文档介绍：第??卷第?期????年?月上海力学????????????????????????????????????????岩石节理粗糙面的分形几何特性与剪切强度关系的实验研究杜守继江崎哲郎蒋宇静孙钧?九州大学工学部环境系统研究中心??同济大学地下建筑与工程系?提要自然形成的岩石节理面的表面形状具有分形特性利用分形理论来描述岩石节理的粗糙特性并确立与岩石节理面的剪切力学特性间的关系对于指导岩体工程设计施工和管理具有重要意义本研究利用开发设计的三维激光测距仪在精确测定岩石节理面的表面形状的基拙上依据变量图法建立了新的岩石节理面的分形几何模型模型中的两个分形参数?振幅?和分形维数?分别定量表述了岩石节理面表面形状的两个几何特性?一级倾抖度和高级次起伏度?在此基础上进一步提出了由这两个分形参数组合得出的代表岩石节理面表面粗糙特性的平均粗糙角?的概念和计算方法其次在岩石节理面剪切强度实验基拙上应用新的分形模型建立了剪切强度和分形参数及平均粗糙角?的定量关系关键词岩石节理面分形几何模型平均粗糙角?剪切强度?引言地球中大量的岩体内存在着破裂在进行岩体边坡和地下洞室的稳定性分析以及放射性废弃物的地层处理的水理学研究时仅仅以岩体为研究对象是不够的岩体内包含的节理和不连续面的状态特别是其力学和水理学特性对岩体边坡和地下工程的设计施工和管理起着决定性的影响长期以来众多的研究学者已认识到自然岩石节理面的表面粗糙特性对其力学行为来讲非常重要为此提出了许多方法来定量描述节理面的表面形状????????????在其早期的工作中已把节理粗糙度作为一个参数并与基本摩擦角共同组成了峰值剪切摩擦角节理的剪切强度可表示为????必????式中?被定义为节理的破裂角对坚硬的节理来讲?值不是常数它随剪切位移和法向应力的增加而减少此后大量的研究集中在通过寻求具有代表性的?值来定量描述节理粗糙特性?????????等学者对自然岩石节理面作了大量实验工作提出了下式所示的剪切强度的经验关系式?皿?, ?, ??舒?‘????本文收到日期????年?月??日第?期杜守继等岩石节理粗糙面的分形几何特性与剪切强度关系的实验研究式中???是描述节理表面粗糙特性的粗糙度系数?邵是节理壁面压缩强度是法向应力通过对???个节理试样?长?????进行系列的剪切实验节理面被分成??????的??个标准粗糙线并被乃尺对采用作为国际标准由于???值的确定方法中存在主观或经验因素因此寻求客观而有代表性的岩石节理面粗糙特性的定量描述就成为众多学者的研究目标自????巧以??蚝??????提出分形几何理论以来自然界中各种各样无规则的无法由欧氏几何理论表述的复杂物体即可用分形几何学理论定量表述总结最近发表的论文可以发现分形几何学理论在不连续性岩体中的应用集中在两个方面???岩体断层裂隙面的分形描述?即用分形维数表示裂隙面的迹线????长断层的破碎幅和裂隙面密度的空间分布等在这方面日本的大野博之等??????学者作了大量的研究工作???岩石节理面粗糙形状的分形描述???政??????玩???????曲????????等学者建立了???值和分形维数间的经验关系式??????????????????等学者应用变量图?????出?法分析了岩石节理面的分形特性匕述的研究工作仅仅局限在岩石节理面粗糙形状的分形描述或寻求???值和分形维数间的经验关系?然而在岩体工程实践中更重要的是要在岩石节理面粗糙形状的分形描述基础上定量表述和预测岩石节理面的剪切力学特性和水理学特性本研究首先开发设计了大小两种尺度的高精度激光测距仪并采用此测距仪精确测定岩石节理面的表面粗糙形状和进行数值化表达在此基础上建立了岩石节理面的新的分形几何模型并结合岩石节理面剪切实验详细探讨了应用分形模型中的分形参数来定量表述岩石节理面的剪切强度特性的有效方法?岩石节理面的分形几何模型??岩石节理面的分形描述的传统方法一般地在一个度量空间中的一个维数包含着一个线段???的几何特性的信息分形维数提供了关于一个线段????占据多大空间的描述它是在一个非常小的尺度上显示的一个线段????不规则粗糙的测度从几何统计学观点来看岩石节理面显示出由自然界两个基本几何特性的随机过程?随机方面粗糙面在空间以随机方式变化而且无确定的空间函数来描述此几何形式??结构方面粗糙面的方差??面二???不是完全独立于他们的空间位置但两者之间的关系取决于测点距离假设一个变量??幼的单值函数????能满足上述两个几何性质在自然的节理粗糙线上??幼值随的变化而以随机方式变化粗糙面的变化独立于它的位置的凹凸高度的变化方差侧耐被定义为由一段距离?分割的两测点高差的均方量??“卜武甘仁??一“, ??一,」???式中???为点处不连续面粗糙线的高度??为两测点间的水平间距??为测点总数公式???所描述的粗糙