JRC分形估测方法的实用性

基于分形几何的码尺法分维数与岩石节理粗糙度系数的物理意义剖析，认为Ｄ－ＪＲＣ之间不存在必然的相关性．分析标准轮廓曲线的分维数，发现其分维数差级微小，难以实行粗糙度系数分级．根据实测资料阐述了岩石节理表面轮廓曲线的“自相似”是统计意义而不是绝对的，它要求ＪＲＣ分形估测应统计求取，而过繁的分维数测量步骤削弱了ＪＲＣ的分形统计估测的可行性．建立在实测资料统计分析基础上的ＪＲＣ尺寸效应分形模型ＪＲＣｎ＝ＪＲＣ０（Ｌｎ／Ｌ０）－Ｄ客观而真实地刻画了粗糙度系数随取样长度增大而降低的规律，其中，ＪＲＣ尺寸效应分维数（Ｄ）具明确的物理意义，它描述了ＪＲＣ随结构面规模增大而降低的衰减速率．最后，运用ＪＲＣ尺寸效应分维数（Ｄ）探讨了岩石节理粗糙度系数尺寸效应的各向异性规律．     

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。     

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。     

岩体结构面力学行为的尺寸效应研究

尺寸效应是岩体结构面力学行为的重要特征。本文列举了结构面力学行为中普遍存在的尺寸效应现象,并由实测统计资料的分析,论证了结构面力学行为的尺寸效应具有分形结构。通过结构面力学行为尺寸效应的机理研究,建立了结构面力学行为尺寸效应分维数和结构面粗糙度系数尺寸效应分维数之间的相关关系,从而简化了结构面力学行为尺寸效应规律的表述,为客观评价岩体结构面力学参数提供最为有效的手段。     

基于随机森林方法的岩石节理粗糙度系数研究

岩石节理粗糙度系数(JRC)是研究岩石力学的重要参数之一。为精确有效地描述JRC,提出了一种基于随机森林(Random forest,RF)算法研究JRC的新方法。首先,详细叙述了RF算法的原理和实现流程;然后,简要分析了影响JRC的一些统计参数,确定了7个重要的基本变量,即节理表面最大峰高Sp、表面最大高度Sz、表面最大谷深Sv、峰度系数Sku、偏斜度系数Ssk、均方根高度Sq、算数平均高度Sa;最后,结合R语言构建了一种RF回归预测分形维数D和JRC值的模型,其中用于训练和测试RF回归模型的样本资料源于某高校的实测数据。用6组实测数据对训练后的RF回归模型进行了测试,试验结果表明:(1)利用RF回归模型预计的D值、JRC值与实测值的最大相对误差仅为3.844%、4.553%。(2)RF回归模型具有较强的泛化能力,需要考虑的模型参数少,预测精度高,为今后继续研究D值和JRC值提供了一种新思路。     

节理岩体的分维特征及其工程地质意义

本文用分形理论,对节理网络分布和粗糙度曲线进行分形分析。结果表明,节理的空间分布和粗糙度曲线具自相似性;分维是一个表征岩体强度、岩体损伤程度、岩体质量及节理粗糙程度的几何参数,并可用于评价岩体稳定性、断裂体系活动性及划分风化卸荷带等。     

隧道围岩断面轮廓分维数与岩体质量关系

隧道的超欠挖对衬砌结构稳定性有较大影响,研究超欠挖规律,对于了解围岩受力、保证施工安全具有重要意义.根据隧道断面轮廓超欠挖序列的统计自相似性,结合小波分析的多分辨率功能,采用小波分析计算分形维数的方法,对白鹤隧道47个断面轮廓进行分维数计算.断面轮廓分维数与岩体RMR和Q呈线性关系,随着RMR和lnQ的提高,断面轮廓分形维数将降低.断面轮廓分形维和隧道的围岩分类以及超挖百分比存在复线性相关关系.     

隧道围岩超欠挖与节理和洞轴线之间的关系

从分形几何角度分析,隧道围岩超欠挖具有自相似性,对于一定洞径的隧道,隧道围岩超欠挖曲线分形维数是岩体结构和洞轴线的函数。对于主要发育一组陡倾节理的情况研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数与节理间距呈双对数线性关系,与节理走向和洞轴线的夹角呈双对数线性关系,并建立了它们之间的多元关系。     

岩体节理面的力学效应研究

简易纵剖面仪和Ｒｙ—ＪＲＣ尺为定量统计研究岩体节理的表面形态和粗糙度系数提供了有效的量测工具．本文根据简易纵剖面仪在某一节理面上野外现场绘制的１０２３条不同方向、不同取样长度的节理表面轮廓曲线的实测统计资料,系统、定量地分析了节理表面形态的各质异性、各向异性和非均一性;运用ＪＲＣ—ＪＣＳ模型讨论了岩体节理力学参数的各质异性效应、各向异性效应、非均一性效应、评定长度效应、几何形状效应和法向应力效应等问题．在此基础上,提出了按岩性定向统计研究节理表面形态、估测节理粗造度系数和估算岩体节理力学参数的科学思路．文末对正确运用ＪＲＣ—ＪＣＳ模型估算岩体节理力学参数的有关注意事项作了简要说明．     

基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

Determination of Joint Roughness Coefficients Using Roughness Parameters

This study used precisely digitized standard roughness profiles to determine roughness parameters such as statistical and 2D discontinuity roughness, and fractal dimensions. Our methods were based on the relationship between the joint roughness coefficient (JRC) values and roughness parameters calculated using power law equations. Statistical and 2D roughness parameters, and fractal dimensions correlated well with JRC values, and had correlation coefficients of over 0.96. However, all of these relationships have a 4th profile (JRC 6–8) that deviates by more than ±5 % from the JRC values given in the standard roughness profiles. This indicates that this profile is statistically different than the others. We suggest that fractal dimensions should be measured within the entire range of the divider, instead of merely measuring values within a suitable range. Normalized intercept values also correlated with the JRC values, similarly to the fractal dimension values discussed above. The root mean square first derivative values, roughness profile indexes, 2D roughness parameter, and fractal dimension values decreased as the sampling interval increased. However, the structure function values increased very rapidly with increasing sampling intervals. This indicates that the roughness parameters are not independent of the sampling interval, and that the different relationships between the JRC values and these roughness parameters are dependent on the sampling interval.     

