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。     

基于统计参数的二维节理粗糙度系数非线性确定方法

岩体节理粗糙度系数JRC与其统计参数之间具有复杂的非线性关系,单一统计参数因存在对结构面形貌描述的片面性,从而导致JRC计算结果的可靠性较低。从结构面起伏角、起伏高度及其分布特征的角度选取了平均起伏角avei、平均相对起伏度H/L、起伏角标准偏差iSD和起伏高度标准偏差hSD 4个参数共同反映结构面形貌。以已知JRC试验反算值的102条结构面剖面线作为样本数据对支持向量机进行训练,构建JRC与所选取的统计参数之间的非线性映射关系,建立了JRC支持向量回归(SVR)预测模型,并通过Barton标准剖面线的JRC预测值与试验反算值的对比证明了模型的可靠性。以三峡库区秭归县马家沟滑坡所处地层岩体结构面为例,基于三维激光扫描试验获取了其表面形貌数据并建立了三维形貌模型,开展室内直剪试验反算得到了其JRC。实例JRC的计算结果表明,SVR模型预测结果与试验反算值的相对误差仅为4.5%,不同统计参数回归关系式对于相同剖面线的估算结果存在较大差异,表明基于所选取的统计参数,采用SVR模型预测得到的JRC更加可靠。该方法为JRC的定量确定提供了新思路。     

不同采样间隔下结构面形貌特征和各向异性特征的统计参数稳定性研究

岩石结构面形貌特征直接影响其宏细观剪切破坏特征和剪切强度,因此,清楚地认识在不同点云数据采样间隔下结构面形貌特征和各向异性特征的统计参数稳定性,对于定量认识结构面剪切破坏机制并建立合理的抗剪强度准则十分重要。为此,借助三维白光面扫描系统对3组不同粗糙度的岩石结构面进行测量,并根据稀疏点云数据密度的原理得到其15种采样间隔的点云数据;在此基础之上,研究了2D统计参数坡度均方根Z_2、粗糙度指数R_p和θ_(max)~*/(C+1)_(2D)以及其所对应的3D坡度均方根Z_(2s)、3D粗糙度指数R_s和3D统计参数θ_(max)~*/(C+1)_(3D)随采样间隔的变化规律。研究发现,上述统计参数随着采样间隔的增大而减小,且衰减幅度逐渐增大,并与采样间隔存在二次多项式的拟合关系;同时,研究还发现,不同采样间隔下结构面的各向异性特征也具有间隔效应。为定量描述这种结构面各向异性特征的采样间隔效应,利用所构造的无量纲参数结构面各向异性系数DAC和各向异性特征参数K_α对其度量,结果表明,结构面的各向异性与间隔效应呈现正相关的关系。最后,综合岩石自然结构面分析形貌特征参数和各向异性特征参数的稳定性,在采样间隔取为0.1~0.5 mm之间表现较好的稳定性,其参数值偏差不大于3%,因此,建议一般情况下岩石自然结构面三维扫描的采样间隔可取为0.5 mm。     

基于旋转采样法的结构面粗糙度各向异性评价

岩石结构面粗糙度各向异性评价存在不确定性.本文基于高精度激光扫描技术获得的结构面三维点云数据,提出了一种评价岩石结构面粗糙度系数(JRC)各向异性的旋转采样法.通过典型结构面试样的对比分析,探讨了采样方法和尺寸对JRC各向异性的影响.结果表明:(1)已有的单一轮廓线采样法获得的JRC各向异性数据离散,各向异性评价结果偏...     

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率R_s,建立JRC与R_s的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和R_s对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明：JRC与R_s呈对数函数关系,其平方根R²为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,R_s和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和R_s值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。     

岩石结构面的表面形态特征研究

本文用理论分析和数值模拟方法对具有不同粗糙度和起伏度的岩石结构面的形态特征作了定量研究, 着重研究了结构面表面形态参数与基本形态特征参数的关系, 并研究了它们的采样效应。得到了一系列在建立表面形态参数与物理量相互关系时对合理选用表面形态参数有重要意义的结果, 并可为选取合理的采样间隔和最小采样长度提供依据。     

