线-面结合的结构面粗糙系数经验计算方法

岩体结构面的剪切力学特性主要取决于其表面粗糙特征,结构面粗糙系数是表征该粗糙特征的主要方法。目前对结构面粗糙系数的研究局限于单一维度,多角度且定量化计算结构面粗糙系数能避免单一维度分析导致计算精度不准的局限性。采用立方体花岗岩,通过巴西劈裂的方式制备含结构面的试样;利用高精度三维扫描仪对试样结构面进行扫描,得到结构面的点云数据,同时借助逆向软件对点云数据进行三维重构。研究了点云数据Z方向上的分布频率,剖面线剖面比与节理粗糙系数（JRC）值的关系,结构面面积比与JRC均值的关系。研究表明：点云数据Z方向上的分布频率可以作为初步评估结构面粗糙度的手段;剖面线剖面比与JRC数值、结构面面积比与JRC均值有二次函数的关系。通过数值分析建立了结构面JRC均值与剖面比、面积比的二元函数关系,并得到结构面JRC均值的经验计算公式。本次研究为结构面粗糙度提供了一种“点-线-面”逐渐深入的多角度评估思路,得到的经验公式为计算结构面JRC均值提供了一种新的计算方法。     

基于随机森林回归分析的岩体结构面粗糙度研究

岩体结构面粗糙度系数是快速估算结构面峰值抗剪强度的重要参数。但是结构面轮廓曲线复杂,单一统计参数无法量化表征粗糙度。为解决这一问题,收集了112条结构面轮廓曲线起伏角、起伏度、迹线长度3方面的8项统计参数,利用随机森林回归模型交叉验证的方法评估统计参数的重要性。结果表明：最大起伏度、起伏高度标准偏差、平均起伏角、起伏角标准差、平均相对起伏度及粗糙度剖面指数等6项统计参数重要性占比达到93.2%,且回归拟合系数趋于平稳,基于重要性评估结果建立最优超参数决策树数目(n_tree)为400、参与节点分割的数目(m_try)为2的随机森林回归模型,模型预测结果拟合优度高达98.1%。与基于坡度均方根、结构函数及粗糙度剖面指数等传统线性回归结果对比,随机森林回归模型结果精度更高,误差更小,拟合优度提高6%以上,表明随机森林回归模型更适用于结构面粗糙度反演。     

一种描述结构面剖面线粗糙度的新方法

采用法向矢量单位圆描述结构面剖面线粗糙度,从各微分段的角度关系阐述粗糙度,进而将二维问题转化为一维问题处理并提出"角度粗糙度"的概念.考虑到各微分段的实际长度对粗糙度的贡献,采用加权均值与加权方差定量描述角度粗糙度;角度粗糙度越大表明该剖面越粗糙.对规则剖面线与不规则剖面线采用"角度粗糙度"进行描述,所得结果跟已有的剖...     

劈裂砂岩有、无砂粒填充条件下的多因素对渗流量影响对比分析

采用宜昌劈裂砂岩,在有、无砂岩填充条件下,分别从轴压、围压、劈裂面面积、凹凸高差、迹线长度、劈裂面2D投影面积、进出口长度、结构面粗糙度对渗流量的影响规律进行了对比分析。研究结果表明：有、无砂粒填充下轴压与渗流量均呈线性递增关系;无填充时围压与渗流量呈对数递减关系,有充填时围压与渗流量呈线性关系;无充填时渗流量与流面积呈三次函数关系,而充填后过流面积对渗流量几乎无影响;凹凸高差、2D面积与渗流量的关系也有相似规律,分析认为,这主要是砂粒充填后带来的过流通道要远大于上述三因素对过流通道的改变;无充填时,渗流量随迹线长度线性递减,有填充时该规律被淹没;无论有、无填充,渗流量与过流面粗糙度系数在一定范围内均呈现二次函数关系。这些规律能指导渗流测量时各因素的优先次序,可有效减少对次要影响因素的测量工作,同时可对渗流的数值模拟提供参考。     

用有限元强度折减法分析具有非贯通结构面岩质边坡稳定性

岩质边坡的稳定性主要由其结构面与岩桥组合控制,采用有限元强度折减法对具有非贯通结构面岩质边坡破坏机制进行数值模拟分析,计算表明结构面贯通机制主要受结构面强度参数、长度、位置、倾角以及岩桥的倾角、岩桥长度等因素的影响,破坏"自然地"发生在岩体抗剪强度不能承受其受到的剪切应力的地带.分析表明根据塑性力学破坏原理,采用有限元强度折减法有助于对岩质边坡破坏机制的理解.     

