經(jīng)歷剪切變形歷史的巖石節(jié)理表面形貌變化研究

1、經(jīng)歷剪切變形歷史的巖石節(jié)理表面形貌變化研究曹 平，梅慧浩，寧果果, 范 祥，劉新穎（中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）摘要：本文采用巴西劈裂法制成四組不同巖性的人工節(jié)理面，利用RYL600巖石剪切流變儀對節(jié)理進行不同垂直壓應力下的剪切試驗，并運用TALYSURF CLI 2000掃描儀在每次剪切前后對節(jié)理面進行掃描，計算了多個描述節(jié)理面形貌特征的三維參數(shù)值，通過三維參數(shù)值的變化定量分析了節(jié)理面細觀形貌的變化。研究結(jié)果表明：節(jié)理面抗剪強度的變化與節(jié)理面形貌變化有緊密聯(lián)系，經(jīng)歷四次剪切作用后，（1）節(jié)理面整體高度略微降低，各點間的高差縮??；（2）峰點密度減小，節(jié)理面的凹凸程度

2、降低；（3）節(jié)理表面形態(tài)的各向異性程度降低，節(jié)理面整體的傾斜程度降低；（4）對于節(jié)理面的同一變化，不同參數(shù)反映的角度和變化的幅度都不同,隨垂直應力的增加，各次剪切作用后節(jié)理面的形貌變化量逐漸減小，形貌趨于平整。關(guān)鍵詞：巖石節(jié)理；剪切試驗；三維形貌參數(shù)；細觀形貌；變化中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：Evolution Analysis of Surface Topography of Rock Joints Under Different Shear Deformation HistoriesCAO Ping, MEI Hui-hao, NING Guo-guo，F(xiàn)AN Xian

3、g，LIU Xin-ying(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Four diverse characters of artificial rock joints were made by Brazilian tests, shear tests of rock joints under different normal stresses were conducted with RYL600 rock shear-rheol

4、ogical instrument, moreover, the surface of each joint was scanned prior to and after each shear test with the scanner instrument TALYSURF CLI 2000. A series of 3D parameters were obtained, the meso-level topography evolution of rock joint surfaces are quantitatively analyzed through the value alter

5、ations of the 3D parameters. The results indicate that the alteration of shear strength has obvious relations with the alteration of joint surface topography, (1) the whole height of joints lowered slightly after four shear tests, and the altitude differences of points lowered; (2) the density of pe

6、aks decreased, the unevenness of joint surfaces decreased; (3) the anisotropy degree of joint surfaces decreased, and the incline of joint surfaces decreased；(4) with regard to the same alteration of joint, the angle and extent that different parameters reflect were different. The topography evoluti

7、on of joint surface decreased with the alteration of normal stresses, the surface topography tends to be steady gradually.Keywords: rock joints; shear test; 3D topography parameter; meso-level topography; alteration8 / 8文檔可自由編輯打印1 引言巖體工程中存在著大量的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，節(jié)理巖體的破壞大部分是因巖體內(nèi)部節(jié)理面的張開、擴展引起的，結(jié)構(gòu)面的力學特性對巖體的變形和破壞

8、起著控制作用，而節(jié)理表面形貌是影響節(jié)理力學性質(zhì)和變形特征的重要因素，因此，對節(jié)理面形貌的測試和定量描述是研究節(jié)理剪切強度的關(guān)鍵方法之一。夏才初等1-4對定量描述節(jié)理形貌的二維參數(shù)和三維參數(shù)的方法進行了研究，從統(tǒng)計學角度提出了描述節(jié)理面形貌的參數(shù)；周宏偉等5-6對巖石節(jié)理的表面形態(tài)特性進行分析研究；周文等7-9利用數(shù)值模擬和進行室內(nèi)剪切試驗的研究方法研究節(jié)理面的抗剪強度與垂直應力、剪切速率等之間的關(guān)系。杜守繼等10-12對節(jié)理進行多次剪切試驗研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷剪切變形歷史后，節(jié)理面的抗剪強度減小，節(jié)理面的粗糙特性下降。Unal、Homand等13-14研究剪切荷載下的巖石節(jié)理表面特性的變化，并提出了

