基于3D 打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为_胥勋辉.pdf

第 48 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.1 2020 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group, Xi’an 710075, China Abstract Topography is an important factor affecting the shear behavior of joint. Furthermore, there are certain connections between the anisotropy of topography and the anisotropy of shear behavior. In this study, 3D laser scanning technology and 3D printing technology were used to make molds for simulating the topography of natural joint. Then, the cement mortar samples with dimension of 100 mm100 mm150 mm were cast, and shear tests with different shear directions under different normal stresses were conducted. The results indicate that obvious anisotropy has been shown in the joint shear behavior, which is reflected in the peak shear strength and the corre- sponding shear displacement and shear strength parameters, respectively. In addition, the anisotropy of the peak shear strength do not present simple monotone to the normal stress under low normal stress. The shear strength pa- rameters c and φ with different directions both show significant anisotropy, and the values of them have similar variation tendency. What’s more, the results also indicate that the shear direction has a stronger influence on the cohesion by analyzing the discrepancy of cohesion and internal friction angle compared to 0. Keywords joint; 3D laser scanning; 3D printing; shear strength; shear strength parameter; anisotropy 结构面的抗剪强度是结构面力学性质的一个重 要方面。许多工程案例表明，工程岩体失稳主要是 由于结构面的剪切破坏[1]。结构面的形貌特征是影 响结构面抗剪强度的因素之一，由于自然界中岩体 结构面的形貌特征呈各向异性，使之剪切力学行为 也呈现各向异性特征[2-5]。 为准确估计结构面的抗剪强度，学者们曾提出 一些考虑形貌特征的抗剪强度计算公式[6-9]，其中， N. Barton[8]于 1973 年提出的 JRC-JCS 峰值剪切强度 公式引入结构面粗糙系数 JRC 来表征结构面形貌对 ChaoXing 第 1 期 胥勋辉等 基于 3D 打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为 155 剪切强度的影响，因其形式较为简单，得到了广泛 的应用。大量剪切试验结果表明，结构面上不同方 位的起伏特征差异和法向应力的大小是使结构面剪 切力学行为呈各向异性的主要因素[10]，如 T. H. Huang 等[11]、J. G. Wang 等[12]、W. Kulatilake 等[13] 均将法向应力的影响纳入考虑范围；陈世江等[14]的 直剪试验结果表明在同一剪切方向上，结构面峰值 剪切强度与法向应力呈正相关；周辉等[15]指出结构 面粗糙度与峰值剪切强度二者的各向异性之间存在 正相关性，法向力的增加会造成结构面剪切力学行 为各向异性的弱化。 多年来，为了深入研究结构面剪切各向异性 的内在机理，诸多学者对抗剪强度参数的各向异 性特征进行了深入研究[16-18]，游志诚等[19]认为， 抗剪强度参数的各向异性特征可能存在规律性， 指出在同一剪切方向上当内摩擦角φ值越小时，黏 聚力 c 值越大。 以上研究成果对结构面剪切力学行为各向异性 虽然已有一定认识，但受结构面复杂形貌特征，试 样材料和尺寸等诸多因素影响，以往研究成果还不 足以描述复杂的剪切力学行为。 本文采用三维激光扫描技术和 3D 打印技术制 作结构面模具，并按一定配比浇筑了 8 组含结构面 的试样，开展了具有相同形貌特征的试样在不同轴 压及剪切方向条件下的室内直剪试验，深入研究了 结构面剪切力学行为的各向异性特征。 1 结构面形貌信息采集和模具的制作 1.1 结构面形貌信息采集 由于表面形貌完全一致的天然结构面难以采 集，且天然吻合的结构面亦不易获取[20]，为研究具 有同一形貌特征的结构面在不同应力状态下的剪切 力学行为，首先应获取目标结构面的形貌信息。在 形貌信息采集方面，接触式数据采集仪器精度一般 较低，且大多数仪器只能做到二维剖面测量，不能 很好地代表结构面表面几何形态[21]； 在测量过程中， 还可能会对结构面造成一定的损伤，使得测量结果 具有一定的误差。由于非接触式测量方法具有高精 度，高效率，无损伤的优点，越来越多的学者使用 三维激光扫描技术来获取结构面三维形貌数据，且 均取得了较好的效果[22]。 本研究所采用的结构面形貌信息采集设备为 Handyscan3D 手持式三维激光扫描仪采集精度为 0.01 mm，其兼具高便携性和高采集效率等优点， 可以满足各种数据采集需求。使用该扫描仪获取野 外天然结构面形貌点云数据后，通过 Rhino 进行处 理，得到三维数字高程模型。三维激光扫描流程如 图 1a 所示。 