结构面三维形态测量及表面粗糙度分形分析

针对结构面表面形态各异、难以获得的问题,采用自行研制的结构面三维形态测量装置——变阻式结构面三维形态测量仪,对硬性结构面表面形态进行三维测量,实现了三维曲面形态的图形化。针对结构面粗糙度系数JRC值估测不准,导致结构面精确评价困难的问题,运用分形几何理论进行分析,获取粗糙度系数JRC与分形维数D的函数关系式,并与经典Barton理论相结合,建立了结构面表面三维分形表述的剪切强度模型。实例验证表明,该理论计算模型具有一定应用价值。     

考虑层次结构的岩体结构面三维粗糙度表征方法

岩体结构面粗糙度的量化表征一直是岩土工程领域关注的焦点问题。在以往表征方法基础上,结合结构面三维形貌特征扫描分析,综合考虑结构面的层次结构特征,提出采用平均起伏角和平均相对起伏幅度表征一级波状起伏结构,采用面积扩展率表征结构面次级细微粗糙结构,并分析建立了结构面三维粗糙度系数与形貌参数的相关关系。验证分析表明,论文提出的结构面三维粗糙度表征方法可以较好地兼顾结构面一级波状起伏结构特征和次级细微粗糙结构的影响,计算得到的结构面抗剪强度与试验值吻合较好。相关研究结果可为结构面粗糙度量化分析及抗剪性能估算提供较好的借鉴。     

基于分形理论的岩体结构面粗糙度影响因素研究

岩体结构面粗糙度具有显著的各向异性、尺寸效应以及间距效应特征。为研究岩体结构面粗糙度的影响因素,以三维激光扫描试验数据为主,以分形随机函数生成数据为辅,分别从二维和三维角度展开研究。研究结果表明,不同采样方向的结构面视觉判断误差很大,需定量判断才更为科学;随着采样尺寸的增加,结构面粗糙度减小,当尺寸增加到有效尺寸时,粗糙度基本趋于平稳不再下降;随着采样间距的减小,结构面粗糙度增大,当采样间距小于有效间距时,粗糙度上升趋势变缓,趋于稳定状态;当采样间距过大时,岩体结构面粗糙度不再具备分形特征。     

基于小尺度量测值的岩体结构面粗糙度系数分析

介绍了R／S分析法的基本原理，对H.E.Hurst经验关系式进行了修正，建立了以小尺度的量测结果来反映大尺度范围内岩体结构面粗糙度系数的计算式。     

岩石节理三维粗糙度各向异性表征新方法

针对传统二维节理面粗糙度表征方法的不足,提出一种新的岩石节理面三维粗糙度描述方法。首先,利用光学扫描系统得到节理表面点云数据并建立三维模型;运用改进的变异函数方法,提出一种新的基于正态分布模型参数的三维粗糙度(VA)方法;最后,运用新方法对花岗岩张拉型节理表面的粗糙特性进行分析。结果表明,提出的新方法能够反映节理面的起伏变化、频率和分形特征,并因此能描述出节理粗糙度的各向异性特性。     

澜沧江藏东流域岩体结构面分形研究

基于澜沧江藏东流域岩体结构面的现场编录资料和分形理论,验证了研究区岩体结构面具有自相似性,符合分形特征。通过对研究区35个平硐、5 000余米长度平硐揭露的岩体结构面进行计算分析,用分形维数定量描述了岩体质量等级、岩体卸荷风化强弱分带。尝试通过细化计算平硐内结构面分形维数,实现运用分维值对工程中岩体质量进行评价和对岩体卸荷风化强弱进行划分。     

沙波当量粗糙度的分形特性初探

应用分形维数描述不规则沙波床面形态的复杂性,基于室内水槽定床试验资料,建立了沙波当量粗糙度的分形表达式,获得了无量纲沙波当量粗糙度与床面形态分形维数及相对波高之间的关系式,并对公式进行了分析和比较。结果表明:该公式较好地反映了沙波床面三维特征对沙波当量粗糙度的影响,可用于沙波当量粗糙度的预估研究。     