9、描述節(jié)理面形貌變化的相關(guān)參數(shù)。以上研究的內(nèi)容各有側(cè)重，但對經(jīng)歷多次剪切的節(jié)理面的形貌細觀變化特征卻未展開研究。綜上所述，本文從節(jié)理面細觀形態(tài)的研究角度出發(fā)，利用世界上表面形態(tài)測量領(lǐng)域出色的英國Taylor Hobson公司生產(chǎn)的Talysurf CLI 2000三維表面激光形貌儀，對經(jīng)歷多次剪切作用的巖石節(jié)理進行掃描，并借助該儀器附帶的Talymap Gold分析軟件對定量描述節(jié)理表面形態(tài)的三維參數(shù)進行計算，研究經(jīng)歷不同剪切歷史的節(jié)理表面形貌的具體變化特征。2 剪切及掃描試驗簡介采用巴西劈裂法制成人工節(jié)理，節(jié)理面的表面尺寸全部為50mm×50mm。選取表面較粗糙的四組巖石節(jié)理面，以便

10、進行試驗比較。剪切試驗采用 RYL600 微機控制巖石剪切流變儀。在剪切試驗中，先把巖石試件放在剪切臺上，并保證上下節(jié)理面耦合狀態(tài)良好，防止傾斜和錯動。然后在垂直方向加載到設(shè)定的垂直應力，接著保持垂直應力恒定，固定巖石試件下半部分，沿著預先設(shè)定的剪切方向，以剪切速率3mm/min對巖石上半部分施加水平剪切力，達到設(shè)定的剪切位移后，對垂直方向進行卸載，完成剪切試驗。試驗過程中的加卸載操作均由計算機控制，軟件Test則對剪切過程中的法向應力、剪切應力、剪切位移等數(shù)據(jù)進行記錄和存儲。對每個節(jié)理分別進行垂壓為1MPa、1.5MPa、2MPa、3MPa的剪切試驗。每次剪切試驗前后利用Talysurf C

11、LI 2000對巖石節(jié)理面進行形態(tài)掃描測量。測量時，設(shè)定掃描精度為0.5um,先把試件固定在試件平臺上，以矩形的對角點為準確定節(jié)理面的掃描范圍，取x軸平行于掃描線方向，y軸正交于x軸，z軸垂直于xy平面。當試件平臺沿x軸方向移動時，每隔0.5um取一個點，測到一條掃描線的末尾時，沿y軸正方向步進0.5um，開始測量沿x軸方向的新掃描線，直到完成整個測量區(qū)域的掃描。掃描儀在掃描過程中不會對試件表面有任何損害，掃描結(jié)果可真實的反映節(jié)理的表面形貌。(a)巴西劈裂法制成的人工節(jié)理(b)水泥澆注制成的剪切試件圖1 巖石節(jié)理試樣Fig.1 The specimens of rock joint3 節(jié)理表面

12、三維形貌參數(shù)描述3.1 表面形貌的紋理特征參（函）數(shù)由于表面形貌參數(shù)的獲取是按照時間順序?qū)Ρ砻嫔系狞c進行逐一掃描后得到的，所以不同觀測點上的誤差項彼此相關(guān)，得到的各參數(shù)的隨機誤差項存在自相關(guān)現(xiàn)象。在存在自相關(guān)的情況下，普通最小二乘法將低估各參數(shù)值。因此在用TalyMap5.0軟件進行數(shù)據(jù)計算前，要先對掃描圖像進行自相關(guān)處理，以達到真實客觀的反映節(jié)理表面形態(tài)的效果。(1)紋理形貌比率Str：這個參數(shù)是掃描圖像在經(jīng)過自相關(guān)處理后，長度減小的最小值與長度減小最大值的比值，該參數(shù)的值域為0,1。如果參數(shù)值接近于1，表明節(jié)理表面形態(tài)各向異性度較低，如果這個參數(shù)值接近于0，則表明節(jié)理表面形態(tài)各向異性度較高

13、，即表面有一個主向或周期性構(gòu)造。(2)紋理方向角Std：這個參數(shù)反映了表面紋理的主要傾斜方向，這個參數(shù)只有在Str值小于0.5的情況下才有對比參考價值。如果表面具有兩個或更多的傾斜方向，這個參數(shù)表示最大的傾斜方向的角度。這個參數(shù)取值以逆時針方向為正，范圍為0°到360°，本文以平行于最小二乘面的傾斜方向為0°。(3)峰點密度Spd15：表示單位面積內(nèi)的峰點個數(shù)。峰點的選擇依據(jù)是：節(jié)理表面上被掃描的點中任意一點的高度大于其相鄰八個點的高度時，該點被視為一個峰點。通過對表面上所有的峰點個數(shù)進行統(tǒng)計，然后除以表面面積，即得到表面的峰點密度。(4)峰點算術(shù)平均曲率Spc

