本發(fā)明涉及巖土工程中的巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域，尤其是一種基于網(wǎng)格密度和裂紋密度的巖樣破碎程度定量分類方法。

背景技術(shù)：

巖石力學(xué)試驗(yàn)是巖石力學(xué)的基礎(chǔ)，是研究巖石力學(xué)與工程的重要手段之一。雖然現(xiàn)在科學(xué)計(jì)算和理論分析已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨龋珟r石力學(xué)試驗(yàn)作為直接解決實(shí)際工程中的力學(xué)問題仍然有著不可替代的作用，隨著研究的深入，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的分析提出了更高的要求。

巖石試樣經(jīng)過單軸、三軸等力學(xué)試驗(yàn)后，巖樣會(huì)產(chǎn)生宏觀的破壞，巖樣表面會(huì)出現(xiàn)數(shù)條甚至數(shù)十條裂紋，相應(yīng)的巖樣會(huì)被分解成大小不一、形狀不規(guī)則的塊體，巖樣的破壞特征及破碎程度是與巖石類型和加卸載應(yīng)力路徑密切相關(guān)的，探究巖樣的破壞模式對(duì)于把握巖石在各種應(yīng)力路徑作用下的破壞機(jī)理具有非常重要的意義，是巖石力學(xué)特性分析必不可少的內(nèi)容之一，因此準(zhǔn)確定量的評(píng)判巖樣的破碎程度顯得尤為重要。

目前，文獻(xiàn)、報(bào)告和書籍中關(guān)于巖石試樣力學(xué)試驗(yàn)之后的破壞狀態(tài)描述中，通常只是定性的稱呼為“比較破碎”、“破碎”等，對(duì)巖樣的裂紋開展和破碎程度缺少定量指標(biāo)描述，相同或者不同類型的巖石、或者不同加卸載應(yīng)力路徑的巖樣的破壞狀態(tài)無法定量比較，為巖石力學(xué)特性的描述帶來了較大的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于網(wǎng)格密度和裂紋密度的巖樣破碎程度定量分類方法，可以滿足巖石試樣破壞特征及破碎程度定量分析的要求，分析過程簡(jiǎn)單，取值準(zhǔn)確，物理意義明確，計(jì)算結(jié)果直觀，便于實(shí)踐操作。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于網(wǎng)格密度和裂紋密度的巖樣破碎程度定量分類方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：得到多個(gè)相同尺寸的巖石試樣破壞后的裂紋展開圖；

步驟2：制作各個(gè)巖樣的“360網(wǎng)格”，通過“360網(wǎng)格”對(duì)步驟1得到的各個(gè)裂紋展開圖中的裂紋數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制裂紋數(shù)量與對(duì)應(yīng)的巖樣數(shù)量的關(guān)系圖；

步驟3：通過“360網(wǎng)格”對(duì)步驟1得到的各個(gè)裂紋展開圖中含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量Q_W進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各個(gè)巖樣有裂紋的360網(wǎng)格密度Γ_W，計(jì)算公式為

式中，Q_W為各巖樣含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量，0≤Q_w≤360，

繪制360網(wǎng)格密度Γ_W分段與對(duì)應(yīng)的巖樣數(shù)量的關(guān)系圖；

步驟4：根據(jù)步驟2和3得到的關(guān)系圖，繪制裂紋數(shù)量與360網(wǎng)格密度Γ_W的關(guān)系圖，對(duì)關(guān)系圖進(jìn)行分析得知：隨著裂紋數(shù)量的增加，360網(wǎng)格密度呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，在裂紋數(shù)量達(dá)到20條以上時(shí)，360網(wǎng)格密度增長(zhǎng)趨勢(shì)趨向于平穩(wěn)；

步驟5：根據(jù)步驟4統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，參考巖石力學(xué)相關(guān)規(guī)范關(guān)于巖體破碎程度指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合破壞巖樣實(shí)際破碎程度及其360網(wǎng)格密度值，建立用360網(wǎng)格密度Γ_W描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：