图 1 结构面试样制作流程 Fig.1 Preparation process of joint samples ChaoXing 156 煤田地质与勘探 第 48 卷 1.2 结构面模具制作 近些年来，随着 3D 打印技术和打印材料不断 地发展和更新，部分学者开始探索性地将 3D 打印 技术引入岩石力学领域的研究工作中[23-25]，克服了 使用传统人工制样方法无法体现岩体复杂结构特征 及内部的缺陷，还可以制备大量具有相同岩性、相 同形貌和相同力学性质的结构面试样，节省制作模 具所耗费的人力及物力，提高制样效率，具有较大 的实用价值[26]。因此，在岩石力学研究领域中，3D 打印技术的应用正在成为一种趋势。 本文根据 Handyscan3D 手持式三维激光扫描 仪获取的点云坐标数据，经 Rhino 软件处理后， 使用 3D 打印机打印了结构面模具。3D 打印流程 如图 1b 所示。 2 剪切试验方案 结构面模具制作完成后， 按照水∶砂∶水泥1∶ 2∶2 的配比进行试样浇筑，并在常温下养护 28 d， 得到 24 个尺寸大小为 100 mm100 mm150 mm 的 结构面试样图 1c，根据单轴压缩试验测得其单轴 抗压强度为 10.5 MPa。 将制得的试样按不同剪切方向分为 8 组，每组 试样按所施加的不同法向应力分为 3 个，采用 TAJW-2000 微机控制电液伺服岩石三轴剪切流变试 验机，对 8 组试样分别在 0、45、90、135、180、 225、270、3158 个方向图 2进行室内直剪试验。 为获取结构面抗剪强度参数 c、φ，研究不同法向应 力对结构面剪切力学行为所产生的影响，对每组试 样所施加的法向应力σn 取为 0.2 MPa、0.5 MPa、 1.0 MPa，剪切速率设定为 0.05 mm/min。 图 2 直剪试验剪切方向设定 Fig.2 Shear direction setting 为保证试验结果准确可靠， 在直剪试验过程中， 试样与仪器始终保证紧密贴合，且严格控制法向荷 载的施加速度，避免出现因加载速度过快而导致试 样发生未剪即坏的情况。试验过程中发生的结构面 相互错动现象如图 3a 所示， 结构面表面磨损情况如 图 3b 所示。 图 3 试样的剪切破坏现象 Fig.3 Shear failure phenomena of joint samples 3 结构面剪切力学行为的各向异性分析 根据直剪试验结果，从峰值剪切强度 τmax、峰值 点处所对应的位移 ε 以及抗剪强度参数 c、φ值 4 个 方面入手对结构面剪切力学行为进行分析， 以探索结 构面剪切力学行为各向异性特征可能存在的规律性。 3.1 峰值点剪切强度及位移 峰值点是剪应力–剪位移曲线中一个重要特征 点，被视为结构面发生破坏的判别标准，具有特殊 的研究意义。 根据室内直剪试验结果，分别得到 8 个剪切方 向0、45、90、135、180、225、270、315 所对应 3 种法向应力条件下的剪应力–剪切位移关 系曲线图 4，并提取其峰值点信息，对不同法向应 力和不同剪切方向下的峰值剪切强度和对应的剪切 位移进行分析。 由图 4 可见， 直剪试验所得剪应力–剪位移关系 在各个方向上的分布情况均不相同，具有非常明显 的各向异性特征，随着法向应力的增大，剪应力有 所增加。根据峰值点处的剪切位移 ε 以及峰值剪切 强度 τmax与剪切方向之间存在的关系图 5、图 6， ChaoXing 第 1 期 胥勋辉等 基于 3D 打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为 157 可以进一步研究曲线峰值点在各个剪切方向上的分 布情况。 图 4 不同法向应力下不同剪切方向的剪应力–剪位移关 系曲线 Fig.4 Relationship between shear stress and displacement in different shear directions under different normal stresses 由图 5 可见，沿同一剪切方向，峰值点所对 应的剪切位移 ε 在不同法向应力作用下各不相 同； 在同一法向应力作用下沿不同方向进行剪切， 该剪切位移的大小也不同，表现出明显的各向异 性特征。值得注意的是，在 3 种法向应力分别作 用下，ε 的变化趋势较为相似；随着法向应力的增 大，ε 也有所增大，表现为关系曲线的向上移动。 图 5 不同法向应力下 ε 与剪切方向的关系曲线 Fig.5 Relationship between ε and shear directions under different normal pressures 由图 6a 可见，结构面的剪切强度 τmax随方向变化 表现出非常明显的各向异性，其中沿 315方向剪切时， 得到的峰值剪切强度最大，且同一路径上沿正反两个 方向剪切所表现出来的剪切强度也明显不同。 图 6 τmax的各向异性分析 Fig.6 Analysis of the anisotropy of τmax 通过计算不同法向应力下各剪切方向对应的峰 值剪切强度值 τi,max相对于 0时的峰值剪切强度 τ0,max的差异程度，即τi,max –τ0,max/τ0,max百分数下标 i 表示剪切方向为 i，以观察 3 种法向应力下 τmax ChaoXing 158 煤田地质与勘探 第 48 卷 各向异性的强弱程度。由图 6b 可见，在 3 种法向应 力条件下，当 σn取 3 者中间值 0.5 MPa 时，τmax波 动幅度最大，说明在低法向应力范围内，当法向应 力越大，τmax的各向异性不一定越强，当法向应力 越小，其各向异性不一定越弱；即在低法向应力条 件下，峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应 力之间并非是简单的单调关系。 3.2 结构面抗剪强度参数 为了细化结构面剪切力学行为的各向异性特 征，对结构面的两个基本力学参数黏聚力 c 及内摩 擦角φ进行分析。 根据直剪试验获得的结构面剪应力–剪位移曲 线关系，结合莫尔库伦强度理论 τσtanφc，将不同 剪切方向下对应的法向应力和峰值剪应力代入莫尔 库伦公式，计算得到对应剪切方向下结构面的抗剪 强度参数 c、φ值，两参数与剪切方向的关系分别如 图 7a、图 7b 所示。 由图 7a 及图 7b 可见，c、φ值随剪切方向的改变 表现出明显的各向异性，其中以 315方向最大。为 便于比较 c、φ值的各向异性强弱，同 3.1 节，可根据 不同方向 c、φ值相对于 0时的 c、φ值的差异程度沿 不同剪切方向的分布规律图 7c来进行判断。 由图 7c 可见，随着剪切方向的变化，c、φ值变 化趋势较为一致，在 090表现为增长趋势， 90135表现为下降趋势，135180表现为增长趋 势，180270表现为下降趋势，270315表现为 增长趋势。