3D岩体结构面粗糙度表征方法

大量的工程实践表明,岩体往往是沿着软弱结构面发生破坏的,而岩体结构面粗糙度是决定岩体结构面力学性质的重要因素。目前岩体结构面粗糙度的研究多集中于2D角度,但仅由一条剖面轮廓线来表示结构面的结构特征显然是不全面的。因此岩体结构面粗糙度表征方法应拓展到3D角度,全面地从三维曲面特征来进行评价。在参考大量文献的基础上,将二维角度的几个几何参量延伸至三维角度,提出面积扩展率S、结构面起伏度Rs,并通过平均粗糙度系数JRCS来表征三维角度的结构面粗糙度。以秭归马家沟滑坡为例,采集结构面并获取表面信息,通过统计分析和数值模拟的方法,得出三者之间的回归方程。在已知面积扩展率S、结构面起伏度Rs的基础上,可计算出平均粗糙度系数JRCs,用以判断岩体结构面在3D角度下的粗糙度大小。     

结构面爬坡剪断耦合作用影响因子与影响规律

为研究硬性结构面剪切过程中爬坡剪断耦合作用,制作了不同高度h和坡度 组合的凸起体的硬性结构面三维模 型,开展模型剪切试验,试验结果证实了两种作用的耦合。分析剪切运动特征,提出了利用剪断面积Sj与剪切面积S的比值K定量表征爬坡和剪断耦合程度,在不同的主导作用下K值变化在0～1之间,并建立了考虑爬坡剪断耦合作用的抗剪强度算式,可评价锯齿型硬性结构面抗剪强度影响规律,得出抗压强度大的硬岩、表面起伏较平缓的结构面K值小,爬坡摩擦对抗剪强度贡献的组分大;抗压强度小的软岩、表面起伏较大的结构面K值大,岩石材料的强度对抗剪强度贡献的组分大。     

圆明亮琢型的星刻面和上、下腰刻面倾角数值计算

精确计算星刻面、上腰刻面和下腰刻面的倾角是圆明亮琢型宝石加工的重要问题。通过几何分析与计算,分析了冠角、台宽比、星刻面长度比、下腰刻面长度比和亭角对星刻面倾角、上腰刻面倾角和下腰刻面倾角的影响,获得了较精确的星刻面倾角、上腰刻面倾角和下腰刻面倾角的线性拟合计算方法及相应的参数。     

单斜构造区岩溶倾斜洞穴发育趋势与岩层产状相关性识别

通过构建岩溶倾斜洞穴发育趋势面和岩层倾向面,探讨在单斜构造区岩溶倾斜洞发育趋势与岩层产状的相关性。首先,根据洞穴探测导线长度、方向、倾角等要素,以测量初始点为原点建立空间直角坐标系,将测量空间方位角转换为平面直角坐标系中的方向角,将测量数据投影在平面直角坐标系上,运用向量加法原理求出各测点平面向量及坐标,结合各测点的相对高差,运用趋势面分析方法进行一次拟合,构建洞道空间展布平面方程;其次,根据岩层产状信息在空间坐标系中构建平面方程;最后,通过计算两平面法向量的夹角,来判断洞穴空间展布平面和岩层产状平面的重合度,同时求出两平面与同一水平面的交线所成角来判断洞穴空间展布趋势面与岩层面的倾向关系。通过实例证明,该方法用于探讨单斜构造区岩层产状对倾斜洞穴发育趋势的影响识别具有一定的实用性。      

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC（Area Under Curve）值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。     

基于Plesha本构的岩石节理多层结构模型研究

在Dong等工作的基础上[1],研究了基于Plesha本构的岩石节理多层结构模型。模型将节理面分解为不同层次细观结构面,每层结构面代表一级粗糙度,力学响应发生在最底层（基本面）,上层结构面受力性状由其下层结构面平均化得到,依次进行得到节理宏观力学性状。节理破坏由下而上分层次进行,基本面破坏后,其上层结构面转化为基本面,基本面采用Plesha节理模型。模型能模拟弹性变形、滑动变形、磨损、剪断、压碎、分离等作用机理。定义的接触因子与绕流因子能考虑节理接触面积及粗糙度变化对渗流的影响。通过将粗糙度定义为等效起伏角,可以模拟节理循环剪切性状。采用ABAQUS的用户子程序UEL进行了模型验证与参数分析。     