岩石硬性结构面粗糙度量化及其剪切试验研究

在前人研究的基础上,运用网格法,将结构面曲线与特定分度横向网格相叠合,得到曲线网格交点数Nr,通过数理统计和数值模拟,建立了Nr与JRC的关系预测模型,并回归分析建立了Nr-JRC函数公式,进而建立了基于结构面表面二维形态的剪切强度估算公式,进行了剪切试验反演,得出理论计算JRC值与试验获得JRC值接近,从而证明了该理论是可行的。在实际运用中为精确量化JRC提供了一种有效的新方法。更多还原     

三维岩体随机结构面切割方法

三维岩体随机结构面切割及块体分析是块体理论的新发展,成为边坡工程和地下洞室围岩稳定分析的有效手段。通过生成三维岩体随机结构面网络,将结构面相互切割,生成新的面,运用面的回路方法形成块体,然后确定岩体开挖面上的可动块体并找出关键块体。经多次模拟,可以获得岩体开挖面形成的关键块体几何形状和尺度规模等统计特征,为工程系统支护方案提供较可靠的设计依据。     

基于分形理论的渗透结构面渗流特性研究

渗透结构面是岩体结构中渗透能力较强、系统分布规律较明显的岩体结构面,它是一个粗糙裂隙面。基于渗透结构面明显的分形特征,本文采用分形几何方法模拟渗透结构面的几何形态和分形特征,进而通过渗流数值分析来进一步研究渗透结构面的渗流特性。     

非均匀沙床面粗糙度的分形特征

本文在分析非均匀沙床面颗粒随机分布特性的基础上，对床面颗粒暴露度函数关系进行了分析，通过简化颗粒的排列方式，利用分形理论研究了初始及粗化床面糙度的分形特征，结合实验资料讨论了床面糙率n与糙度分维数D的关系，并与床面糙率n和代表粒径(d50、d90)的关系进行了比较，初步认为对于初始床面分维数与床面糙率具有更好的相关关系，而粗化床面两者代表性基本一致，为更好地研究床面糙率、泥沙起动及其输沙过程提出了一种新的研究方法。     

计算圆锥齿轮传动疲劳强度时对原齿面粗糙度系数选择的更正

设计计算正交直齿圆锥齿轮传动时,对于闭式传动,应先按齿面接触强度初步确定主要尺寸,然后进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的校核。根据目前设计计算中普遍采用的《机械设计手册》,中册(化学工业出版社、第二版,以下简称《手册》)第八篇第五章推荐的正交     

基于三维形貌分析的结构面剪切试验研究

为研究结构面表面形貌、正应力及剪切历史对岩石结构面剪切特性及强度的影响规律,利用近景摄影测量技术测量试验前后结构面三维形貌数据,对影响结构面剪切特性的因素开展定性与半定量的分析。分析结果表明①结构面形貌对剪切特性的影响具有方向性,视倾角>0°的凸起体才可能在剪切过程中起抵触作用;②起伏粗糙对剪切特性的影响随正压力增大而降低,相应的剪胀效应也随正压力增大而减小;③在低正压力条件下,结构面表面的起伏凸起体即可被磨损剪断,首先出现磨损剪断的是视倾角较大的凸起,在经历1次正应力条件下剪切变形后,剪切曲线便不再出现峰值现象;④摩擦角随正压力增大而减小,而黏聚力随正压力增大而增大;⑤单块试样反复剪切试验中,取第1次残余值与后续剪切强度值拟合得到的剪切强度参数可代表具有剪切运动历史的结构面剪切强度。     

多结构面三维块体极限稳定分析新方法

根据刚体分块极限平衡原理,推导并阐述多结构面复杂三维块体分块稳定分析新方法,编制具有广泛适用性的多结构面三维块体极限稳定分析程序,并在龙滩水电站右岸高边坡等工程稳定性研究中取得成功应用。     

