两统计参数评估结构面粗糙度探讨及试验验证

岩体结构面粗糙度定量化表征对结构面力学性质精准描述具有重要意义。研究表明,在量化结构面粗糙度的众多统计参数中,均方根Z2和结构函数SF与巴顿10条典型节理轮廓线的粗糙度系数JRC值相关性最好。然而,采样间隔是制约其实践应用的重要瓶颈。基于此,应用数字图像处理技术,首先计算10条节理线在采样间隔SI∈[0.2 mm,10 mm]范围的30组Z2和SF值;然后分析不同采样间隔SI分别对Z2和SF的影响规律,进一步推演组合参数(Z2,SI),(SF,SI)分别与JRC的关系;以此提出适用于采样间隔SI∈[1 mm,10 mm]范围内的任一间隔组合参数(Z2,SI),(SF,SI)评估结构面粗糙度JRC的通用方法;最后通过结构面剪切试验验证所提评估公式的可靠性。结果表明:(1)同一节理轮廓线,随采样间隔SI增大,Z2值逐渐减小;而参数SF值随采样间隔SI的增大而增大;两参数Z2和SF分别与SI呈相关性很好的幂函数关系;且其幂函数的系数总体上随JRC的增大而增大。(2)所提2种评估方法经巴顿曲线粗糙度的初步验证,3条节理线(JRC0-2,JRC16-18,JRC18-20)粗糙度估值总体上略偏小些,而(JRC4-6,JRC10-12)这两条节理线粗糙度估值总体上略偏大些,其他5条节理线粗糙度估算值基本分布在其粗糙度范围内。(3)室内直剪试验反算试验结构面4个方向的粗糙度与估算公式结果进行对比验证可知,粗糙度估计值与试验值总体上比较接近;若最大允许偏差为4时,采用两评估方法任一间隔组合参数评估4个方向结构面的粗糙度,其准确率不低于83.33%。该研究成果克服了统计参数Z2,SF评估结构面粗糙度受采样间隔影响的缺陷;为统计参数评估结构面粗糙度提供了一种新方法。     

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。     

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。     

岩石节理表面三维形貌特征的分形分析

 利用高精度三维表面形貌测试仪Talysurf CLI 2000对节理试件表面进行扫描,将表面粗糙形状进行数值化表达并实现节理面的三维可视化。在此基础上,运用分形几何理论对节理表面三维形貌特征进行分析,得出节理剖面线的分形维数与JRC之间的函数表达式。以单个节理面为研究对象,探究节理表面分形维数与剖面线分形维数以及JRC之间的关系,这对分形几何理论在节理表面形态研究中的深入应用有重要意义。     

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。     

基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式

 节理表面形貌是影响节理峰值抗剪强度的重要因素,采用人工模拟材料节理分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究三维形貌参数与峰值抗剪强度之间的关系。选用节理面有效三维平均倾角 、粗糙度系数 、最大可能接触面积比 作为表征节理面粗糙度的参数。直剪试验前、后采用TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行形貌数据测试;根据直剪试验结果建立节理峰值剪胀角与三维形貌参数 , , 之间的关系;建议采用新的强度准则计算节理的峰值抗剪强度。新公式的计算结果与试验值具有较好的一致性,并将其与Barton公式的计算结果进行比较,可知Barton公式的计算结果低于试验实测值。     

基于点云的岩体间距与粗糙度的自动化提取

基于单相机双目三维重构技术,提出一种获得隧道掌子面三维点云模型的规范化拍摄流程和自动化提取岩体间距与粗糙度特征参数的方法。间距信息自动化提取流程为采用基于张量投票理论及其优化处理技术识别结构面迹线,通过分组、产生虚拟测线与迹线相交,从而得到各组的平均间距。粗糙度信息自动化提取流程为对岩体分别沿着水平和垂直方向均匀切割获得二维粗糙度轮廓线,采用均方根与粗糙度系数(JRC,joint roughness coefficient)的关系计算不同位置不同方向的JRC。将该方法应用于安徽明堂山隧道在建隧道掌子面三维点云模型的获取以及岩体间距和粗糙度特征参数的提取中,并给出了计算结果。基于单相机双目三维重构技术优势在于可在环境恶劣的在建隧道中获得稳定的、精度较高的掌子面三维点云模型;对岩体间距和粗糙度特征参数进行自动化提取,作为自动化的测试计算方法,可为工程应用提供一定参考。     

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。     

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。     

基于JRC的结构面双面剪切强度经验公式

为揭示岩体结构面单、双面剪切强度差异,更好评估层状岩体的稳定性,选择4条Barton标准剖面线建立结构面模型,制作含单、双结构面的类岩试样进行剪切试验。基于试验结果,分析3种法向应力(σ_n)下单、双结构面的峰值剪切强度(τ_p)的差异及其原因。基于颗粒流模拟结果,推导出同JRC双结构面的峰值剪切强度经验公式,引入组合节理粗糙系数(JRC_c)表征异JRC双结构面的粗糙度,构造JRC_c与低、高粗糙度系数(JRC_xx,JRC_yy)的相关关系,建立了综合考虑JRC_xx,JRC_yy对异JRC双结构面峰值剪切强度影响的经验公式,然后分析同JRC双结构面与异JRC双结构面的τ_p随混合节理粗糙系数变化的规律,最终建立了估算任意JRC组合双结构面峰值剪切强度的经验公式。研究表明:在τ_p-JRC曲线的增长趋势随σ_n增大而增大的阶段,σ_n一定时,双结...