摘要
岩体破裂面的形态特征是影响其剪切滑移破坏的重要因素,法向应力是岩体剪切破裂面形态特征的重要影响因素.为研究法向应力对砂岩剪切破裂面形貌特征和粗糙度的影响,首先开展了砂岩双面剪切试验,获得不同法向应力作用下砂岩剪切破裂面,然后对直剪试验中形成的剪切破裂面进行三维光学扫描,最后对不同法向应力作用下砂岩剪切破裂面进行三维重构.分析了法向应力对剪切破裂面粗糙高度特征参数的影响,基于各向异性参数研究了砂岩剪切破裂面粗糙度各向异性特征,研究了砂岩剪切破裂面分形特征与粗糙度的关系.结果表明,砂岩剪切破裂面粗糙高度期望值、标准差、均值和最大起伏差都随法向应力的增大而增大;剪切破裂面粗糙度表现出显著的各向异性,随着与剪切方向夹角的增大,砂岩剪切破裂面粗糙度先减小后增大;法向应力为压应力时,剪切破裂面粗糙度在与剪切方向成75° ~ 90°时取得最小值;剪切破裂面粗糙度极差和各向异性参数随法向应力的增大逐渐增大,剪切破裂面各向异性特征增强;砂岩剪切破裂面分形维数与粗糙度呈幂函数关系.
岩体破裂面形态对破裂面的内摩擦角、黏聚力、剪胀性、峰值剪切强度和位移等具有重要影响.学者们对岩体破裂面形貌特征开展了大量研究工作.
Barto
目前对岩体破裂面形貌特征的研究主要针对压剪破裂面,然而,地下硐室围岩和高陡边坡等常发生拉剪破坏,岩石拉剪应力和压剪应力下破裂面破坏机制和形貌特征存在显著区别.由于拉剪试验技术上的困难,人们对拉剪应力下破裂面的粗糙度特征、分形特征、各向异性特征等的认识不足.基于此,本文首先采用自研拉剪装置开展直剪试验,制作了不同法向应力下的剪切破裂面,然后通过光学扫描对剪切破裂面进行了三维重构,研究了不同法向应力作用下剪切破裂面的形貌特征、粗糙高度特征参数、粗糙度特征及其各向异性、粗糙度和分形维数的关系等.
1 试验方案
试验采用的砂岩取自三峡库区,呈暗红色,主要矿物为石英、方解石、长石及少量磁铁矿和赤铁矿.通过切割、打磨等工序将砂岩加工成60 mm×60 mm ×120 mm的长方体试样.试验系统及辅助装置如

图1 试验系统及辅助装置
Fig.1 Test system and auxiliary devices
试样 | 法向应力/MPa | 破裂面编号 | 试样 | 法向应力/MPa | 破裂面编号 |
---|---|---|---|---|---|
1# | -1.50 | T-1.5-1 | 6# | -0.25 | T-0.25-1 |
T-1.5-2 | T-0.25-2 | ||||
2# | -1.25 | T-1.25-1 | 7# | 0 | 0-1 |
T-1.25-2 | 0-2 | ||||
3# | -1.00 | T-1.0-1 | 8# | 3.00 | P-3-1 |
T-1.0-2 | P-3-2 | ||||
4# | -0.75 | T-0.75-1 | 9# | 6.00 | P-6-1 |
T-0.75-2 | P-6-2 | ||||
5# | -0.50 | T-0.5-1 | 10# | 9.00 | P-9-1 |
T-0.5-2 | P-9-2 |
双面剪切试验过程中,首先施加法向应力至设定值,加载方式为应力控制模式,加载速率为0.05 kN/s,然后施加剪应力直至砂岩试样发生破坏.剪应力加载采用位移控制模式,加载速率为0.2 mm/min. Cronos三维光学扫描得到的剪切破裂面点云为无序点云,通过MATLAB编程对点云数据进行处理可以得到剪切破裂面有序点云数据.
如

图2 试样表面剥落及剪切破裂面研究范围
Fig.2 Sample surface spalling and the research scope of shear fracture surface
2 试验结果与分析
2.1 剪切破裂面形貌特征
基于光学扫描得到的剪切破裂面点云数据,将破裂面高程最低点所在XOY平面(平行于试样端面)高程坐标设置为零,对不同法向应力作用下砂岩剪切破裂面进行三维重构,得到破裂面形貌特征如