0≤Γ_W<0.1：輕微破碎；

0.1≤Γ_W<0.3：較破碎；

0.3≤Γ_W<0.5：破碎；

0.5≤Γ_W<0.8：非常破碎；

0.8≤Γ_W≤1.0：完全破碎；

步驟6：計(jì)算步驟2中統(tǒng)計(jì)的各裂紋數(shù)量所對(duì)應(yīng)的巖樣裂紋密度Γ_J，計(jì)算公式為

式中，Q_J為裂紋數(shù)量；S為巖樣側(cè)面積，K為調(diào)整系數(shù)；

步驟7：根據(jù)步驟6統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，參考巖石力學(xué)相關(guān)規(guī)范關(guān)于巖體破碎程度指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合破壞巖樣實(shí)際破碎程度及其裂紋密度值，建立用巖樣裂紋密度Γ_J的描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：

0≤Γ_J<0.3：疏裂紋；

0.3≤Γ_J<0.5：較密裂紋；

0.5≤Γ_J<0.8：密集裂紋；

0.8≤Γ_J<1.0：非常密集裂紋；

Γ_J≥1.0：碎裂；

步驟8：將步驟5建立的用360網(wǎng)格密度Γ_W描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)和步驟7建立的用巖樣裂紋密度Γ_J描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，對(duì)巖樣破碎程度進(jìn)行定量分類，定義如下：

(1)較完整：0≤Γ_W<0.1，0≤Γ_J<0.5；

(2)較破碎：0.1≤Γ_W<0.3，0.5≤Γ_J<0.8；

(3)破碎：0.3≤Γ_W<0.5，0.8≤Γ_J<1.0；

(4)非常破碎：0.5≤Γ_W<0.8，Γ_J≥1.0；

(5)完全碎裂：0.8≤Γ_W≤1.0，Γ_J≥1.0。

步驟1中，通過專利號(hào)為201410068603.5公開的“一種巖石試樣裂紋描繪裝置及描繪方法”獲得巖石試樣破壞后的裂紋展開圖；還可以通過巖樣照相拼圖的方式獲得巖石試樣破壞后的裂紋展開圖。

步驟2中，“360網(wǎng)格”的制作方法為：將步驟1得到的裂紋展圖在巖樣高度方向上平均分為10格，在巖樣周長(zhǎng)方向平均分為36格，形成共360個(gè)網(wǎng)格的“360網(wǎng)格”。

步驟2中，裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法為：

a、對(duì)于單獨(dú)出現(xiàn)的裂紋，直接按照實(shí)際條數(shù)統(tǒng)計(jì)；

b、對(duì)于裂紋中間有交叉或者分叉，根據(jù)巖樣破壞的控制性裂紋延展方向，先統(tǒng)計(jì)主要控制性裂紋，再統(tǒng)計(jì)與之交叉或者分叉的次生裂紋。

步驟3中，含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量Q_W的統(tǒng)計(jì)方法為：

a、凡網(wǎng)格內(nèi)出現(xiàn)的裂紋均計(jì)數(shù)為1；

b、同一網(wǎng)格同時(shí)出現(xiàn)多條裂紋時(shí)仍然計(jì)數(shù)為1，即只統(tǒng)計(jì)有裂紋出現(xiàn)的網(wǎng)格數(shù)量，不重復(fù)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格中的裂紋。

步驟6的調(diào)整系數(shù)K計(jì)算方法為：

在統(tǒng)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，破壞巖樣裂紋條數(shù)為20條左右時(shí)已經(jīng)完全破碎，為了便于裂紋密度的規(guī)則化統(tǒng)計(jì)，定義裂紋數(shù)量為20條時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋密度為標(biāo)準(zhǔn)1，故K取值為D為巖樣直徑。

