
7.2.3 異性巖石節理峰值剪切強度準則 117
7.3 影響因素 131
7.3.1 加載速率 131
7.3.2 尺度 135
7.3.3 溫度 140
7.3.4 濕度 142
7.4 各強度準則比較與分析 144
7.4.1 偶合巖石節理峰值剪切強度準則 144
7.4.2 非偶合巖石節理峰值剪切強度準則 164
第8章 顆粒流數值直剪試驗方法 173
8.1 基本理論 173
8.2 接觸本構模型與細觀參數選擇 174
8.3 直剪模型構建及加載 176
8.3.1 模型構建 176
8.3.2 加載 178
8.4 結果分析 179
8.4.1 宏觀剪切響應 179
8.4.2 細觀破壞分析 180
第9章 剪切速率效應與尺度效應 184
9.1 剪切速率效應 184
9.1.1 宏觀剪切響應 184
9.1.2 細觀破壞分析 187
9.2 剪切尺度效應 191
9.2.1 宏觀剪切響應 191
9.2.2 細觀破壞分析 193
第10章 顆粒剪切運移破碎 196
10.1 試驗模型構建與方案 196
10.2 充填顆粒物形狀效應 197
10.2.1 扁率為0 197
10.2.2 扁率為1/3 200
10.2.3 扁率為1/2 201
10.3 剪切速率效應 203
10.3.1 扁率為0 203
10.3.2 扁率為1/3 205
10.3.3 扁率為1/2 207
10.4 參數敏感性分析 209
10.4.1 摩擦系數 209
10.4.2 接觸模量 210
10.4.3 法/切向剛度比 211
10.4.4 黏結強度 211
參考文獻 213
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巖石工程節理力學 節選
**章緒論 國際巖石力學與工程學會（International Society for Rock Mechanics and Engineering，ISRM）將巖石節理定義為“單個或成組出現的打破巖體連續性的不連續面，且在平行于不連續面的方向上沒有明顯的移動”（ISRM，1978）。一般地，將巖石礦物顆粒間的不連續面稱為微觀裂隙，將尺度達數米甚至數千千米的不連續面稱為斷層，而用于力學試驗的巖石節理的尺度多介于5～300mm。而是否產生“明顯的移動”則與觀測尺度有關。節理是地殼上部巖體中發育*為廣泛的一種構造，是油氣資源、地下水等流體儲集場所和運移通道，是影響工程巖體變形和穩定的關鍵因素。 1.1形成原因 1.1.1地質成因 按地質成因，巖石節理可分為原生節理、構造節理和次生節理。原生節理主要指在巖體形成過程中產生的不連續面，如圖1.1所示，包括巖漿巖冷卻收縮形成的節理面，沉積巖體內的層理面、不整合面，變質巖體內的片理、片麻理構造面等。除巖漿巖中的原生節理外，一般原生節理多為非開裂式，且有一定的黏聚力。構造節理指在巖體形成后，經地殼運動過程巖體內產生的各種破裂面，如圖1.2所示，如新層面、錯動面和劈理等。構造節理是巖體內*主要的不連續面。次生節理指在外力作用下產生的不連續面，如圖1.3所示，如風化裂隙、卸荷裂隙等，多為張節理，表面粗糙，產狀不規則。表1.1（杜時貴，1999）列出了巖石節理的類型及其主要特征等。 1.1.2力學成因 任何巖石節理都是在一定的力學條件下形成的，從應力角度考察，直接形成節理的應力只有剪應力、張應力兩種，對應產生的節理稱為剪節理、張節理。 1.剪節理 剪節理是在剪切面上發展而成的，理論上成對出現，自然界的實際情況也經常如此，不過成對的兩組剪節理的發育程度可能不同。剪節理的峰值摩擦角一般為30°～50°，殘余摩擦角一般為20°～40°。剪節理的主要特征如下（徐開禮和朱志澄，1989）。 （1）產狀較穩定，沿走向延伸較遠；當穿過巖性差別顯著的不同巖層時，其產狀可能發生改變，反映出巖性對剪節理的方位有一定的控制作用。 （2）表面平直光滑，這是由其受力特點決定的。在礫石、角礫巖或含有結核的巖層中，剪節理同時切過膠結物及礫石或結核，由于沿剪節理面可以有少量的位移，可通過被錯開的礫石確定節理兩側巖壁的相對移動方向。 （3）剪節理面上常有剪切滑動時留下的擦痕，可用于判斷節理兩側巖壁的相對移動方向。擦痕常表現為一系列細而密、較均勻且彼此平行的線條，或者為一系列相間排列的擦脊和擦槽。擦痕是剪節理運動過程中由被壓碎的巖石細屑在巖層面上碾磨刻劃而成的。仔細觀察，可以見到擦痕的一端粗而深，另一端細而淺。用手觸摸，較光滑方向指示對盤的運動方向（但并不十分可靠）；也可用以自粗而深的一端至細而淺的一端指示對盤的運動方向。但擦痕兩端的粗細深淺有時并不明顯，比較可靠的方法是利用擦痕面上出現的階步和反階步判斷。階步是剪節理順擦痕方向因局部阻力差異或間歇性運動的頓挫而形成的垂直于擦痕的小臺階，階步的形態特征是將其放平后在剖面上呈不對稱的緩波狀曲線，與風成波痕相似，可用較陡坡的傾向指示對盤的相對運動方向。