基于分形理论构建随机粗糙节理模型的方法研究

粗糙节理三维形貌特征是影响岩体沿节理面剪切力学性质的关键因素。采用3D扫描方法重构巴西劈裂试验得到的砂岩张节理表面形貌模型。根据粗糙节理表面统计自相似性质,引入地形学领域广泛应用的随机分形数字高程模型生成方法,通过调节不同的随机参数d,采用"菱形–正方形"算法迭代生成一系列不同形貌特征的分形粗糙表面数字高程模型,并将其与天然砂岩张节理进行形貌特征比较。采用三维盒维数法计算天然砂岩张节理以及随机构建的分形高程模型的分形维数,并基于选定的剪切方向统计2种模型的视倾角统计分布规律。分别以分形维数以及视倾角统计分布标准差为表征粗糙模型三维形貌特征的参数,确定了该天然张节理的形貌特征参数对应的粗糙度水平符合随机参数d=2~3 mm范围的分形高程模型的粗糙度水平,验证了基于分形理论构建随机数字高程模型的方法在模拟构建粗糙节理表面模型方面的可行性。     

节理在不同接触状态下的渗流特性

 将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩,采用劈裂法制成张拉性人工节理试件,用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌,并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件,分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数,以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。对节理面进行错位,以改变其接触状态,然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较,发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。通过对实测数据做进一步分析,发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响,得到更为合理的节理渗流经验公式,该公式具有更广阔的应用前景。     

混凝土粗糙面形貌特征参数与节理粗糙度系数关系研究

裂缝面粗糙程度是描述其表面形貌的重要参数。基于三维扫描技术获取混凝土裂缝面的坐标点云数据,等间隔选取各裂缝面11条轮廓线,计算各轮廓线粗糙轮廓指数Rp、形貌线伸长指数δ和粗糙角i等特征参数,研究采样间隔SI对二维节理粗糙度系数JRC的影响;建立JRC与二维特征参数Rp、δ、i之间的函数关系、三维JRC3D与三维特征参数之间的关系。结果表明：JRC与SI呈二次函数关系,当SI为0.2 ～ 1.2mm时,随SI减小,JRC增大;JRC与Rp、δ分别呈二次函数和对数关系;JRC与二维特征参数中的粗糙角iZ2呈正相关关系。建议Rp作为二维节理粗糙度系数表征指标。JRC3D与三维特征参数的最大构造深度Rz相关性最好,拟合公式平方根R2为0.9109。提出的表征公式与已有成果最大平均相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为1.790%、0.316mm和0.408mm。说明提出的表征公式是合理的,适用于混凝土裂缝面粗糙度估算。     

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

 应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。     

节理面分形模拟及JRC与分维的关系

自然岩石节理表面轮廓线可以看作为分形曲线。用随机分形产生的曲线代替自然节理剖面进行分析,会给研究人员带来极大的方便。根据Hurst指数法模拟节理表面轮廓线,然后分析JRC和码尺法分维D之间的关系,并建议了两项经验公式,拟合精度较高,在实际应用时可根据具体情况选用。     

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

结构面粗糙度系数(JRC)是影响结构面抗剪强度的关键因素之一,结构面粗糙度和结构面抗剪强度各向异性研究对于工程岩体变形和稳定性分析具有十分重要的意义。鉴于目前基于三维激光扫描技术进行分形维数与结构面抗剪强度各向异性的研究成果较少,本文以贵州省某水库拱坝地基白云岩结构面为研究对象,采用三维激光扫描技术获取结构面表面形貌数据,建立表面形态三维数字高程模型,基于变差函数法研究结构面分形维数的各向异性。根据Barton标准轮廓曲线建立粗糙度系数(JRC)与分形维数(D)之间的函数关系式。根据结构面粗糙度各向异性与结构面的实际受力状态,基于Barton方程进行结构面抗剪强度参数的各向异性研究,结果表明:c,φ值分别为0.20~0.75 MPa和9.09°~36.87°,并且各向异性均较明显,在同一剪切方向φ值越小,c值呈越大的趋势。     

节理粗糙度与分维

岩体节理粗糙度JRC不但是估算节理抗剪强度和变形指标最重要的参数,而且对于研究岩石的剪胀效应和渗流性质等具有重要意义.笔者主要回顾了近年来国内外对岩石节理粗糙度系数(JRC)研究的进展,以及所取得的成果,尤其将分形理论应用于研究岩石节理的粗糙度以后,使得对岩体节理粗糙度的描述取得了一定的发展,并得出了JRC与维数的一系列的关系.     

