[发明专利]一种考虑节理宏细观形貌的剪切强度模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种考虑节理宏细观形貌的剪切强度模型的构建方法，其包括如下步骤：获取节理试样节理表面二维轮廓线；获取节理表面形貌离散处理图像及节理表面二维轮廓线的坐标数据矩阵；获取节理宏观起伏度特征；获取节理细观粗糙度特征；获取节理峰值剪胀角i_p与节理宏观起伏度特征及节理细观粗糙度特征的关系；将节理峰值剪胀角i_p代入经典Patton强度模型中，获取考虑节理宏细观形貌的剪切强度模型。本发明通过分离出节理宏观起伏度特征分量及节理细观粗糙度特征分量，实现对节理宏观形貌及节理细观形貌的分离重构，并分别考虑节理宏观起伏度特征、细观粗糙度特征对节理剪胀的贡献，进而建立考虑节理宏细观形貌的剪切强度模型，能够有效预测节理剪切强度。

技术领域

本发明涉及工程技术领域，尤其是涉及一种考虑节理宏细观形貌的剪切强度模型的构建方法。

背景技术

大量的岩体工程实例表明工程岩体的变形和破坏与岩体结构面物理力学性质息息相关，表面形态作为描述节理的重要因素，在很大程度上也决定了其剪切强度。而自然节理的表面形态具有复杂多变、起伏度与粗糙度不均一性明显的特点。国际岩石力学学会提出节理的形态是由大尺度(宏观)波动形态与小尺度(细观)非均匀体共同表征。

现有技术中，一般按宏观起伏度和细观粗糙度两级形态来描述节理表面形态模型，分类界限不明确，且没有说明采用两级形态的确定方法，不便于实际应用。

节理表面形貌由较大尺寸的宏观起伏度和大量小尺寸的细观粗糙度叠加而成^[1]，Li et al.^[2]指出，宏观起伏度和细观粗糙度在很大程度上影响节理的摩擦学行为，应该区分宏观起伏度和细观粗糙度各自对剪切强度的贡献。

节理表面形貌包含各种频率信号，也包括几乎没有任何周期或频率特征的突起等局部特征。高斯滤波方法在时域和频域上同时具有良好的局部化能力，多分辨率的特性使其可以提取信号中任意细节的信息，徐磊et al.^[3]以花岗岩节理二维轮廓线为例，利用Matlab内置的分析工具箱实现了二维表面轮廓线的稳态一阶起伏度和稳态二阶粗糙度的分离，但文中并没提到采用该方法得到的稳态一阶起伏度描述参数震荡的消除方法，其提取精度仍有待进一步深入研究。Barton^[4]的10条二维表面轮廓线(标准JRC曲线)，因其形式简洁，工程实用性强，较好地表征了不规则节理表面粗糙程度，成为目前应用最为普遍的节理形貌模型，并被国际岩石力学学会(ISRM)列入推荐方法。

以上研究，尚未明确节理宏观起伏度特征、细观粗糙度特征的确定方法，对于宏、细观两级形貌要素对节理剪切强度的贡献大多还停留在定性认识阶段，缺乏系统深入的定量研究，更没有同时考虑宏观起伏度特征与细观粗糙度特征的具体模型。由于节理宏观起伏度特征与细观粗糙度特征，对节理剪切力学性质存在显着差异，为了明确宏观起伏度特征与细观粗糙度特征对节理抗剪强度的贡献，迫切需要建立一种考虑节理宏细观形貌的剪切强度模型。

[1]Belem T,Souley M,Homand F.Modeling surface roughness degradationof rock joint wall during monotonic and cyclic shearing.ActaGeotechnica.2007；2:227-48.

[2]Li Y,Oh J,Mitra R,Hebblewhite B.Aconstitutive model for alaboratory rock joint with multi-scale asperity degradation.Computers andGeotechnics.2015；72.doi:10.1016/j.compgeo.2015.10.008

[3]徐磊,任青文,叶志才,杜小凯.基于小波分析的岩体结构表面形貌各向异性研究.武汉理工大学学报.2010；32:73-6.