基于三维激光点云技术的岩体结构面智能解译

准确、高效、全面获取岩体结构面信息,对岩体的稳定性分析有着重要的意义.采用三维激光扫描设备进行岩体数据采集,基于岩体点云模型提出了结构面自动识别方法.通过对Ransac算法进行改进,引入了新的采样方法和评分准则,大大提升了Ransac算法的计算效率和提取精度,使之更好地适应粗糙不平的岩体点云数据;基于改进的Graham...     

改进的区域生长算法在三维激光点云识别岩体结构面中的应用

交错分布的结构面构成了岩体中的薄弱部位,准确高效的岩体结构面识别和特征信息提取可为岩体稳定性评价提供重要依据。三维激光扫描技术可以极大地提高结构面勘测效率和精度,但目前主流的点云分析算法存在结构面边缘识别模糊、点云分割准确性不能满足结构面特征信息提取精度等问题。因此,考虑岩体结构面点云位置与其邻域的空间关系,利用KD-tree数据结构进行最邻近搜索的体素下采样,在稳健随机Hough变换的基础上改进了区域生长算法,通过多特征值对区域生长分割参数进行修正,依据点云法向量差值和特征终值进行结构面分割,实现了结构面产状、间距、延展度信息的提取。研究结果表明：与传统的主成分分析法和随机抽样一致法相比,在室内块体模型组成的24个结构面中,该方法在相同区域具有更高的识别率和准确率,既能在复杂变化的平面区域保证数据的完整识别,也能在平面的尖锐位置较好地分割边缘点云。利用该方法可以将24个结构面分为6组,并在识别数据中获取对应的结构面特征信息,与实际测量结果相比,角度信息误差约为1°,距离信息误差1 cm以内。利用该方法在长江干流蟒蛇寨斜坡岩体中成功识别出3组结构面同时计算各组结构面间距与延展度信息,并采用赤平投影图分析不同结构面组对斜坡稳定性的影响。所提出的方法在室内模型及现场斜坡验证效果良好,可以为岩体结构面识别分割提供稳定且有效的技术支撑。     

岩体结构面网络模拟技术研究进展

主要介绍了岩体结构面网络模拟技术的研究进展，通过近期的研究，结果面网络模拟技术得到了进一步的完善与发展，特别是三维模拟技术的出现使岩体结构面网络模拟技术更加实用，表现出比二维模拟更大的优势，可以较好地解决空间岩体力学问题，具有良好的应用前景。     

基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c（黏聚力）、f（内摩擦角）值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、f值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。移动阅读     

岩体结构面流变特性及长期强度的试验研究

采用室内剪切蠕变试验 ,通过对两组不同爬坡角的结构面进行剪切蠕变试验 ,得出不同应力水平下的蠕变试验曲线 ,并给出相应的剪切蠕变方程。研究表明 ,结构面的剪切蠕变和加载持续时间与应力水平的大小有关。最后预测了这两组结构面的长期强度     

基于多重分形特征的岩体结构面剪切强度研究

Barton剪切强度模型是目前工程实践中普遍采用的强度公式,而实践应用时,该模型中结构面粗糙性系数（JRC）的评估存在主观性和片面性的缺点。鉴于此,应用多重分形理论,提出了采用多重分形参数准确量化JRC的方法。首先应用数字图像处理技术获取了结构面三维形貌数据信息;然后采用投影覆盖法进行了结构面的分形维数计算,重点对结构面的多重分形特征进行了分析,通过对比分析了构造的15个结构面的多重分形特征值。结果表明：结构面越粗糙,多重分形特征参数 和 值越大, 或 能够很好地描述结构面的形貌特征。最后对9组石膏试件进行了剪切试验,通过不同正应力下对应的剪应力数据分析,结合结构面形貌多重分形参数 或 ,以Barton剪切强度公式为基础,应用最小二乘法原理,给出了JRC与 及JRC与 关系。这样在工程实际中,可以用参数 或 对JRC进行估算,克服了JRC人为估值主观性及采用二维标准轮廓线评估片面性的缺点,为准确评估结构面粗糙度提供了一条新的途径。在此基础上,应用Barton模型可准确估算岩体结构面的剪切强度。     

结构面剪切强度参数三维分形估算

现有结构面剪切强度参数经验估算公式多建立在结构面形态二维描述基础上,对结构面形态的三维特征考虑不够。作者自行研制了结构面形态三维量测设备,对结构面表面形态进行三维量测,将量测结果与分形理论相结合,采用分形维数表征结构面三维形态特征。在对大量硬性结构面剪切试验结果及表面形态描述结果进行统计分析的基础上,提出将JRC-JCS估算公式中的JRC用分形维数的表达式替换,进而建立了基于结构面表面形态三维分形表述的剪切强度估算公式:τ=σntg[(6.12D-13.53)lg ((JCS)/σ_n)+φb]。实际应用结果表明,改进后的估算方法能得到令人满意的结构面剪切强度参数。     

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。     

基于三维激光点云数据在自然资源生态系统领域的提取研究

运用地基获取的树木三维激光点云扫描数据源,基于LIDAR360、MATLAB软件处理平台,设计排序算法和凸包算法进行样木树高、胸径等参数提取技术研究,提取的参数与实测值通过回归分析统计:其树高相关系数R²为0.978 0,均方根误差为0.133 3 m,且t检验的P <0.05;胸径相关系数R²为0.972 3,均方根误差为0.55 cm,且t检验的P<0.05。说明提取的树高、胸径参数均与实测的树高、胸径值存在显著性相关,研究表明:采用排序算法和凸包算法提取的单木树高与胸径参数较为理想,具有较高的参数提取精度,为林区大面积范围测量单木树高、胸径等参数提供快速、精准有效的新方法。     