本發(fā)明提供的一種基于網(wǎng)格密度和裂紋密度的巖樣破碎程度定量分類方法，在大量破壞巖樣表面裂紋發(fā)育程度及破碎程度定量統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，綜合考慮巖樣裂紋的網(wǎng)格密度和裂紋密度兩個(gè)參數(shù)，提出一種全新的定量分類方法，可以滿足巖石試樣破壞特征及破碎程度定量分析的要求，分析過程簡(jiǎn)單，取值準(zhǔn)確，物理意義明確，計(jì)算結(jié)果直觀，便于實(shí)踐操作。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一步驟1獲得的巖樣裂紋展開圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一步驟2制作的“360網(wǎng)格”示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一步驟2提及的可用于固定在巖樣上便于統(tǒng)計(jì)含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量的“360坐標(biāo)紙”；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一步驟2繪制的裂紋數(shù)量與對(duì)應(yīng)的巖樣數(shù)量的關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一步驟3繪制的360網(wǎng)格密度Γ_W分段與對(duì)應(yīng)的巖樣數(shù)量的關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例一步驟4繪制的裂紋數(shù)量與360網(wǎng)格密度Γ_W的關(guān)系圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例一步驟5中不同的360網(wǎng)格密度Γ_W所對(duì)應(yīng)的巖樣破碎程度示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例一步驟7中不同的巖樣裂紋密度Γ_J所對(duì)應(yīng)的巖樣破碎程度示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例二中對(duì)本發(fā)明建立的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)照?qǐng)D，此時(shí)巖樣破碎程度類別為較完整；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例二中對(duì)本發(fā)明建立的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)照?qǐng)D，此時(shí)巖樣破碎程度類別為較破碎；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例二中對(duì)本發(fā)明建立的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)照?qǐng)D，此時(shí)巖樣破碎程度類別為破碎；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例二中對(duì)本發(fā)明建立的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)照?qǐng)D，此時(shí)巖樣破碎程度類別為非常破碎；

圖13為本發(fā)明實(shí)施例二中對(duì)本發(fā)明建立的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)照?qǐng)D，此時(shí)巖樣破碎程度類別為完全破碎。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種基于網(wǎng)格密度和裂紋密度的巖樣破碎程度定量分類方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：結(jié)合文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)室前期完成的大量砂巖、灰?guī)r、花崗巖、砂板巖、片麻巖等各種類型巖石在不同加卸載應(yīng)力路徑下破壞巖樣，共計(jì)200組；得到200個(gè)相同尺寸的巖石試樣破壞后的裂紋展開圖，如圖1所示；

步驟2：制作各個(gè)巖樣的“360網(wǎng)格”，通過“360網(wǎng)格”對(duì)步驟1得到的各個(gè)裂紋展開圖中的裂紋數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 巖樣裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

繪制裂紋數(shù)量與對(duì)應(yīng)的巖樣數(shù)量的關(guān)系圖，如圖4所示；

步驟3：通過“360網(wǎng)格”對(duì)步驟1得到的各個(gè)裂紋展開圖中含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量Q_W進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，

計(jì)算各個(gè)巖樣有裂紋的360網(wǎng)格密度Γ_W，計(jì)算公式為

式中，Q_W為各巖樣含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量，0≤Q_w≤360，計(jì)算結(jié)果如表2所示：

表2 360網(wǎng)格密度統(tǒng)計(jì)表

繪制360網(wǎng)格密度Γ_W分段與對(duì)應(yīng)的巖樣數(shù)量的關(guān)系圖，如圖5所示；

步驟4：根據(jù)步驟2和3得到的關(guān)系圖，繪制裂紋數(shù)量與360網(wǎng)格密度Γ_W的關(guān)系圖，如圖6所示，對(duì)關(guān)系圖進(jìn)行分析得知：隨著裂紋數(shù)量的增加，360網(wǎng)格密度呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，在裂紋數(shù)量達(dá)到20條以上時(shí)，360網(wǎng)格密度增長(zhǎng)趨勢(shì)趨向于平穩(wěn)；