基于点面接触的三维结构地震接触模拟

工程结构包括拱坝、岩质边坡等在强地震作用下可能沿结构面、节理面等产生滑移,对接触面的模拟关乎结构抗震安全评价的可靠性。本文针对结构在地震作用下接触面产生较大滑移的情况,提出采用点面接触模型和动接触力模型进行模拟。推导了适于点面接触的动接触力模型公式;采用主从接触算法,通过全局搜索缩小搜索范围,在局部搜索层次基于内外算法确定接触点对,避免经典点面算法中存在的盲区问题,提高搜索判断的精度和效率。采用经典楔形体稳定问题对本文模型进行了验证,通过施加地震激励研究其动力稳定性,并将点面接触和点点接触的计算结果进行比较,发现前者获得的结构响应大于后者,且其差异随着地震加速度幅值的增大而增大。进一步将该模型应用于拱坝的地震响应分析,结果表明对于相对较小的地震,两种接触模型计算结果基本一致;但对于超强地震,横缝发生较大相对位移,点点接触模型的计算结果偏小,对应力值的低估更为明显。总的来说,对于结构在强地震作用下产生较大滑移的情况,采用点面接触模型可更好地反映实际情况。     

不同节理粗糙度系数的裂隙渗流规律研究

裂隙的研究对石油开采、水利工程以及地下空间的利用都具有重要的意义。真实裂隙表面粗糙的几何形态会影响流体的流动特性及裂隙的传导能力,立方体定律难以满足使用条件。根据节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,采用逆向数字化建模方法,开展仿真模拟不同JRC裂隙渗流规律的研究。结果表明:作用在不同粗糙度裂隙两端的压差恒定时,随着节理粗糙度的增加裂隙内流体的流量逐渐减小;流入不同粗糙度裂隙单位体积流量恒定时,随着粗糙度的增加,作用在裂隙两端的压差逐渐增大;模拟结果与实验结果相对比,得出裂隙机械宽度与流量之间的关系曲线表现出明显的非线性特征,两条趋势线相吻合,均符合对数关系。     

下凹形态裂隙面粗糙程度表征及立方定律修正系数拟合

裂隙面粗糙程度直接影响着裂隙的渗流特性,利用高倍数码相机采集孔隙介质模块粗糙裂隙面信息,结合数字成像和MATALB技术拟定典型粗糙度的裂隙面,提出描述试样裂隙面粗糙程度的下凹度,研究下凹度对裂隙过流能力的影响,确定下凹形态粗糙裂隙的立方定律修正系数公式。结果表明:预制混凝土块裂隙面的下凹面积百分比随下凹程度的增大逐渐减小,立方定律修正系数与相对下凹度呈二次多项式关系;采用等效水力隙宽比直接采用1.0 mm光滑裂隙的数值模拟成果更贴近双重介质渗流水力特性试验结果,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平方根R²分别为1.35%、1.06×10^-4和0.995。下凹形态粗糙裂隙立方定律修正系数成果与试验结果吻合,该修正系数模型公式是合理的。提出的粗糙度表征方法和修正立方定律能够有效描述下凹形态粗糙裂隙渗流特性。     

基于三维点云的结构面产状获取方法研究

为快速从地质结构面三维点云数据中提取产状信息,基于Python程序设计语言,编程实现了一套自动拟合平面并计算结构面产状的算法。首先,介绍了最小二乘法和主成分分析法2种算法原理和求解平面方程思路;其次,利用Python语言分别设计实现了上述算法,并引入奇异值分解帮助求解主成分向量,给出了关键代码和程序流程;最后,对2种算法进行对比和误差分析,并将平面方程转换为产状信息。将该方法应用于国际公开试验数据,人工截取指定结构面产状,计算结果平均值与实际值相比＜1°,最大不超过2°;无监督聚类分割生成的不规则结构面产状计算结果平均值与实际值相比＜4°,最大不超过8°,且主成分分析法误差更小。结果表明,该方法精确度高,使用简便,满足工程实际需要。     

基于三维激光扫描的岩体结构面识别与块体分析

以某项目勘探平硐中的岩体结构面为研究对象,利用三维激光扫描技术及工程地质分析相结合的研究手段,借助于三维软件,对三维激光扫描点云进行了系统集成,采用产状面模板准确识别结构面的信息;进而利用结构面互相切割形成定位或半定位的三维块体,并对块体进行了简要分析。研究成果可为结构面识别及块体定位提供一种新的方法,对工程支护设计具有一定的的指导作用。