通过比较图中 c、φ值相对于 0值的差异 程度发现，在 8 个剪切方向上，c 的差异程度始终 比φ的差异程度要大，其中，在 180处两者的差异 程度相差最大，说明随着剪切方向的改变，黏聚力 c 值的变化较内摩擦角φ值更为剧烈。 4 结 论 a. 结构面受剪达到峰值剪切强度时，所发生的 剪切位移表现出明显的各向异性特征。在 3 种法向 应力作用下，其剪切位移的变化趋势较为相似，且 随着法向应力的增大，其剪切位移也有所增大。 b. 结构面的峰值剪切强度存在明显的各向异 性，沿同一方位正反两个方向的剪切行为也表现出 不同的特征；在低法向应力条件下，峰值剪切强度 各向异性的强弱程度与法向应力之间并非是简单的 单调关系。 c. 抗剪强度参数 c、φ值随剪切方向的变化产生 一定程度的波动，且两者的变化趋势总体上比较接 近；通过比较两者沿 8 个剪切方向差异程度的分布 规律，可以发现剪切方向对黏聚力 c 的影响较内摩 擦角φ来说更为强烈， 表明黏聚力 c 的各向异性更为 显著。 图 7 c 与φ的各向异性分析 Fig.7 Analysis of the anisotropy of c and φ 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王姣，李长冬，雍睿，等. 三峡库区侏罗系不同类型结构面抗 剪强度对比[J]. 煤田地质与勘探，2014，42561–66. WANG Jiao， LI Changdong， YONG Rui， et al. Comparison study on shear strength parameters of Jurassic different rock disconti- nuities in Three Gorges Reservoir region[J]. Coal Geology Exploration，2014，42561–66. [2] 王昌硕，梁烨，王亮清，等. 基于三维结构面网络模拟的 岩体变形模量确定方法[J]. 煤田地质与勘探， 2016， 443 ChaoXing 第 1 期 胥勋辉等 基于 3D 打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为 159 97–102. WANG Changshuo，LIANG Ye，WANG Liangqing，et al. of determining deation modulus of rock mass based on three-dimensional discontinuity network simulation[J]. Coal Geology Exploration，2016，44397–102. [3] KUMAR R，VERMA A K. Anisotropic shear behavior of rock joint replicas[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2016，9062–73. [4] 包含，常金源，伍法权，等. 基于统计岩体力学的岩体强度特 征分析[J]. 岩土力学，2015，3682361–2369. BAO Han，CHANG Jinyuan，WU Faquan，et al. Analysis of strength characteristics of rock mass based on statistical me- chanics of rock mass[J]. Rock and Soil Mechanics， 2015， 368 2361–2369. [5] BAO Han，ZHAI Yong，LAN Hengxing，et al. Distribution characteristics and controlling factors of vertical joint spacing in sand-mud interbedded strata[J]. Journal of Structural Geology， 2019，128103886. [6] PATTON F D. Multiple modes of shear failure in rock[C]//Proceeding of the 1st ISRM Congress. International So- ciety for Rock Mechanics and Rock Engineering. Lisbon， Portugal，1966509–513. [7] LADANYI B，ARCHAMBAULT G. Simulation of shear behavior of a jointed rock mass[C]//Proceedings of the 11th US Sympo- sium on Rock MechanicsUSRMS. Berkeley，1970105–125. [8] BARTON N. Review of a new shear-strength criterion for rock joints[J]. Engineering Geology，1973，74287–332. [9] AMADEI B，WIBOWO J，STURE S，et al. Applicability of existing models to predict the behavior of replicas of natural fractures of welded tuff under different boundary condi- tions[J]. Geotechnical and Geological Engineering，1998， 16279–128. [10] YANG Zongye，TAGHICHIAN A，LI Wenchan. Effect of asperity order on the shear response of three-dimensional joints by focusing on damage area[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ， 2010 ， 476 1012–1026. [11] HUANG T H，DOONG Y S，SHENG J. Measurement of rock joints roughness and its directional shear strength[C]//Proceedings of the International Conference on Mechanics of Jointed and Faulted Rock. RotterdamA. A. Balkema，1990337–343. [12] WANG J G，ICHIKAWA Y，LEUNG C F. A constitutive model for rock interfaces and joints[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003，40141–53. [13] KULATILAKE P H S W ， SHOU Guohua ， HUANG Tsanhwei，et al. New peak shear strength criteria for anisot- ropic rock joints[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Geomechanics Abstracts，1995， 327673–697. [14] 陈世江，朱万成，王创业，等. 