步驟5：根據(jù)步驟4統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，參考巖石力學(xué)相關(guān)規(guī)范關(guān)于巖體破碎程度指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合破壞巖樣實(shí)際破碎程度及其360網(wǎng)格密度值，建立用360網(wǎng)格密度Γ_W描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：

0≤Γ_W<0.1：輕微破碎；

0.1≤Γ_W<0.3：較破碎；

0.3≤Γ_W<0.5：破碎；

0.5≤Γ_W<0.8：非常破碎；

0.8≤Γ_W≤1.0：完全破碎；

不同的360網(wǎng)格密度Γ_W所對(duì)應(yīng)的巖樣破碎程度示意圖如圖7所示；

步驟6：計(jì)算步驟2中統(tǒng)計(jì)的各裂紋數(shù)量所對(duì)應(yīng)的巖樣裂紋密度Γ_J，計(jì)算公式為

式中，Q_J為裂紋數(shù)量，單位為(條)，單位為(條/cm²)；S為巖樣側(cè)面積，單位為(cm²)；K為調(diào)整系數(shù)；

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)的裂紋數(shù)量轉(zhuǎn)化為裂紋密度，如表3所示：

表3 巖樣裂紋密度統(tǒng)計(jì)表

步驟7：根據(jù)步驟6統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，參考巖石力學(xué)相關(guān)規(guī)范關(guān)于巖體破碎程度指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合破壞巖樣實(shí)際破碎程度及其裂紋密度值，建立用巖樣裂紋密度Γ_J的描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：

0≤Γ_J<0.3：疏裂紋；

0.3≤Γ_J<0.5：較密裂紋；

0.5≤Γ_J<0.8：密集裂紋；

0.8≤Γ_J<1.0：非常密集裂紋；

Γ_J≥1.0：碎裂；

不同的巖樣裂紋密度Γ_J所對(duì)應(yīng)的巖樣破碎程度示意圖如圖8所示；

步驟8：若單純采用巖樣的360網(wǎng)格密度或者裂紋密度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可能存在不夠準(zhǔn)確的方面，例如，在巖樣以貫穿性長(zhǎng)裂紋為主時(shí)，裂紋密度較小，而網(wǎng)格密度較大，在貫穿性的短小裂紋較多時(shí)，裂紋密度較大，而網(wǎng)格密度較小，為了更加精確、全面的評(píng)判出巖樣破碎程度，考慮巖樣實(shí)際破碎程度；

將步驟5建立的用360網(wǎng)格密度Γ_W描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)和步驟7建立的用巖樣裂紋密度Γ_J描述巖樣破碎程度的分類標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，綜合考慮情況如表4所示：

表4 巖樣破碎程度分類表

(注:當(dāng)待判定巖樣的網(wǎng)格密度值和裂紋密度值不滿足上述分類的端點(diǎn)值時(shí)，就近原則選取。)

根據(jù)表4，對(duì)巖樣破碎程度進(jìn)行定量分類，定義如下：

(1)較完整：0≤Γ_W<0.1，0≤Γ_J<0.5；

(2)較破碎：0.1≤Γ_W<0.3，0.5≤Γ_J<0.8；

(3)破碎：0.3≤Γ_W<0.5，0.8≤Γ_J<1.0；

(4)非常破碎：0.5≤Γ_W<0.8，Γ_J≥1.0；

(5)完全碎裂：0.8≤Γ_W≤1.0，Γ_J≥1.0。

步驟1中，通過專利號(hào)為201410068603.5公開的“一種巖石試樣裂紋描繪裝置及描繪方法”獲得巖石試樣破壞后的裂紋展開圖；還可以通過巖樣照相拼圖的方式獲得巖石試樣破壞后的裂紋展開圖。