(a) σn=-1.5 MPa
(b) σn=-1.25 MPa

(c) σn=-1.0 MPa
(d) σn=-0.75 MPa

(e) σn=-0.5 MPa
(f) σn=-0.25 MPa

(g) σn=0 MPa
(h) σn=3 MPa

(i) σn=6 MPa
(j) σn=9 MPa
图3 剪切破裂面三维重构
Fig.3 3D reconstruction of shear fracture surface
粗糙高度是指破裂面上某高点距离基准面的高度,剪切破裂面起伏高度相对频率可以反映破裂面粗糙高度的分布规律.以z=0 mm对应的平面作为基准面,计算扫描点的高程分布频度.粗糙高度期望值μ、标准差Sq、均值Sa、最大起伏差Sp等粗糙高度特征参数能够定量表征剪切形成的破裂面的形态特征.其中,粗糙高度最大起伏差Sp是剪切破面上最高点到计算参考面的垂直距离.砂岩试样剪切破裂面粗糙高度特征参数与法向应力关系如

(a) 粗糙高度期望值
(b) 粗糙高度标准差

(c) 粗糙高度均值
(d) 粗糙高度最大起伏差
图4 剪切破裂面粗糙高度特征参数
Fig.4 Variations of the roughness height indexes for the shear fracture surfaces
由
2.2 粗糙度各向异性
试样剪切破坏后,假定采用一个平行于法相应力方向的平面将试样切开,每个破裂面与该平面有一条交线,该交线即为破裂面的剖面线.Barton
Tse
(1) |
(2) |
式中:Z2为剖面线一阶导数均方根,Zi为破裂面采样点的高程坐标,Δs为剖面线上数据采样间隔距离(如
(3) |

图5 剪切破裂面粗糙度各向异性计算原理
Fig.5 Principle for anisotropy calculation of roughness
式中:为剪切破裂面在某方向上的粗糙度,为在某方向上第i条剖面线的粗糙度.岩石剪切破裂面粗糙度各向异性计算原理如
不同法向应力作用下,剪切破裂面粗糙度随α的变化规律如





图6 剪切破裂面粗糙度随倾角α的变化规律
Fig.6 Changes in the JRC of shear fracture surfaces with the dip angle α
粗糙度极差为砂岩剪切破裂面不同方向上最大粗糙度和最小粗糙度的差值,可以用来定量描述岩体破裂面在不同方向上粗糙度差异.不同法向应力作用下,砂岩剪切破裂面粗糙度极差变化规律如
(4) |

图7 粗糙度各向异性指标变化规律
Fig.7 Variation of roughness anisotropy index
(a)粗糙度极差 (b)各向异性参数
各向异性参数DAC可以用来定量描述破裂面粗糙度的各向异性程
(5) |
(6) |
(7) |
式中:JRCα是倾角为α时破裂面的粗糙度,为JRCα的平均值,CV为破裂面统计方向上粗糙度的变异系数.各向异性参数与法向应力的关系如
(8) |
2.3 分形特征
Xie
(9) |
(10) |
(11) |
其中:D为分形维数,hi和li分别为剪切破裂面剖面线第i个斜坡的高度和长度.
根据光学扫描得到的点云数据和





图8 粗糙度与分形维数的关系
Fig. 8 Relationship between roughness and fractal dimension
如
(12) |
式中:a和b是拟合参数.法向应力在-1.5~9 MPa范围内,参数a的取值范围为65.90~82.57,参数b的取值范围为0.43~0.49.
如
(13) |
将
(14) |
参数a和b随法向应力的增大整体表现为逐渐增大.如
(15) |
(16) |

(a) 参数a和b关系曲线

(b) 参数a和b与法向应力关系
图9 拟合参数a和b变化规律
Fig.9 Changes in fitting parameters a and b
3 结 论
为研究砂岩剪切破裂面形貌特征和粗糙度各向异性特征,开展了不同法向应力作用下砂岩剪切试验,并对剪切破裂面进行了三维扫描和重构,研究了砂岩剪切破裂面的形貌特征、粗糙度特征及其各向异性、粗糙度和分形维数关系等,可以得到以下主要结论:
1)砂岩试样剪切破裂面粗糙高度期望值、最大起伏差、标准差和均值随法向应力的增大整体逐渐增大.
2)剪切破裂面的粗糙度具有显著的各向异性特征.随着与剪切方向夹角的增大,剪切破裂面粗糙度先减小后增大.法向应力为压应力时,粗糙度基本呈轴对称分布,对称轴的范围为75°~90°.
3)粗糙度与分形维数之间的关系可用JRC=
a(D-1
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