考虑各向异性特征的三维岩体 结构面峰值剪切强度研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016， 35102013–2021. CHEN Shijiang， ZHU Wancheng， WANG Chuangye， et al. Peak shear strength of 3D rock discontinuities based on anisotropic properties[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer- ing，2016，35102013–2021. [15] 周辉，程广坦，朱勇，等. 基于 3D 雕刻技术的岩体结构面剪 切各向异性研究[J]. 岩土力学，2019，401118–126. ZHOU Hui， CHENG Guangtan， ZHU Yong， et al. Anisotropy of shear characteristics of rock joint based on 3D carving technique[J]. Rock and Soil Mechanics，2018，401 118–126. [16] JING Lanru，NORDLUND E，STEPHANSSON O. An ex- perimental study on the anisotropy and stress-dependency of the strength and deability of rock joints[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science Geomechanics Ab- stracts，1992，296535–542. [17] 杜时贵. 岩体节理面的力学效应研究[J]. 现代地质，1994， 82198–208. DU Shigui. Study on mechanical effects of rock mass joints[J]. Geoscience，1994，82198–208. [18] GENTIER S，RISS J，ARCHAMBAULT G，et al. Influence of fracture geometry on shear behavior[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000， 371/2161–174. [19] 游志诚，王亮清，杨艳霞，等. 基于三维激光扫描技术的结构 面抗剪强度参数各向异性研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2014，33增刊 13003–3008. YOU Zhicheng，WANG Liangqing，YANG Yanxia，et al. Anisotropic research on shear strength parameters of discontinu- ity based on three-dimensional laser scanning technology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014， 33S13003–3008. [20] 蔡毅. 岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研 究[D]. 武汉中国地质大学武汉，2018. CAI Yi. s for estimating the roughness and the peak shear strength of rock discontinuities[D]. WuhanChina University of GeosciencesWuhan，2018. [21] 葛云峰，唐辉明，黄磊，等. 岩体结构面三维粗糙度系数 表征新方法[J]. 岩石力学与工程学报， 2012， 3112 2508– 2517. GE Yunfeng，TANG Huiming，HUANG Lei，et al. A new representation for three-dimensional joint rough- ness coefficient of rock mass discontinuities[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012， 3112 2508–2517. [22] 张国彪，包含，兰恒星，等. 结构面粗糙度系数与采样精度的 关系研究[J]. 工程地质学报，2018，2651336–1341. ZHANG Guobiao，BAO Han，LAN Hengxing，et al. Research on the relationship between joint roughness coefficient and sam- pling precision of structural plane[J]. Journal of Engineering Ge- ology，2018，2651336–1341. 下转第 167 页 ChaoXing 第 1 期 王等 超长工作面过大断面空巷三维应力演化及综合治理技术 167 XIE Shengrong， LI Shijun， WEI Zhen， et al. Stability control of support-surrounding rock system during fully mechanized caving face crossing abandoned roadway period[J]. Journal of China Coal Society，2015，403502–508. [7] 杨荣明， 吴士良. 神东矿区大采高综采工作面过空巷顶板结构 和支护方式研究[J]. 