步驟2中，“360網(wǎng)格”的制作方法為：將步驟1得到的裂紋展圖在巖樣高度方向上平均分為10格(間距1cm)，在巖樣周長(zhǎng)方向平均分為36格(間距10°)，形成共360個(gè)網(wǎng)格的“360網(wǎng)格”，如圖2所示；

也可將上述“360網(wǎng)格”印制在15.7cm×10cm(長(zhǎng)度×高度)見方的透明塑料薄膜上，簡(jiǎn)稱“360坐標(biāo)紙”，在進(jìn)行裂紋統(tǒng)計(jì)時(shí)，將“360坐標(biāo)紙”按圓周方向繞破壞巖樣一周，蒙在巖樣側(cè)面并固定，通過人工計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)裂紋數(shù)量和網(wǎng)格密度，“360坐標(biāo)紙”示意圖如圖3所示，圖3中“360坐標(biāo)紙”右端設(shè)置有三塊不干膠貼片，用于固定。

步驟2中，裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法為：

a、對(duì)于單獨(dú)出現(xiàn)的裂紋，直接按照實(shí)際條數(shù)統(tǒng)計(jì)；

b、對(duì)于裂紋中間有交叉或者分叉，根據(jù)巖樣破壞的控制性裂紋延展方向，先統(tǒng)計(jì)主要控制性裂紋，再統(tǒng)計(jì)與之交叉或者分叉的次生裂紋。

步驟3中，含有裂紋的網(wǎng)格數(shù)量Q_W的統(tǒng)計(jì)方法為：

a、凡網(wǎng)格內(nèi)出現(xiàn)的裂紋均計(jì)數(shù)為1；

b、同一網(wǎng)格同時(shí)出現(xiàn)多條裂紋時(shí)仍然計(jì)數(shù)為1，不重復(fù)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格中的裂紋。

步驟6的調(diào)整系數(shù)K計(jì)算方法為：

在統(tǒng)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，破壞巖樣裂紋條數(shù)為20條左右時(shí)已經(jīng)完全破碎，為了便于裂紋密度的規(guī)則化統(tǒng)計(jì)，定義裂紋數(shù)量為20條時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋密度為標(biāo)準(zhǔn)1，

故K取值為D為巖樣直徑，單位cm；例如，巖樣直徑為5cm，K為2.5π。

實(shí)施例二

為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的分類方法的適用性和合理性，選取典型破壞巖樣，按照上述方法進(jìn)行巖樣破碎程度計(jì)算評(píng)價(jià)；

由圖9可以看出：360網(wǎng)格密度Γ_W為0.08(0＜0.08＜0.1)，裂紋密度Γ_J為0.2(0＜0.2＜0.5)，巖樣破碎程度類別：較完整。

由圖10可以看出：360網(wǎng)格密度Γ_W為0.19(0.1＜0.19＜0.3)，裂紋密度Γ_J為0.55(0.5＜0.55＜0.8)，巖樣破碎程度類別：較破碎。

由圖11可以看出：360網(wǎng)格密度Γ_W為0.42(0.3＜0.42＜0.5)，裂紋密度為Γ_J0.95(0.8＜0.95＜1.0)，巖樣破碎程度類別：破碎。

由圖12可以看出：360網(wǎng)格密度Γ_W為0.51(0.5＜0.51＜0.8)，裂紋密度Γ_J為1.2(1.2>1)，巖樣破碎程度類別：非常破碎。

由圖13可以看出：360網(wǎng)格密度Γ_W為0.81(0.8＜0.81＜1.0)，裂紋密度Γ_J為2.8(2.8>1)，巖樣破碎程度類別：完全破碎。

從實(shí)施例二可以看出，根據(jù)巖樣裂紋的360網(wǎng)格密度和裂紋密度能夠準(zhǔn)地定量評(píng)價(jià)巖樣的破碎程度，可以滿足巖石試樣破壞特征及破碎程度定量分析的要求，分析過程簡(jiǎn)單，取值準(zhǔn)確，物理意義明確，計(jì)算結(jié)果直觀，便于實(shí)踐操作。