基于Barton标准剖面线精细数字化处理的岩石节理JRC计算新公式研究

以Barton提出的10条标准剖面线为研究对象,首先采用PHOTOSHOP和MATLAB图形处理专业软件对10条标准剖面线进行去杂点、补断口等精细数字化处理,获得更为准确的坐标数据,在此基础上计算标准剖面线在不同取样间距下的坡度均方根Z2和振幅参数hA,并建立节理表面粗糙度系数JRC与Z2和hA之间的经验关系式;然后以Barton标准剖面线和天然岩石节理剖面线为对象,采用该计算公式与其他常用经验公式计算相应的JRC值,并将计算值与剖面线真实值进行比较,结果表明:与其他常用经验公式相比,新公式计算结果精确度更高,具有较好的工程应用前景。     

Grasselli节理峰值抗剪强度公式再探

 确定节理峰值抗剪强度公式面临的首要问题是获取节理表面形貌并合理的评价其粗糙度。常用的方法是节理粗糙度系数(JRC)评价方法,但JRC的评价结果是基于二维剖面线获得的,该方法低估了节理面的粗糙度且具有较大的主观性。节理面形貌测试表明,节理面微元有效剪切倾角 与≥ 的微元面积的总和与节理总面积的比值呈高次抛物线关系。基于42组不同形貌节理的直剪试验结果,将节理的峰值剪胀角与形貌参数相联系,提出新的能够考虑剪胀效应的节理峰值抗剪强度公式。新峰值抗剪强度公式符合莫尔–库仑摩擦定律的形式,具有明确的物理含义。所需要的参数均由节理面形貌测试确定,因此能够预测节理的峰值抗剪强度。最后,对已有的节理峰值抗剪强度公式进行比优统计分析并建议公式的使用范围。     

岩体节理粗糙度系数与统计参数的相关关系研究

 测定节理粗糙度系数JRC的方法均基于10条标准剖面,其人为误差大,且未考虑采用不同取样长度离散节理剖面对各统计参数与JRC的影响。为避免对10条标准剖面JRC的测量误差,考虑JRC的取值范围及离散节理剖面时不同取样长度的影响,从数值模拟粗糙节理的角度出发,采用截断正态分布随机抽样得出节理凸起高度,由每段的凸起高度及取样长度形成凸起表面,叠加生成具有一定迹长的粗糙节理,根据Barton直边法测量其JRC,计算相应的统计参数,研究不同取样长度下各统计参数与JRC的回归关系。研究结果表明：JRC与均方根RMS和中线均值CLA呈线性关系,JRC与均方值MSV,均方根一阶导数Z2,粗糙剖面系数Rp和结构函数SF之间呈抛物线关系,且相关系数均较高;取样长度对统计参数、JRC及其回归关系式有较大影响,在数值模拟粗糙节理时应使取样长度与岩体粒径相近。由于MSV,RMS和CLA只能反映节理起伏高度的均值状况,不能反映各凸起高度所占权重对JRC的影响,因此,建议采用Z2,SF对JRC进行估算。     

新的岩石节理粗糙度指标研究

首先,基于节理轮廓线提出一个剪切粗糙度指标(SRI),新指标由3个粗糙度参数构成,描述节理平均起伏度、起伏的方向性、起伏分布特点以及粗糙的分形特性,并建立新指标与JRC之间的拟合关系。其次,基于三角形面积单元离散的三维节理面,将剪切粗糙度指标推广到三维形式,从而使得新指标能够描述节理的三维形貌特征。最后,以张拉型花岗岩节理作为算例,计算结果表明新指标能较好地反映节理的各向异性粗糙特性。新指标物理意义明确,计算方便,能够表征节理的主要粗糙特性,为进一步研究岩石节理的剪切力学特性奠定基础,具有重要的理论意义。     