Natural fracture profiles,fractal dimension and joint roughness coefficients

Summary Thirteen natural rock profiles (Barton and Choubey, 1977) are analyzed for their fractal properties. Most of the profiles were found to approximate fractal curves but some also showed features of specific wavelengths and amplitudes superimposed on fractal characteristics. The profiles showed fractal dimensions from 1.1 to 1.5 covering a range of selfsimilar and self-affine curves. The analysis results suggest a negative correlation between fractal dimension,D, and amplitude,A. Joint roughness coefficients (JRC) show a positive correlation with amplitude,A, and a negative correlation with fractal dimension,D. A numerical model of fracture closure is used to investigate the effects of different profile characteristics (D, A and sample size) on the nature of dilation and contact area, using the natural profiles and synthetic fractional Brownian motion profiles. Smooth profiles (low JRC, highD, lowA) display many small contact regions whereas rough fractures (high JRC, lowD, highA) display few large contact areas. The agreement with published experimental data supports the suggested correlations between JRC and the fractal parameters,A andD. It is suggested that observed scale effects in JRC and joint dilation can be explained by small differential strain discontinuities across fractures, which originate at the time of fracture formation.     

岩石结构面几何特征的分形与分维

本文引用B.B.Mandelbrot创立的分形几何学这一新理论及其思维方法,对岩石结构面的几何特征,包括规模、隙宽、密度和粗糙度进行分形分析。结果表明,在10~7级范围内,结构面几何特征呈现出很强的自相似性,其分数维分别为0.8272、0.8173和2.1385;粗糙度JRC则由分数维方便地定量地表征。这一客观规律的揭示,对各种尺度结构面几何特征、渗透路线的形态和流速趋势的确定具有重要的理论价值和现实意义。     

估算岩石断裂面粗糙度的一种分形模型

提出了一种更为简单的估算岩石断裂面粗糙度值的分形模型,可用来模拟岩石断裂面剖面线。断裂面愈粗糙,其分维值也愈大,并建立了分维值与ＪＲＣ值之间的经验方程。     

隧道超欠挖断面轮廓分形特征

对于极不规则的隧道围岩超欠挖轮廓,分形几何无疑是一个新思路。在测量数据的基础上,应用分形几何来定量描述围岩超欠挖轮廓线,表明隧道各类围岩的超欠挖曲线具有自相似性。在此基础上,进一步分析了各类围岩超欠挖曲线的分形维数与围岩类别之间的关系。研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数能较为直观地反映围岩类别,但其并不随着围岩类别的变化而呈线性变化;对于洞径一定的隧道,围岩超欠挖曲线的分形维数更能反映岩体结构和洞轴线之间的关系,这为准确预测掌子面前方围岩超欠挖情况奠定了理论基础。     

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。     

Failure Process after Peak Strength of Artificial Joints by Fractal Dimension

Because lack of information when the joints exhibit strain softening behavior, the transition from peak to residual values is assumed to decrease either linearly or exponentially. Also, displacement of slide side after peak is much larger than the peak displacement and the stress approaches the residual state, thus studying failure process after peak strength is very important. In this research, three types of artificial joints with tooth-shaped asperity under repeated direct-shear were tested. Continuously movement of slide side after peak strength was monitored during shearing test. Reduction of shear parameters was examined according to two failure criteria (Barton and Patton). JRC value (Joint Roughness Coefficient) for a given profile was estimated by fractal dimension. One of the results of this study is that Barton’s criterion predicts a good estimation of residual strength and the second result is when the amount of fractal dimension of a joint surface increases, the JRC amount also increases, and with having value of h (height average) and l (base average) of a tooth-shaped asperity can determine the JRC of joint surface. M. Askari is a M.Sc Student of Engineering Faculty, Mining Engineering Department, Tarbiat Modares University, Tehran.     

结构面粗糙度系数与采样精度的关系研究

结构面粗糙度系数（JRC）的获取过程中存在采样精度问题,为了获取合理的JRC值,本文开展了JRC剖面线采样点精度研究。选取3种岩石,每种取10个具有一定粗糙程度的结构面为研究对象,运用三维激光扫描技术获取结构面几何形貌特征并进行数字化处理。在此基础上,提取结构面选定剖面线的起伏信息,利用分形理论计算不同采样点间隔条件下剖面线的JRC值,分析JRC取值中存在的采样点间隔效应,并研究其影响因素。结果发现:JRC值受剖面线采样点间隔影响,当采样点间隔小于临界间隔值时,JRC值基本保持不变;当间隔大于临界间隔值时JRC值出现波动。采样点临界间隔值与结构面粗糙程度相关,与JRC值呈负指数函数关系,并且其关系受岩石类型影响,岩石颗粒越小两者拟合度越高。综合3种岩石得到JRC值与采样点临界间隔值关系服从y=1.8314e-0.067x的函数分布,可以此为依据进行采样点临界间隔定量取值,来消除间隔效应对JRC值的影响。该项研究成果可为结构面粗糙信息采集提供科学的方法,通过选取合理的采样点数量,保证结构面信息采集工作效率和JRC值计算精度。