基于三维扫描与打印的岩体自然结构面试样制作方法与剪切试验验证

无法大量制作表面形态完全一致的含自然结构面的剪切试样一直是困扰岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。借助最新发展的3D打印和表面快速扫描技术,提出了岩石自然结构面试样制作新方法。该方法采用三维扫描仪获得岩石自然结构面表面形态的高精度点云数据,然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的虚拟剪切模型,进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA（绿色环保材料聚乳酸）塑材模具,最后借助PLA结构面模具在制样盒内通过相似材料浇筑成型出剪切试样,从而实现批量制作结构面形貌完全一致的相似材料结构面剪切试样,满足多种组合试样方案下岩石自然结构面的深入分析。采用这一方法针对3种岩石自然结构面进行了批量制作和剪切试验测试表明：（1）浇筑制作成试样的结构面表面高程与原始结构面高程之间的误差分析显示,岩石自然结构面可以高精度地复制到剪切试样中;（2）相同剪切试验条件下多个剪切试样的剪切位移-剪切力曲线的重合度非常高,表明制作的结构面剪切样的一致性好且试验结果离散性小;（3）通过剪切结构面试样在剪切前后的表面形态扫描分析发现,相同试验条件下自然结构面的剪切破坏形态具有非均匀性。     

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。     

结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用

岩石质量指标RQD是反映工程岩体完整程度的定量参数,广泛用于水利水电、矿山、地下工程、交通工程等岩体稳定性评价,但是传统的RQD定义不能满足实际工程岩体各相异性要求。针对贵州黔中水利枢纽工程拱坝坝基岩体结构面特征,利用Monte-Carlo法在计算机上生成岩体节理三维网络图,建立了模拟计算不同阀值t的岩石质量指标RQDt的计算机模拟方法。该方法能较真实客观地描述岩石质量。     

Estimation of geometrical parameters of key discontinuities within an engineering rock region

Discontinuities that have unfavourable orientation and are continuous within overall engineering rock regions can have a dominant effect on the strength, deformability and permeability of the rock mass. The concepts of geometrical parameters of basic discontinuities and engineering discontinuities are proposed in this communication. Further, the engineering discontinuities are divided into key discontinuities and non-key discontinuities. Within any region of the rock mass, the spacing, trace length and probability of engineering discontinuities can be estimated from the geometrical parameters of the basic discontinuities. In general, the geometrical parameters are different from those of the basic discontinuities. Finally, two examples are given to illustrate how to apply these parameters to rock engineering problems.     

岩石节理表面几何特性的三维统计分析

在利用三维非接触式高精度激光表面形状测定仪精确测量岩石节理的表面粗糙形状并进行数值化表达的基础上,应用地理信息系统(GIS)技术,实现了岩石节理粗糙面的三维可视化。再对岩石节理粗糙面的三维几何特性参数（诸如表面粗糙度、裂隙张开度和粗糙高度等）进行统计分析并计算频数分布的特征数字。最后,根据频率直方图的分布趋势和频数分布的特征数字研究各几何特性参数的分布规律。结果表明,花岗岩节理粗糙表面起伏比砂岩大,但二者几何特性参数的分布规律相似,节理粗糙高度和裂隙张开度分布近似于正态分布规律,而节理粗糙面倾斜角分布近似于Γ分布规律。     

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。     

3D裂隙网络随机模拟及其工程应用研究

岩体中存在的大量随机分布的裂隙对岩体的工程性质及稳定性有着极其重要的影响。传统的工程地质研究方法难以客观地描述其空间分布特征。应用概率与统计学的理论 ,通过统计分析得到裂隙的分布规律性 ,采用随机模拟的方法实现与统计分布相适应的裂隙网络是研究随机裂隙宏观特征的有效途径。通过模拟所得的 3D裂隙网络 ,进一步研究了裂隙的连通特征及工程开挖面上的稳定分析与加固措施优化的方法     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

Local adaptive parameterization for the history matching of 3D seismic data

Matching seismic data in assisted history matching processes can be a challenging task. One main idea is to bring flexibility in the choice of the parameters to be perturbed, focusing on the information provided by seismic data. Local parameterization techniques such as pilot-point or gradual deformation methods can be introduced, considering their high adaptability. However, the choice of the spatial supports associated to the perturbed parameters is crucial to successfully reduce the seismic mismatch. The information related to seismic data is sometimes considered to initialize such local methods. Recent attempts to define the regions adaptively have been proposed, focusing on the mismatch between simulated and reference seismic data. However, the regions are defined manually for each optimization process. Therefore, we propose to drive the definition of the parameter support by performing an automatic definition of the regions to be perturbed from the residual maps related to the 3D seismic data. Two methods are developed in this paper. The first one consists in clustering the residual map with classification algorithms. The second method proposes to drive the generation of pilot point locations in an adaptive way. Residual maps, after proper normalization, are considered as probability density functions of the pilot point locations. Both procedures lead to a complete adaptive and highly flexible perturbation technique for 3D seismic matching. A synthetic study based on the PUNQ test case is introduced to illustrate the potential of these adaptive strategies.