This application discloses an analytical method and a test system for studying the coupling mechanism of shear and seepage on joint surface. The analytical methods include: making samples by using rock joint surface die; conducting rock joint shear tests under different boundary conditions for several samples to obtain the macro-properties and characteristic values of joint surface shear; and monitoring joint surface by acoustic emission during shear tests. Meso-evolution law and energy characteristics of failure process of rock blocks and anchorage structures on joint surface; scanning joint surface with three-dimensional laser scanner before and after shear test, obtaining fractal dimension and calculating fracture characteristics and properties parameters quantitatively by fractal method; obtaining hydraulic opening formula of joint through fractal dimension; combining macroscopic shear property of joint surface; The fractal dimension of joint surface is used to characterize the hydraulic coupling mechanism of rock joint surface.
【技术实现步骤摘要】
一种研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法及试验系统
本公开一般涉及地下工程试验领域，特别涉及一种研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法及试验系统。
技术介绍
节理岩体是地下洞室、隧道、采矿、水利水电和边坡等各种岩体工程中经常遇到的一种复杂岩体。在地质作用过程中，岩体中产生了大量不同规模的节理。与完整岩块相比，节理面的抗剪强度较低，是岩体中的弱面，因而岩体的力学性质在很大程度上取决于节理的剪切力学性质。在实际工程中，节理面在渗流耦合作用下的剪切的发生过程有多种因素共同作用，法向荷载、剪切荷载及岩石材料、节理面三维形貌等因素都对节理剪切有影响。室内试验是进行节理剪切过程中节理面形貌和力学性质演化研究的最直接的手段，然而现有的剪切渗流耦合试验装置和方法中，无法对具有天然节理的岩石试件进行高精度的重复试验，也无法准确获取天然节理面在不同边界约束条件下变形破坏的实际情况。此外，当前对渗流耦合作用下的节理面剪切试验相关研究往往是对节理面剪切破坏过程单一方面的研究，很少有对节理面剪切破坏过程进行全方面研究的方法和技术，不利于对岩石节理面剪切破坏过程进行系统研究。
技术实现思路
鉴于现...
【技术保护点】
1.一种研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：采用取模材料拓取印制天然岩石节理面表面形态，并制作天然岩石节理面复制模具，利用所述岩石节理曲面模具制作若干与所述天然岩石具有相同表面形态和力学参数的类岩石材料试样；对所述若干类岩石材料试样控制不同的边界条件进行岩石节理剪切试验，记录节理面剪切试验曲线，获取宏观性质参数和特征值，并对比分析节理面几何性质、力学参数、边界条件和锚固结构的影响规律；所述剪切试验过程中采用声发射监测节理面表面、节理面上下岩块和锚固结构破坏过程的细观演化规律和能量特征；进行剪切试验前后分别用三维激光扫描仪进行节理面扫描，记录剪切前...
【技术特征摘要】
1.一种研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：采用取模材料拓取印制天然岩石节理面表面形态，并制作天然岩石节理面复制模具，利用所述岩石节理曲面模具制作若干与所述天然岩石具有相同表面形态和力学参数的类岩石材料试样；对所述若干类岩石材料试样控制不同的边界条件进行岩石节理剪切试验，记录节理面剪切试验曲线，获取宏观性质参数和特征值，并对比分析节理面几何性质、力学参数、边界条件和锚固结构的影响规律；所述剪切试验过程中采用声发射监测节理面表面、节理面上下岩块和锚固结构破坏过程的细观演化规律和能量特征；进行剪切试验前后分别用三维激光扫描仪进行节理面扫描，记录剪切前后节理面表面的几何形貌，通过剪切前后几何形貌特征对比分析节理面表面破损情况，采用分形方法获取分形维数、定量计算节理面破损特征和性质参数，获取节理面表面破损的几何演化特征，建立结构面表面几何形态演化模型；通过所述分形维数获取修正的节理水力开度计算公式：式中，bn：修正的节理水力开度；b：开度的算术平均值D：分形维数；c：接触面积比结合所述节理面剪切的宏观性质参数和特征值、所述剪切试验破坏过程的细观演化规律和能量特征、所述节理面表面破损的几何演化特征，精确表达渗流条件下节理面在剪切过程中变形破坏性质及其量化表征，应用所述节理面的分形维数表征岩石节理面的水力耦合机制。2.根据权利要求1所述的研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法，其特征在于，所述取模材料拓取印制天然岩石节理面表面形态，并制作天然岩石节理面复制模具包括：采用取模材料拓取天然岩石节理面表面形态，采用激光扫描仪对所述取模材料拓取的节理表面进行扫描，将节理表面的扫描图进行等比例缩放，建立节理表面数值模型；所述等比例缩放的比例尺结合类岩石材料力学性质参数、根据相似比理论确定。3.根据权利要求1所述的研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法，其特征在于，所述试样的制作方法为：通过调整白色硅酸盐水泥、石英砂、石膏和水的配比，获取单轴抗压强度、泊松比和弹性模量均与天然岩石相近的试样材料配比，按照所述材料配比制作试件并养护。4.根据权利要求1所述的研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法，其特征在于，所述获取节理面剪切宏观性质参数和特征值包括：获取剪切位移-剪切应力曲线、剪切位移-法向应力曲线、剪切位移-法向位移曲线、节理面剪切强度、节理面剪切残余强度。5.根据权利要求1所述的研究节理面剪切渗流耦合机理的分析方法，其特征在于，通过所述激光扫描，获取所述试件节理面的三维点集坐标，建立节理面表面数值模型，进而获取节理面剪切宏观性质参数和几何特征值，包括：对所述节理面的三维点集的Z坐标进行提取，通过计算每一列的坡度均方根Z2来计算节理面的粗糙度系数，所述坡度均方根和粗糙度系数JRC的计算公式分别为：其中，L为取样长度，z为表面轮廓线上点的高度，x为点的横坐标；利用所述三维点集、通过立方体覆盖法获取所述节理面的表面分形维数，计算过程及公式如下：在平面XOY上存在尺度为δ的正方形网格，网格的4个角点的高度分...
【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，肖智勇，张振松，蒋宇静，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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