基于孔内影像的岩石节理粗糙度特征研究

目前对岩石结构表面粗糙度的研究往往只局限于地表,难以反映深部岩石节理粗糙度的特征。钻孔孔壁上节理轮廓线包含有三维信息的特点,本文开展了基于数字钻孔摄像技术的岩石节理粗糙度分形特征的研究,利用数字钻孔摄像系统获取地下深度岩石节理全景图,采用边缘检测技术从全景图中提取出节理轮廓线,对其进行空间变换和视距离变换得到地下岩石节理粗糙表面轮廓线的真实状况。与Barton提出的10条标准剖面曲线进行对比得到每条轮廓线的JRC值,并计算其分形维数,根据最小二乘法原理拟合出JRC与分形维数之间的关系为:(D)=JRC=-541.9x2+1362x-818.53。本文研究内容为描述地下深部天然节理的结构及其特征提供了基础,对更深入地研究地下深部岩石节理的表面空间状况有重要的意义。     

高陡岩质斜坡结构面的无人机贴近采集与粗糙度分析

为了研究采样尺寸、采样间距对结构面粗糙度评价结果的影响,本文以川藏线昌都至林芝段的色曲特大桥左岸高陡斜坡结构面为研究对象。使用无人机贴近摄影测量技术获取斜坡的三维空间坐标和表面纹理数据;室内实现斜坡的三维重建以及点云化处理;从点云模型上人为提取出37个结构面信息,使用MATLAB进行结构面规则网格化重建;基于Z_2S法描述结构面粗糙度表征值在不同尺寸、不同间距下的变化规律。结果表明:结构面粗糙度的尺寸效应、间距效应明显,采样间距的增大使有效采样尺寸值减小。因此,在进行粗糙度研究时应选取较小的采样间距,采样尺寸应大于等于“真”有效采样尺寸值。此外,本文是无人机贴近摄影测量技术应用在结构面数据采集领域的一个案例,是进行结构面粗糙度特征研究的有益补充。     

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。     

结构面粗糙度统计测量最小样本数确定方法

由于结构面粗糙度具有各质异性、各向异性、非均一性和尺寸效应等特征，结构面粗糙度系数（JRC）取值具有不确定性，工程中广泛采用统计方法来分析结构面粗糙度性质，然而以往研究往往忽略样本数不足对统计结果的影响。针对结构面粗糙度统计测量时无法确定合理样本数的问题，分别提出基于变异系数级比分析及简单随机抽样原理的最小样本数确定方法。以实际工程岩体结构面表面数据为研究对象，对比分析两种方法在系列尺寸下确定的统计测量最小样本数。实例分析表明：小尺寸样本的变异系数（CV）值明显大于大尺寸样本，且CV值随取样尺寸的增大而减小，取样尺寸为10～50 cm的CV值基本稳定在0.31～0.47之间，取样尺寸为60～100 cm的CV值基本稳定在0.21～0.31之间；最小样本数与取样尺寸基本满足幂函数关系，且最小样本数随取样尺寸的增大而减少；系列尺寸下级比分析方法在允许误差为±2%时确定的最小样本数与简单随机抽样原理在最大允许误差为10%、置信度为95%时计算的最小样本数是一致的，相似度大于0.997。该研究方法可为工程岩体中定量获取结构面粗糙度统计测量最小样本数提供依据，保证了JRC（结构面粗糙度系数）统计测量结果的准确性，对工程岩体稳定性评价中结构面力学参数的准确获取具有重要意义。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的研究现状

岩体结构面粗糙度系数JRC是描述岩体结构面粗糙起伏状态的力学参数,对于无填充或少填充的硬性结构面而言是关键性指标。本文介绍了岩体结构面粗糙度系数JRC估算方法的理论及应用研究现状,并探讨了JRC研究中存在的几个问题。     

基于方向性粗糙度参数的节理峰值抗剪强度理论模型

节理裂隙控制着岩石工程的剪切滑移稳定性。现有的节理峰值抗剪强度模型多为经验模型,且较少考虑粗糙节理峰值抗剪强度的采样点距效应及各向异性。采用3D打印技术制备了5组吻合的粗糙光敏树脂节理模具,利用水泥砂浆复制了25组相同壁面强度的人工粗糙节理,开展了5种法向应力水平下节理直剪试验。基于改进的接触面积比-视倾角门槛值关系,建立了仅含一个方向性粗糙度参数的三维粗糙节理峰值抗剪强度理论模型。该理论模型除粗糙度参数外无需拟合其他参数。对比分析发现,新模型比文献中的经验模型预测精度更高。新模型预测效果受采样点距影响较小,且能有效地反映节理峰值抗剪强度的各向异性。     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在实验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在试验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;节理粗糙系数JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