反階步形態與階步形態大致相似，但二者的顯著區別是反階步的緩坡和陡坡并不是以圓滑曲線連續過渡，而是以開口的折線連接。 （4）一般發育較密，節理間距較小，常密集成帶，硬而厚的巖層中的節理間距大于軟而薄的巖層，發育疏密也與應力狀態有關。 （5）主剪節理兩側常伴有羽狀微裂面（羽列現象），往往一條剪節理并非只有單一的一條節理，而是由若干條方向相同、首尾相接的小節理呈羽狀排列而成。圖1.4（徐開禮和朱志澄，1989）所示為剪切試驗形成的兩組羽列剪節理A與B：A組羽列微剪裂面與主剪裂面MN的夾角為′，一般為10°～15°，相當于內摩擦角的一半；B組羽列微剪裂面與MN的夾角為γ′。與主裂面的銳夾角指示本盤運動方向。天然巖石常見的是A組微剪裂面，B組常常不發育。 （6）剪節理的張開度較小，常呈閉合狀，但風化或地下水的溶蝕作用可以擴大節理的張開度。 （7）典型的剪節理常常組成共軛X形剪節理系。X形剪節理發育良好時，將巖石切割成菱形、棋盤格式，如圖1.5所示。共軛X形剪節理的交線表示主應力σ2的方向，兩組節理的夾角平分線分別表示主應力σ1和σ3的方向。根據莫爾-庫侖強度準則，X形剪節理的銳夾角平分線與主應力σ1的方向一致。在實際應用中，一般通過觀察剪節理的剪切方向來確定其反映的應力方位。 2.張節理 張節理是某方向上的拉應力超過巖石的抗拉強度而形成的垂直于張應力方向的破裂面，如圖1.6所示。張節理的峰值摩擦角一般為40°～50°，殘余摩擦角一般為30°～45°。張節理的主要特征如下（夏才初和孫宗頎，2002；徐開禮和朱志澄，1989）。 （1）產狀不甚穩定，往往延伸較短，單條節理短而彎曲，常側列產出。 （2）面壁粗糙不平，無擦痕。 （3）在膠結不太堅實的礫巖或砂巖中，張節理往往繞礫石或粗砂粒而過。 （4）多呈開口狀，寬度變化大，常被巖脈充填。 （5）一般發育稀疏，節理間距較大，而且即使局部地段發育較多，也是稀疏不均的，很少密集成帶。 （6）有時呈不規則的樹枝狀或網絡狀，有時也追蹤共軛X形剪節理形成鋸齒狀張節理、單裂或共軛雁列式張節理，有時也呈放射狀或同心圓狀組合形式。 （7）張節理是在垂直于節理面的張應力作用下形成的，其垂線指示主應力σ3的方向。在上拱作用下形成的張節理，總體上常排列成放射狀或同心圓狀。 剪節理和張節理的特征是在一次變形中形成的節理所具有的特征。若巖石或巖層經歷多次變形，早期節理的特點在后期變形中可能被改造或被破壞。即使在同一次變形中，各種因素干擾，也會使節理不具備上述典型特征，因此在鑒別節理的力學性質時，需要注意三點：①必須選取未受后期改造的節理；②不能單純依據個別露頭上節理的特點，而應對區域內許多測點或露頭上節理的特點進行分析比較；③鑒別節理的力學性質應結合與節理有關的構造和巖石的力學性質進行分析。由于構造變形作用的遞進發展和相應轉化，會發生應力的轉向或變化，常出現一種節理兼具兩類節理性質的特征或過渡特征，表現為張剪性節理。 1.2自然特征與參數采集 巖石節理成因復雜，露頭的自然特征（如開閉狀態、充填狀態和表面形態等）會發生變化。部分巖石節理由于膠結等作用形成具有一定強度的充填物，黏聚力有所增加；而有些經過地下水滑蝕、風化等作用，黏聚力減小甚至完全喪失。巖石節理的自然特征是決定巖體強度和變形的重要因素，準確識別露頭特征并對其參數進行采集分析，是巖體力學性質分析的基礎工作。露頭的自然特征、表征參數或描述見表1.2。 1.2.1自然特征 1.產狀 產狀表示巖石節理的空間方位，通常假設巖石節理為平面，用走向、傾向和傾角表示其產狀，如圖1.7（吳順川等，2021）所示。走向為巖石節理與水平面交線的方向；巖石節理上與走向線垂直并指向下方的直線稱為傾向線，傾向線在水平面上投影的方向為傾向；傾角為巖石節理與水平面的夾角。由于走向和傾向是相互垂直的，結構面的產狀通常用傾向和傾角兩個參數表示。 在巖石節理的統計分析中，一般采用赤平極射投影直接對產狀進行二維定量圖解分析。假設巖石節理的傾向為（0°≤≤360°）、傾角為（0°≤≤90°），在空間坐標系中，規定z軸為豎直向上，x軸為正東方向，y軸為正北方向，結構面的單位法向量v0可表示為 （1.1） 2.密度 1）線密度 密度是反映巖石節理發育密集程度的指標，常用線密度、體密度、間距等表征。線密度（單位：條/m）指同組巖石節理沿其跡線的垂直方向單位長度上的數量。若以L′表示測線長度，nj為測線長度內的巖石節理數量，則 （1.2） 若沿測線存在多組巖石節理（J1、J2、 ），測線上的線密度為各組巖石節理線密度之和： （1.3） 實際測定巖石節理的線密度時，測線長度可取20～50m。若測線不能沿巖石節理跡線的垂直方向布置，當測線與結構面跡線夾角為、實際測線長度為時，如圖1.8所示，則有 （1.4） 巖石節理密集程度按線密度分類，見表1.3。
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