14、15：掃描儀掃描到每個峰點時，對其曲率進行記錄，得到每個峰點的曲率，然后求取所有峰點的曲率的算術(shù)平均值，即得到節(jié)理面峰點算術(shù)平均曲率值。3.2 表面形貌的高度特征參（函）數(shù)(1)算術(shù)平均偏差Sa 16：在取樣面積內(nèi)，被測表面上各點到基準面距離（高度z(x,y)的絕對值）的算術(shù)平均值。其連續(xù)形式為： （1）算術(shù)平均偏差參數(shù)概念直觀，是反映節(jié)理面高度特征的一個重要參數(shù)。但此參數(shù)只能反映各點高度偏離基準面的絕對值平均情況，其大小不能反映表面形貌的離散性和波動性。(2)輪廓均方根偏差Sq16：在取樣面積內(nèi)，被測表面上各點到基準面距離平方和的平均值的平方根，其連續(xù)形式為: （2）輪廓均方根偏差不但與每一

15、測點相對于基準面的高度有關(guān)，重要的是對其中較大和較小的高度值較為敏感，因此，能反映出表面形貌的離散性和波動性。(3)峰態(tài)系數(shù)Sk16：高度分布概率密度函數(shù)的四次矩與均方差四次方的比值，表示概率的分散或集中程度，其概率形式為： （3）峰態(tài)系數(shù)描述形貌高度分布的形狀，是形貌高度分布的峰度和峭度的度量。當高度分布曲線為正態(tài)時，Sk=3；若Sk<3，則為低峰態(tài)或負峰態(tài)，表示高度分布的概率分散；若Sk>3，則為高峰態(tài)或正峰態(tài)，表示高度分布的概率集中。4 節(jié)理面細觀形貌變化分析根據(jù)剪切試驗得到不同巖樣的節(jié)理面在經(jīng)歷不同剪切歷史后的剪切應力-剪切位移曲線。由于篇幅所限，本文選取四組巖樣中試驗控制

16、較好的兩種巖樣進行分析。4.1 剪切應力-剪切位移曲線分析(a)大理巖(b)斜長巖圖2節(jié)理剪切應力-剪切位移曲線圖Fig.2 Relationship between s and us圖2描述了兩種巖石節(jié)理在不同垂直應力下的剪切特性。根據(jù)軟件Test記錄的數(shù)據(jù)得出表1中的各個抗剪強度值。由圖2及表1中數(shù)據(jù)可知，大理巖和斜長巖節(jié)理的峰值抗剪強度和殘余抗剪強度都隨著垂直壓應力的增大呈近似線性增長趨勢，增長幅度逐漸減小，若節(jié)理面的形貌特征保持不變，則節(jié)理面的抗剪強度應隨垂直壓應力的增加呈正比例增加趨勢，顯然在四次剪切試驗過程中，節(jié)理面的表面形貌發(fā)生了變化。從表1中還可以看出：節(jié)理面的峰值抗剪強度和殘

17、余抗剪強度間的差值隨垂直壓應力的增大而減小，這是由于在經(jīng)歷剪切作用后節(jié)理面的表面形態(tài)變得平穩(wěn)、光滑，從而在下次剪切時需要克服的摩擦阻力減小，在剪切曲線上表現(xiàn)為尖峰逐漸變小。從以上分析可見，在經(jīng)歷不同垂直壓應力作用下的剪切作用后，節(jié)理面的表面形態(tài)發(fā)生了變化，節(jié)理面的抗剪強度也隨之受到了影響。表1 節(jié)理面的抗剪強度表Table1 Shear strength of each joint巖樣抗剪強度垂壓1MPa垂壓1.5MPa垂壓2MPa垂壓3MPa大理巖峰值(MPa)0.851.241.562.06殘余(MPa)0.621.051.452.01斜長巖峰值(MPa)1.562.172.643.23殘