岩石节理的分形描述

本文给出了６种节理的分形量测方法，讨论了岩石节理粗糙性的分形描述，ＪＲＣ和分形维数的关系，以及分维对节理抗剪强度和节理摩擦角的影响。可以说，分维能定量地刻画节理的粗糙性，并有可能用来预测节理抗剪强度和节理摩擦角。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

Uncertainties in estimating the roughness coefficient of rock fracture surfaces

Joint roughness has a critical role in the deformation behavior of discontinuous rock masses. Several subjective (visual comparison) and quantitative (statistical and fractal) approaches have been proposed for estimating rock joint roughness coefficient (JRC). Using a large collection of 223 published joint profiles, this study investigates variability of the JRC estimates by these approaches. Among the profile parameters, maximum height (R _z), ultimate slope (λ), and fractal dimension (D _h–L, determined using the hypotenuse leg method) show a lower sensitivity to the sampling interval than the root mean square of the first deviation (Z ₂), profile elongation index (δ), fractal dimension (D _c, determined using the compass-walking method), and standard deviation of the angle i (σ _i ). Accordingly, this study proposes two separate sets of equations for quantitatively estimating JRC. The performances of these equations are examined by performing direct shear tests on 23 rock joint samples. The subjective approach is found to underestimate JRC by less than two units because it ignores (1) the main trend of the compared profile and (2) the limited scope of the standard profiles. Following these results, the visual comparison chart is updated by explicitly adding a scale bar for the y-axes of the standard profiles. Several basic rules for visual comparisons are also proposed.

     

模袋水泥土的界面粗糙度和抗剪强度的分形估算

基于分形几何理论,运用均方根坡度角法(ARMSS)对模袋水泥土的截面轮廓线进行了分形指标(β、A、D)的估算,测算出截面轮廓线的粗糙度系数JRC,并在此基础上结合JRC-JCS模型估算出模袋水泥土界面的抗剪强度,研究表明:ARMSS法能方便、快捷地推算出该类截面轮廓线的JRC,摆脱传统的带主观性和随意性的JRC判定方法...     

岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法

岩体结构面粗糙度系数JRC影响着岩体的变形、破坏以及渗流特性,其数据采集与评价取值问题一直是岩石力学领域的热点和难点。目前研究方法多集中于二维,无法体现JRC的三维特性;即使现有的三维评价方法,也多数仅从几何数据单方面入手,没有考虑JRC的各向异性。鉴于此,提出基于光亮面积百分比BAP的岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法。首先,运用三维激光扫描技术,建立岩体结构面三维数字模型;其次,通过模拟虚拟光源,在岩体结构面表面产生光亮与阴影,并生成图片;然后,基于图像分割技术,设置灰度阈值,提取大于灰度阈值的光亮部分面积,并计算岩体结构面的光亮面积百分比;最后,结合R. Tse和D. M. Cruden提出的JRC计算公式,考虑剪切或渗流方向,得出岩体结构面三维粗糙度系数估算公式。以鱼简河水库工程为例,实验结果表明：(1) 在光源照射角度相等的情况下,光亮面积百分比与岩体结构面三维粗糙度系数成正比关系。(2) 通过对比分析,光源照射角度过大(70°～85°)或过小(5°～35°)时,易产生误差,入射角介于35°～70°范围内时为最佳入射角。(3) 基于该工程数据推导出JRC3D与BAP之间的估算公式。通过验证,试样Y10,Y11,Y12根据R. Tse和D. M. Cruden公式所得到的JRC3D分别为16.47,16.81,16.69,根据新估算公式计算的JRC3D分别为17.20,17.40,17.17,具有较好的一致性。     

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

 不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

隧道围岩断面轮廓分形维数与节理参数关系

隧道的超欠挖对衬砌结构稳定性影响比较大,研究超欠挖规律,对于掌握围岩受力,保证施工安全,具有较为深远的意义。根据小波分析的多尺度功能以及隧道断面轮廓超欠挖序列的统计自相似性特点,对白鹤隧道47个断面轮廓采用小波理论估算分形维数。结合现场调查的节理参数统计数据,分析隧道围岩断面轮廓分形维数与节理参数之间的关系。结果表明:分形维数越大,围岩稳定性越差;洞轴线与节理走向夹角越大,断面轮廓分形维数就越小;节理间距为0.25～0.40 m时,节理间距越大,分形维数越大;超挖百分比越大,分形维数越大。