岩体节理概述(Rock Joints)

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1 引言

在岩石工程设计时，不论是采用经验设计方法还是数值模拟方法，首先需要判别岩体的特征(Characterization of rock mass)。岩体主要由两大部分组成：一部分是完整的岩石(intact rock)和小尺寸的肉眼不可见的微观裂隙，另一部分是可能包含或不包含填充物的大尺寸不连续，例如断层和节理。根据完整岩石和不连续体的特性，岩体的特征考虑了岩块(rock blocks)、岩桥(rock bridges)、不连续体产状(discontinuity orientation)、不连续体间距(discontinuity spacing)，不连续贯通度(discontinuity persistence)，不连续组数(number of discontinuity sets)，不连续面强度(discontinuity wall strength)，不连续体张开度(discontinuity aperture)、不连续的填充物(discontinuity infilling)等。Wyllie(2017) 用图形显示了上面提及的节理岩体的特性。

任何工程系统，当施加在系统上的外力达到系统构件的固有强度时，系统的力学破坏都发生在最薄弱的部件或连接处，即控制截面。对于岩体来说，这些控制截面是岩体内的不连续面，包括节理，断层，层理，矿脉，软弱的填充物、片岩等。不连续的特性(产状、间距、强度、贯通度、粗糙度，含水量等）对岩体的强度和变形有很大影响，需要通过详细的现场测绘来准确地描述这些特性。不连续面也更容易受到风化和腐蚀的影响，因为它们是地下水和其他腐蚀性液体的通道。因此，量化不连续体对节理岩体力学性能的影响非常重要。

2 节理粗糙度

由于节理对岩体的整体力学和水力学行为有重大影响，因此在实验和分析方面都是一个广泛研究的课题，这些研究帮助我们更好地理解断裂岩体的行为，这对岩石工程应用至关重要。岩石节理和断裂影响边坡、隧道和地下开挖的稳定性，分析和实验研究已经考察了岩石节理的各个方面，如其强度、刚度、变形行为、水力特性等等，以更好地了解岩体的整体行为。

一个由AI生成的节理化岩体(GSI=70)

节理是两个岩石表面之间的界面，节理的水-力学行为主要由两个表面的粗糙度控制[Joint Fluid Flow]。节理面粗糙度是控制岩石节理水-力学行为的关键因素之一，包括分形法在内的各种指标都被用来量化节理表面粗糙度[(2022) Unveiling the mystery of scale dependence of surface roughness of natural rock joints]。节理粗糙度是节理变形的关键因素之一，有许多研究进行了节理在法向和剪切载荷下的变形特征，包括试验室测试和数据数值模拟，早期的研究参看[(1983) Fundamentals of Rock Joint Deformation]。在Q和RMi分类中，节理粗糙度系数jr(joint roughness factor)表示节理表面的不平整度，它由节理表面的光滑度(js)和节理壁的波动度(jw）组成;【岩体强度计算: RMi---Rock Mass index】

3 节理剪切

此外，已经进行了大量的实验测试来研究岩石节理的剪切行为【节理的强度和刚度属性(Joint Properties)】，并提出了一个分析模型来估计岩石节理的剪切强度，该模型包括初始节理凹凸不平的分布、凹凸不平的角度和强度。两个岩石表面之间的空间可能含有粘土矿物或矿物涂层，会影响岩石节理的水-力学行为。采矿工程师、地震学家和地质科学家对节理的动态特性也非常感兴趣，他们可以通过节理来描述不连续岩体的动态力学行为[(2009) Experimental study of stress wave propagation across a filled rock joint]。岩石节理的存在也会大大影响地下隧道的稳定性，已经进行了一些研究来评估其影响[(2016) Evaluation of the Effect of Rock Joints on the Stability of Underground Tunnels]。最后，有节理的岩体由于节理的剪切刚度很低，所以剪切模量很低，各向异性的轴线通常是沿着最薄弱的节理或垫层平面。

(2019) Mechanical Properties and Failure Modes of Rock Specimens with Specific Joint Geometries in Triaxial Unloading Compressive Test

4 不连续组数(Discontinuity Set)

过去几十年里，研究者们一直试图用简单的经验评价系统尽可能多地包含上述影响因素，例如RMR，Q-System和GSI等。不过对于数值模型，完全包含这些因素显然是不可能和不现实的。在一个数值模型中，首要的任务是确定出具有显著影响的节理或断层组数(number of discontinuity sets)。

表征不连续的第一步是根据产状将不连续分成若干组，然后确定出哪些组对岩体结构(例如边坡或矿柱)的稳定性最不利. 通过收集地表和地下的测绘数据可以确定出不连续组数。不连续的产状使用倾向和倾向来表示。其中赤平极射投影是最常用的不连续统计方法。赤平极射投影可以准确地绘制产状数据的空间分布，识别主要的不连续集，而且更便于进行运动学分析(kinematic analysis.txt)。Fisher分布用于量化不连续集平均方向的分散性。Fisher分布是正态分布的三维对称类似物，通常用于模拟围绕均值的给定离散的优先方向。DIPS是非常好的节理产状统计软件，尽管3DEC内也嵌入了类似的功能。

  s = fracture.template.orienttype(template)fracture.template.orienttype(template) = s

当决定了每组控制节理的产状后，需要对其属性赋值，这些属性值作为产生DFN模型的输入参数。三个主要命令如下：

fracture attribute

fracture contact-model

fracture property

来源：计算岩土力学

Mechanical System Deform 断裂岩土 3DEC 控制试验

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首次发布时间：2023-05-09