18、余(MPa)1.151.872.453.134.2 節(jié)理面形貌的變化特征分析表2 節(jié)理表面形貌的三維參數(shù)表Table2 3D parameters of joint surface topography巖樣名稱紋理形貌參數(shù)第一次剪切前第一次剪切后第二次剪切后第三次剪切后第四次剪切后大理巖Sa(mm)0.1540.1350.1270.1220.118Sq(mm)0.1870.1630.1470.1410.136Sk3.9563.9673.9763.9913.995Spd (1/mm2)0.4740.4310.4160.4040.395Spc (1/mm)1.4671.0360.8970.7840

19、.712Str0.3210.3550.3760.3840.391Std (°)28.6428.1427.7527.4327.18斜長巖Sa(mm)0.1890.1750.1630.1560.152Sq(mm)0.2270.2030.1880.1760.168Sk4.4324.4454.4564.4634.468Spd (1/mm2)0.5860.5270.4950.4780.472Spc (1/mm)2.2471.8751.6431.5321.497Str0.2570.2930.3150.3240.329Std (°)36.4535.7435.2735.1335.05 圖3

20、 斜長巖三維參數(shù)值與垂直應力的關(guān)系曲線Fig 3 Alteration of plagioclase normal stresses with 3D parameters參數(shù)Std的擬合二項式曲線為,（大理巖各三維參數(shù)擬合的曲線與圖3有相似的規(guī)律）。(1)算術(shù)平均偏差Sa、輪廓均方根偏差Sq、峰態(tài)系數(shù)Sk這三個參數(shù)值的變化規(guī)律。在垂直應力為03MPa的區(qū)間內(nèi)，這三個參數(shù)與垂直應力呈近似二次函數(shù)關(guān)系，從曲線上可以看出Sa、Sq減小和Sk增大的幅度都逐漸降低。Sa、Sq值的減小說明節(jié)理面經(jīng)過剪切作用后，表面各點高度平均偏離基準面的程度逐漸減小，表面形貌的離散性和波動性降低。Sk值的增大說明經(jīng)過剪切

21、作用后，節(jié)理面各點高度值分布更趨于接近和集中。這三個參數(shù)的變化是節(jié)理面細觀形貌變化的反映：剪切過程中，節(jié)理面在垂直應力和水平應力的作用下較明顯的尖銳凸起體被剪斷或屈服，高度發(fā)生明顯改變；大部分高度較低的峰點被摩擦擠壓，最高點被損耗或剪短，高度略微下降，而大部分的低點則高度基本不變。節(jié)理面在經(jīng)歷數(shù)次剪切作用后，尖銳的、突出的點被摩擦削平，節(jié)理面整體高度略微下降，節(jié)理面上各點間的高度差縮小，節(jié)理面形貌的離散性和波動性降低。(2)峰點密度Spd、峰點算術(shù)平均曲率Spc兩個參數(shù)的變化規(guī)律。在垂直應力為03MPa的區(qū)間內(nèi)，這兩個參數(shù)與垂直應力都呈近似二次函數(shù)關(guān)系，Spd、Spc逐漸減小，且曲線上各點切線

22、的斜率逐漸減小。說明在經(jīng)歷剪切作用后，節(jié)理面單位面積內(nèi)的峰點個數(shù)減少，峰點的曲率半徑增大，峰點最高處由尖銳的點逐漸向彎曲的面過渡。這兩個參數(shù)的變化是節(jié)理面細觀形貌變化的反映：在剪切過程中，對剪切起阻礙作用的凸起體遭受剪斷破壞，節(jié)理表面相鄰點間的高差減小，具有協(xié)調(diào)性，局部區(qū)域峭度降低，峰點的個數(shù)減少，剪切前尖銳的峰點在垂直應力和剪切應力的作用下，最高點被剪短、摩擦損耗，形態(tài)從突出的點向光滑的面演化，從而節(jié)理表面的凹凸程度降低，形貌趨于平坦。圖4 剪切作用前后斜長巖節(jié)理表面形貌效果圖Fig 4 Each 3D scanning image of plagioclase joint surface

23、(3)紋理形貌比率Str、紋理方向角Std這兩個參數(shù)的變化情況。在垂直應力為03MPa的區(qū)間內(nèi)，這兩個參數(shù)與垂直應力呈近似二次函數(shù)關(guān)系，且曲線上各點切線的斜率逐漸減小。Str的增加，說明節(jié)理面的形態(tài)各向異性降低，在不同方向的形態(tài)差異逐漸縮小。Std值的降低，反映節(jié)理面主要傾斜方向的紋理的傾斜程度降低。這兩個參數(shù)的變化是節(jié)理面細觀形貌變化的反映：在剪切過程中，各點間高差的降低是點與點形態(tài)逐漸相似的一個原因，此外，節(jié)理面上的部分點受到其他被屈服點的擠壓作用，凸起和凹陷的點局部融合而形成具有起伏度的微小曲面，特殊點的特別形態(tài)逐漸消失，各點在每個方向的形態(tài)差異減小。此外，節(jié)理面上具有方向性的微小褶曲在

