[发明专利]一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统

说明书

本发明为一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统，该方法包括：(1)采集天然岩体结构面样品，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作类岩石材料；(2)制作与该结构面样品具有相同表面形态和相似力学性质的一组人工模拟结构面试样；(3)建立人工模拟结构面试样初始三维高程模型；(4)针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验；(5)建立对应不同剪切位移的所述结构面试样表面几何形态演化模型；(6)基于粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律。本发明为揭示剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律的研究提供一种新途径。

技术领域

本发明一般涉及接触面剪切特性试验研究领域，尤其涉及一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统。

背景技术

结构面在一定程度上控制岩体稳定性，岩体整体强度及变形性质与结构面的力学性质紧密相关。剪切过程中结构面的强度及变形等宏观力学性质的研究具有重要意义。结构面表面形态在一定程度上控制着结构面抗剪强度及剪切变形等宏观力学性质。研究剪切过程中结构面表面细观形态演化与结构面抗剪强度及变形等宏观力学性质的相关性，是揭示结构面剪切破坏机制进而提出结构面峰值抗剪强度准则的有效途径。

岩体结构面的剪切破坏演化机制研究亦是揭示其强度及变形等力学性质的基础。然而，岩体结构面剪切破坏的影响因素较为复杂，包括结构面法相荷载、粗糙度、壁岩力学性质等，要揭示这些因素各自对结构面剪切破坏机制的影响较为困难，以致针对结构面剪切破坏演化机制的研究，所取得的成果仍相对较少。

室内试验是进行结构面剪切过程中结构面形貌和力学性质演化研究的最直接的手段，然而现有的试验装置和方法中，难以直接监测剪切破坏过程中天然结构面内部变形破坏规律。针对剪切破坏过程中结构面表面形态的演化机制，现有研究多是基于室内试验仅分析结构面在剪切破坏前后表面形态变化；或通过数值试验实现结构面剪切破坏全过程模拟，而仅对比室内试验剪切破坏前后结构面形态变化以验证数值模拟效果。因此，鲜有基于室内试验直接揭示剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律的研究。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统，以直接揭示剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律。

根据本发明的一实施例，本发明提出了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，采集天然岩体结构面样品，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料；

步骤S2，根据所述类岩石材料以及所述参数配比，利用人工模拟结构面模具复制所述结构面样品，制作与所述结构面样品具有相同表面形态和相似力学性质的一组人工模拟结构面试样；

步骤S3，采用三维激光扫描仪采集人工模拟结构面试样的表面点云数据，建立其表面初始三维高程模型；

步骤S4，针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验；

步骤S5，应用三维激光扫描仪采集剪切后的各结构面试样的表面点云数据，建立剪切后的三维高程模型，基于所述初始三维高程模型以及剪切后的三维高程模型建立所述结构面对应不同剪切位移的所述结构面试样表面几何形态演化模型；

步骤S6，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中所述结构面表面形态演化规律。

优选的，所述基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料，具体包括，通过调整硅酸盐水泥、石英砂、石膏和水的配比，以获取抗压强度、泊松比和弹性模量均和天然岩石相似的类岩石材料。