硬性结构面表面起伏形态测量及其尺寸效应研究

结构面表面形态与其力学性质密切相关,对结构面表面形态进行精细测量是研究结构面变形和强度等力学机理的基础。在分析国内外结构面测量仪器优缺点基础上,利用自主研制的新型便携式测量仪器———接触打孔器对硬性结构面进行机械化精细测量,应用效果表明:由接触打孔器获得的结构面粗糙度JRC值与结构面表面实际的JRC值十分接近。在此基础上,对硬性结构面进行尺寸效应分析,获得了结构面表面JRC值的统计方差随测量长度逐渐衰减的规律,并且计算分析了粗糙度对结构面剪切强度影响的极限长度,最后通过强风化粉砂岩节理、新鲜砂岩层面、泥岩层面进行了分析。结果表明,对于研究区强风化粉砂岩构造节理,当取样长度大于50cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应;对于平直新鲜泥岩层面、平直的新鲜砂岩层面,当取样长度大于5cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应。     

结构面在剪切状态下的力学特性研究

文章通过规则齿形结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行了基础性研究,阐述了规则齿形结构面在剪切条件下力学特性的主要特征及其力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切力作用下的强度特性以及结构面在剪切条件下的粗糙度特性进行了研究,在此基础上提出了结构面剪切刚度计算模型以及结构面爬坡角与粗糙度系数之间的经验关系,同时对结构面的剪切位移曲线特征进行了描述,并对现象做出了解释。     

一种三点法求隐伏活动断层产状的计算方法

求解三点问题的传统方法是作图法.目前缺乏利用初等几何学求解三点问题的完整计算方法.本次研究基于三点法的原理,利用初等几何学知识推导了求断层面倾角、倾向和走向的计算公式.断层面倾角计算公式是以已知三点之间水平距离和三点之间高差为变量的代数表达式.断层面倾向或走向计算公式是以已知三点之间水平距离、三点之间高差和三点连线的方...     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。     

JRC修正直边法的数学表达

JRC是反映爬坡角力学效应的岩体结构面表面形态等效描述指标。本文在爬坡角力学效应机理研究基础上, 阐述了JRC直边法的物理意义；通过岩体结构面表面起伏幅度与金属表面粗糙度幅度对比分析, 肯定了直边法的合理性；考虑JRC的尺寸效应, 推导JRC修正直边法的数学表达式, 编译计算机常用程序。最后, 实例检验了JRC修正直边法数学表达式的合理性和可用性。     

结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式

JRC是反映爬坡角力学效应的岩体结构面表面形态等效描述指标。本文在Barton直边法的研究基础上,利用直边图的几何性质,推导出结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式,并通过实例检验了JRC简明公式的合理性和实用性。     

水平地震力作用下顺倾结构面对岩质边坡破坏影响分析

基于断裂理论和波动理论对水平地震力作用下对岩质边坡顺倾结构面的破坏建立了数学模型,在不考虑结构面填充物的影响下分析了结构面的长度、埋深及倾角在水平地震动力作用下对边坡破坏的影响。分析结果表明,当结构面埋深与长度h/L相差不大时,对于一定的水平地震加速度a,结构面埋深和长度越大,边坡在地震作用下越容易破坏;当结构面埋深和长度一定时,边坡破坏随着水平地震加速度的增大而增强。另外,结构面的倾角在增大过程中,岩体所受的拉应力逐渐增大,剪应力则表现为先增大,后减小。这是由于当结构面的埋深与长度一定时,随着倾角的增大,地震作用下边坡是从剪切破坏逐渐向拉张破坏过渡。该模型对地震作用时边坡稳定性分析具有一定的参考意义。     

节理粗糙度系数的分形估算

节量剖面粗糙度可以被认为是具有有限生长的分形结构。为了模拟节理粗糙度，基于传统的科契曲线，本文建立了节理剖面的广义分形模型。根据节理凸起体的平均基底长度L^*和平均高度h^*两参数，可直接得到节理剖面的分维数，即：D=log4/log[2(1 cos tan^-1(2h/L)]，此分维数D与节理粗糙度系数具有密切关系。其经验关系是：JRC＝85．2671（D－1）^0.5679。因此，可以说本文所提出的分形分析技术为估算JRC值提供了一种新的方法。     

岩体结构面强度的可靠度分析

基于岩体结构面破坏的Mohr-Coulomb准则和可靠度理论,视结构面和岩块强度参数以及结构面倾角为随机变量,分析了结构面强度参数的变异性对结构面破坏概率的影响,探讨了结构面破坏概率随结构面倾角的变化规律,提出了结构面和岩块破坏概率的计算公式,找出了影响结构面破坏概率的主要因素。结果表明,岩体结构面强度的可靠度分析比传统的定值分析方法更为客观合理。