24、剪切過程中被碾平，進一步降低了節(jié)理面形態(tài)的各向異性。節(jié)理面主要傾斜方向的紋理整體高度較高，在剪切過程中突出的點被削弱，凸起的褶曲被碾平，整體高度出現(xiàn)微小的降低，相對于最小二乘面的傾斜程度也微小的降低。(4)在垂直應力為03MPa的區(qū)間內(nèi)，各參數(shù)與垂直應力都呈近似二次函數(shù)關(guān)系，曲線上各點切線的斜率逐漸減小，說明各參數(shù)值增大或減小的幅度逐漸降低。且各關(guān)系曲線的切線斜率不同，即針對節(jié)理面表面形態(tài)的同一變化，各參數(shù)的變化不同，可見各參數(shù)反映節(jié)理面的變化特征是有區(qū)別的。如圖4所示，第一次剪切前，節(jié)理面在平行于x軸方向有數(shù)條凸起的褶曲或凹陷的溝槽，表面的峰點形態(tài)比較尖銳，相鄰區(qū)域間的坡度較大，而在第一次剪

25、切后，一部分凸起的褶曲被剪斷、磨平，一部分尖銳的峰點被削低，以后每一次剪切后節(jié)理面都沿著這個趨勢變化，且第一次剪切后節(jié)理面形貌的變化最明顯，到第四次剪切后，節(jié)理面的褶曲和溝槽都被磨平，尖銳的峰點鈍化為光滑的面，節(jié)理面趨于平整、光滑。5 結(jié) 論通過對四組不規(guī)則粗糙度的人工節(jié)理面進行不同垂直壓應力下的剪切試驗，利用Talysurf CLI 2000三維表面激光形貌儀對剪切前后的節(jié)理面進行形貌掃描，定量計算出一系列描述節(jié)理面形貌的三維參數(shù)值，通過對比三維參數(shù)值的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：(1)分析Sa、Sq、Sk這三個參數(shù)值的變化規(guī)律，可知節(jié)理面在經(jīng)歷四次剪切作用后，尖銳的點高度降低明顯，節(jié)理面整體高

26、度略微降低，節(jié)理面上各點間的高度差縮小，各點高度值分布更趨于接近和集中，節(jié)理面形貌的離散性和波動性降低。(2)分析Spd、Spc這兩個參數(shù)的變化規(guī)律，可知節(jié)理面在經(jīng)歷四次剪切作用后，節(jié)理面峰點密度減小，峰點的形態(tài)從突出的點向光滑的面演化，節(jié)理表面的凹凸程度降低。(3)分析Str、Std這兩個參數(shù)的變化規(guī)律，可知節(jié)理面在經(jīng)歷四次剪切作用后，相鄰點間的形態(tài)相似度增加，點與點間的形貌聯(lián)系逐漸緊密，表面更趨于平坦；表面形態(tài)的各向異性降低；反映節(jié)理面主要傾斜方向的紋理的傾斜程度降低。(4)節(jié)理面在經(jīng)歷剪切作用后，各參數(shù)與垂直應力都呈近似二次函數(shù)關(guān)系，曲線上各點切線的斜率逐漸減小，隨垂直應力的增加節(jié)理面的

27、形貌變化量逐漸減小。各參數(shù)反映節(jié)理面形貌變化的特征有區(qū)別的，對于節(jié)理面形貌的同一變化，不同的參數(shù)反映的角度和變化的幅度都不同。本文的工作可為巖石節(jié)理剪切力學特性與節(jié)理面形貌的定量關(guān)系研究提供借鑒和參考。參考文獻(References)：1 XIA Cai-chu, SUN Zong-qi. joint mechanics of engineering rock massM. Shanghai: Tongji University Press,2002.夏才初，孫宗頎. 工程巖體節(jié)理力學M. 上海：同濟大學出版社，2002. 2 XIA Cai-chu,SUN Zong-qi,PAN Chang

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