煤炭工程，2013，45455–58. YANG Rongming，WU Shiliang. Study on roof structure and support mode of goaf roadway in large mining height fully mechanized mining face in Shendong mining area[J]. Coal Mine Engineering，2013，45455–58. [8] 李迎富，华心祝，蔡瑞春. 沿空留巷关键块的稳定性力学分 析及工程应用[J]. 采矿与安全工程学报，2012，293 357–364. LI Yingfu，HUA Xinzhu，CAI Ruichun. Mechanics analysis on the stability of key block in the gob-side entry retaining and en- gineering application[J]. Journal of Mining Safety Engineer- ing，2012，293357–364. [9] 刘畅， 弓培林， 王开， 等. 复采工作面过空巷顶板稳定性[J]. 煤 炭学报，2015，402314–322. LIU Chang，GONG Peilin，WANG Kai，et al. Roof stability for repeated mining workface passing through abandoned parallel gateway[J]. Journal of China Coal Society，2015，402 314–322. [10] 王开，弓培林，张小强，等. 复采工作面过冒顶区顶板断裂特 征及控制研究[J]. 岩石力学与工程学报，2016，3510 2080–2088. WANG Kai，GONG Peilin，ZHANG Xiaoqiang，et al. Char- acteristics and control of roof fracture in caving zone for residual coal mining face[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and En- gineering，2016，35102080–2088. [11] 王红胜，张东升，李树刚，等. 基于基本顶关键岩块 B 断裂 线位置的窄煤柱合理宽度的确定[J]. 采矿与安全工程学报， 2014，31110–16. WANG Hongsheng，ZHANG Dongsheng，LI Shugang，et al. Rational width of narrow coal pillar based on the fracture line location of key rock B in main roof[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2014，31110–16. [12] 刘畅，刘正和，张俊文，等. 工作面长度的空间效应对大采高 采场矿压特征的影响[J]. 岩土力学，2018，392691–698. LIU Chang，LIU Zhenghe，ZHANG Junwen，et al. Effect of mining face length on spatial structure of fracture overlying strata and underground pressure characteristics in large mining height face[J]. Rock and Soil Mechanics， 2018， 392 691–698. [13] BARCZAK T M， TADOLINI S C. Pumpable roof supports An evolution in longwall roof support technology[C]//SME Annual Meeting and Exhibit 2008“New Horizons-New Challenges”. Society for Mining，Metallurgy and Exploration，February 24-28，2008208–220. [14] 徐青云，宁掌玄，朱润生，等. 综放工作面充填过空巷顶板失 稳机理及控顶研究[J]. 采矿与安全工程学报，2019，363 505–512. XU Qingyun， NING Zhangxuan， ZHU Runsheng， et al. Study on instability mechanism and top control of overfilled roof in fully mechanized caving face[J]. Journal of Mining Safety Engi- neering，2019，363505–512. [15] 李金华，段东，岳鹏举，等. 坚硬顶板强制放顶断裂力学模型 研究[J]. 煤田地质与勘探，2018，466128–132. LI Jinhua，DUAN Dong，YUE Pengju，et al. Study on the fracture mechanics model of forced caving of hard roof[J]. Coal Geology Exploration，2018，466128–132. [16] ZHANG Yaohui，WANG Yuli，LI Tianbin，et al. Effects of lithium carbonate on perances of sulphoaluminate ce- ment-based dual liquid high water material and its mecha- nisms[J]. Construction and Building Materials，2018，161 374–380. [17] 闵飞虎，向必伟，刘辉，等. 采动影响下逆断层活化规律的数 值模拟[J]. 煤田地质与勘探，2019，474144–152. MIN Feihu， XIANG Biwei， LIU Hui， et al. Numerical simulation on mechanism of thrust fault reactivation during mining[J]. Coal Geology Exploration，2019，474144–152. [18] 熊祖强，范传河，袁印. 空巷似膏体材料充填技术研究[J]. 煤 炭科学技术，2015，43513–16. XIONG Zuqiang，FAN Chuanhe，YUAN Yin. Study on backfill technology with paste-like mate