岩石节理粗糙度系数的分形特征

岩石节理粗糙度系数JRC是估算节理抗剪强度和变形指标最重要的参数。通过对简易纵剖面仪获取的节理表面轮廓曲线的分形研究,讨论了节理表面轮廓曲线的自相似性和JRC的自相似性,并根据实测统计资料的分析,指出了分形理论研究JRC的适用条件和有效的使用方法。由实测统计资料的JRC尺寸效应自相似性分析,认为JRC尺寸效应具分形结构。本文介绍了一种确定JRC尺寸效应分维数D的方法,由此确定的分维数D具有明确的物理意义。     

不同粗糙度的节理直剪颗粒流分析

利用二维颗粒流程序生成5种不同粗糙程度的节理模型,并对5种节理模型进行了5种不同法向恒定荷载作用下的直剪试验,从细观角度分析了不同粗糙程度的节理模型在法向荷载下的形貌损伤情况和裂纹演化机制。与此同时,分析了节理JRC值和节理面颗粒摩擦系数对节理抗剪强度影响,并反推出了节理面抗剪强度参数Cj与?j与JRC值的关系。结果为：法向恒定荷载越大时,节理峰值抗剪应力越大,剪胀现象越小,节理形貌损伤范围越大。随着剪切的进行,上下节理面接触范围减小,微裂纹开始主要沿节理面产生,随着剪切位移的继续增加微裂纹数量显著增加,并且不局限于节理面附近而深入到模型内部。随着节理粗糙程度（JRC值）和节理面颗粒摩擦系数的增加节理峰值抗剪应力也增大。节理抗剪强度参数Cj与?j随着JRC值的增大而增大。所得结果可以为室内试验和工程应用提供参考和依据。     

基于剪切行为结构面形貌特征的描述

描述岩石结构面形貌特征的一个重要作用就是为了能更好地理解结构面的剪切行为。首先,从结构面剪切具有方向性的特点出发,抓住在剪切方向上对剪切行为起关键作用的结构面形貌特征,提出描述结构面形貌特征的参数抗剪系数SC。该参数描述了在剪切方向上二维形貌的起伏特征、起伏的统计分布特征以及高度特征,并且还可以表征结构面形貌的方向性。同时,在对10条节理粗糙度系数JRC标准曲线的数字化基础上,建立了抗剪系数SC与JRC值之间的拟合关系。基于三维白光扫描技术得到的自然岩石结构面的点云数据,进一步将抗剪系数SC进行了三维化扩展,使其能够较好地描述结构面的三维形貌特征。最后,以某自然岩石结构面为算例,用三维抗剪系数SC3D度量其沿不同分析方向上的形貌特征,结果表明,抗剪系数能很好地表征结构面形貌特征的各向异性。     

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。     

不同成因结构面各向异性特征及其剪切力学特性

岩体结构面具有明显的各向异性,其直接影响岩体的变形特性、力学特性与渗流特性,因此对结构面的各向异性特征开展量化分析尤为重要。针对不同成因(劈裂、剪切)结构面,利用结构面量化参数(节理粗糙度系数JRC、节理平均倾角θ、分形维数D_B)对其各向异性特征进行了分析,研究了各向异性特征对其剪切力学特性的影响。研究结果表明:(1)在劈裂断裂结构面中,平行劈裂方向的JRC与θ值普遍大于垂直方向,且随角度变化波动较小,D_B在对角线方向变化较大,其值与所取剖面线长度有关;而在剪切断裂结构面中,平行剪切方向的JRC和θ值与垂直方向无明显差别,但D_B同样在对角线方向变化较大;(2)在评价结构面各向异性时,采用θ、D_B等参数评价时,劈裂断裂结构面与剪切断裂结构面各向异性系数无明显差别,采用JRC作为评价参数时,其各向异性系数差异较大,能较好反映不同结构面之间的差异特征;(3)剪切断裂结构面的峰值剪切荷载和法向位移均高于劈裂断裂结构面,两种结构面的剪胀角达到峰值时的剪切位移相近,剪切断裂结构面的开度分布较为集中且普遍较大,劈裂断裂结构面开度分布则较为分散。     

携剪实验和JRC-JCS模型在结构面抗剪强度取值中的应用

以某工程边坡中的岩体结构面为研究对象,为得到较合理的抗剪强度参数,分别使用携剪试验和JRC-JCS模型得到两种参数,然后在对比分析各实验结果的基础上综合取值.结果表明,携剪试验受取样制约,所得抗剪强度值大于实际,而JRC-JCS模型利用现场回弹仪试验和结构面实际粗糙值,所得强度值更接近实际.