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。     

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...     

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。     

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。     

岩体结构面三维粗糙度评价的新方法

 为了获得具有明确几何意义及理论依据的岩体结构面粗糙度评价指标,结合结构面剪切破坏机制,阐明将结构面潜在接触部分作为粗糙度评价重要因素的理论依据;将结构面粗糙度评价指标与其力学性质建立联系,提出描述结构面三维粗糙程度的新参数–粗糙度指标 。 即岩体结构面的潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比, 体现了结构面在剪切方向的三维几何信息,具有各向异性。基于三维激光扫描技术及Matlab编程,实现了结构面三维几何模型的建立及 的计算。以工程应用实例,展示 的计算过程;研究同一结构面不同精细程度的几何模型的 ,结果表明：基于 评价的结构面粗糙度具有各向异性,且同一剪切方向的结构面 随其几何模型精细程度的增强而增大。对比研究 与Grasselli粗糙度评价方法,结果表明基于此2种方法的粗糙度评价结果具有相似性。此外, 可与结构面抗剪强度建立一定联系,为结构面抗剪强度估算模型的进一步研究奠定了基础。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

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∈[0.2mm,10 ...     

岩石模型结构面的取样代表性试验研究

岩石结构面的代表性取样是开展不同尺寸模型结构面直剪试验的前提条件,直接影响到结构面抗剪强度尺寸效应试验结果的有效性和可靠性。通过对取样尺寸为10 cm的18组岩石结构面粗糙度系数(JRC)的测量和统计分析,得到该尺寸岩石结构面试样的粗糙度系数分布规律,表明模型结构面取样代表性评价的必要性。基于结构面粗糙度系数非均一性分布特点,以及对简单随机取样法和分层取样法2种概率取样方法的比较分析,提出基于分层取样法的岩石模型结构面代表性取样方法,该方法采用JRC四分位法确定各层样本的数量比例,再利用分层取样公式计算样本的取样数量。通过岩体结构面抗剪强度的力学机制分析,对试样取样代表性和力学可靠性进行校验,结果表明,采用该取样方法能较好地代表该尺寸的表面形态分布,取样结果也较好地满足力学试验的统计精度要求。     

裂隙岩体三维渗流网络搜索及稳定渗流场分析

 从实际工程结构面统计资料以及结构面本身渗流特性出发,结合逾渗理论分析裂隙岩体渗流网络的组成特点,研究三维块体切割技术与逾渗理论在裂隙类型分类上的相似性问题,进而在既有三维块体切割技术基础上增加渗流面阻水特性判断等模块,形成三维渗流网络搜索算法,解决三维渗流网络难以建立的问题。并在此基础上,根据Louis公式和广义达西定律编制裂隙岩体三维渗流网络搜索及恒定流分析程序3D-Network-Seepage.f90,用于裂隙岩体三维渗流网络构建与恒定渗流计算分析。然后,结合算例对该方法进行验证,结果表明：所提方法不仅能够生成客观、正确的渗流网络,还能准确地反映裂隙面水流的运动规律以及裂隙网络中实际水流的流动趋势,但该方法还有待于在实际工程中进行验证。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

一种新的裂隙三维表面粗糙度表征方法

 在T. Belem三维表面粗糙度表征理论的基础上,进一步引入与剪切方向、渗流方向密切相关的裂隙表面局部坡向概念,从定义裂隙表面三维几何形态离散化后的局部倾斜角与局部坡向入手,提出描述裂隙各向异性的三维表面粗糙度参数JRC估计方法,并与传统方法进行对比分析。研究表明,提出的裂隙粗糙度的表征方法抓住了裂隙表面几何特征对其力学特性影响的关联特征,较好地反映出裂隙具有强烈的各向异性特征,算例试验表明传统忽略各向异性的JRC表征结果与实际情况偏差为15%～35%。     

单裂隙花岗岩在应力–渗流–化学耦合作用下的试验研究

 通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

砂岩劈裂裂隙多因素影响下可视化渗流规律研究

基于自主研发的可视化试验装置,应用颜色示踪技术,进行空间多角度砂岩裂隙渗流试验;通过采用图像不同灰度面积处理技术、裂隙面积分析方法,进行图像分区并统计其渗流面积,首次从可视化角度得出在不同法向应力、渗透压、倾角等多因素影响下渗流扩散面积比关系式,指出裂隙渗流加速汇集效应和优势扩散面积区域。并基于裂隙面三维形态测试数据,获得裂隙面粗糙度精确JRC值,利用该JRC值得到裂隙面二维粗糙度云图,并与渗流扩散面积图像相结合,从而确定渗流优势路径范围,指出低粗糙区域是渗流的主要过流路径,进而解释了渗流扩散区域会随倾角增大而减小原因,为隧道工程实践中的防渗封堵提供依据。     

岩石节理力学参数的非线性估计

通过建立一个多层神经网络模型ＮＮ（ｎ,ｈ１,ｈ２,１）,探讨了描述节理开度与剪切位移之间的非线性关系和尺度效应的新方法,由小尺度试件节理的实测数据建立的非线性模型可以推广地预测出较大一些尺度试件的节理开度值。对３７条现场实测的节理进行了分形特征研究,建立了分形维数与ＪＲＣ关系式,该关系式可用于ＪＲＣ值的近似分形预测     

仿天然岩体裂隙渗流的实验研究

本文用人工粗糙面缝隙模拟天然岩体裂隙进行物理模型实验，对天然岩体裂隙渗流机理及其规律做了初步探讨。在总结洛米捷及路易斯研究成果的基础上提出了一个改进计算模式，使得计算理论值与实测值吻合得更好。     

滚石运动特征试验研究

选择坡面长度为176.4 m,坡度为39°～60°,局部坡度约为90o的边坡作为试验场地,对质量为9.5⁹2.5 kg,形状为长条状、薄片状和方形等的岩块进行256次滚石试验。在试验的基础上,分析了坡面特征对滚石停留位置的影响,坡面对滚石运动时间（到达坡底动能）和对不同形状滚石的运动特征的影响。同时,利用正交试验理论,采用滚石在坡面上运动的平均加速度作为评价指标,对影响岩块在边坡上运动的3个重要因素--滚石的质量、滚石形状和坡面状况（包括坡度以及与坡度相关的坡表覆盖层）进行了分析。结果表明:在这3个因素中,坡度及坡面状况是主要因子,其次是滚石的形状,再次是滚石质量。当滚石质量15≤m<27 kg,其形状为薄片状,坡度平均为59.6°,基岩基本裸露,滚石运动的平均加速度最大;当滚石质量9.5≤m<15 kg,其形状为长条状,坡度为39°,坡面有碎石浮土时,平均加速度最小。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有指导意义。     

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。