基于光照技术的配称结构面有效受剪区域量化研究

结构面的有效受剪区域直接影响其抗剪性能,在以往结构面粗糙度和接触状态分析的基础上,结合结构面的形貌特征扫描和光照技术,对配称结构面有效受剪区域的量化分析方法进行了研究。结果表明：（1）在光源照射下,结构面上的光亮部分较好地反映了剪切过程中的有效受剪区域,对不同入射角下三维光亮面积百分比（BAP3D）的值进行了统计,随着入射角度的增大,结构面三维光亮面积百分比（BAP3D）整体呈近似S型的增长趋势;（2）将结构面有效受剪区域面积与结构面总面积的比值定义为有效受剪系数（JEC）,结合Patton模型,从理论上分析确定了光源最佳入射角度φB=90°–(φb+i)（φb为结构面基本摩擦角,i为结构面平均起伏角）,此时,光亮区域面积和实际有效受剪面积一致,对应BAP3D即为所求的结构面有效受剪系数;（3）考虑有效受剪系数,对Barton剪切力学模型进行修正,建立了修正的结构面剪切力学模型,验证分析表明该模型能较准确地估算结构面的抗剪强度。     

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。     

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。     

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。     

基于功率谱密度的评估岩石节理粗糙度新方法

为进一步提高结构面粗糙特征描述的精确性和可靠性,更全面地体现出细微形貌的影响,将轮廓线凹凸起伏分解为幅值、倾角和曲率3个特征,分别代表轮廓线的高度变化、角度变化和弯曲程度变化。以Barton建议的10条标准轮廓线为例,计算其幅度、角度和弯曲度的特征曲线,获得了三者的分布规律。利用可表征微细观形貌的功率谱密度函数研究了3种特征曲线的频谱特征,然后从功率谱密度对数曲线中提取了可以描述形貌特征的分形参数D_j（斜率相关）和粗糙度参数A_j（截距相关）,在此基础上研究了D_j和A_j与节理粗糙度系数（joint roughness coefficient,简称JRC）的关系。同时,将该指标推广到了三维形貌的表征形式,并计算了大理岩剪切面的三维粗糙度。结果表明：新指标评估精确度高,可反映结构面各向异性特征,能有效表征结构面粗糙特征,对研究结构面剪切力学性质有重要意义。     

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。     

利用"岩体裂隙率"评价工程岩体的质量

本文提出用建立在岩体结构面网络三维模拟基础上的“岩体裂隙率”来表征岩体的质量。它可以用来衡量结构面的发育程度及岩体的完整性，评价岩体质量，用于工程岩体分类。     

基于点云数据对齐技术的岩体结构面三维吻合度求取

为了更好地描述岩体结构面的吻合程度,引入点云数据对齐技术,计算获得岩体结构面三维吻合度参数(JMC3D)。采用三维激光扫描技术,获取岩体结构面上下盘点云数据,基于迭代最近算法(ICP),将结构面参考面和测试面点云数据统一到全局坐标系中并实现对齐,计算对齐后的测试面与参考面之间的Z坐标高差;然后,将高差位于对齐误差区间的点云数据作为吻合部分予以定量化,计算岩体结构面上下盘吻合面积百分比,从而获取三维吻合度参数。最后,根据JRC-JMC模型公式求取岩体结构面剪切强度,与室内岩体结构面直剪试验结果对比分析进行方法验证。4组试验对比结果误差分别为7.38%、3.21%、9.03%、10.02%,表明基于点云数据对齐技术求取的岩体结构面三维吻合度具有一定可行性和实用性,同时也进一步印证岩体结构面三维吻合度与剪切强度之间的相互联系。     

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。     

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。     

岩体结构面水力学模型及应用

本文提出岩体结构面适应性平行板模型和该模型的参数确定方法——三段压水试验新解释,新的模型有益于克服将结构面圆盘模型应用于地下水模拟中的局限性;基于结构面起伏度对地下水流动的影响,导出了起伏度修正系数解析表达式。     

硬性结构面粗糙度系数量化确定及其工程应用

本文通过对硬性节理表面粗糙度系数JRC量化确定的研究,对包括Barton推荐标准曲线在内的大量结构面起伏曲线矢量化分析,利用期望值的概念反映结构面起伏曲线粗糙度JRC,建立JRC与起伏曲线高度、坡度两个因素的经验公式,为Barton理论公式法快速预测结构面参数提供了充足条件,并用理论公式法预测成果与试验成果进行对比分析。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的定向统计研究

本文回顾了岩体结构面粗糙度系数JRC的研究成果，分析了各种JRC研究方法的应用范围。在野外实际结构面形态的详细调查和深入研究的基础上，发展了Barton直边法，并提出按岩性定向统计研究结构面粗糙度系数JRC的科学思想。     

智能JRC测量仪的研制

研制了一种智能JRC测量仪,该仪器可直接测量岩体结构面的粗糙度系数JRC值,适用于野外任意产状的岩体结构面,可以沿任意方向测量岩体结构面粗糙度系数,具有重量轻、体积小、携带方便、操作简单、测量速度快等特点。     

基于PFC2D数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC2D颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明：异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。     

岩体体积节理数表征岩体完整系数的结构面类别修正研究

岩体完整性是评价工程岩体稳定性的重要指标之一。众多研究结果表明,岩体完整性系数K_v能比较全面地体现岩体的完整性,但其测试难度高,且不利于现场测试工作的频繁开展,需要一种更易于测量的指标。基于文献调研及大量工程实测数据,通过研究岩体体积节理数J_v与岩体完整系数K_v的关系,提出了考虑结构面类别的J_v表征K_v的修正方法。修正方法中将结构面划分为5类,明确了结构面性状定性、定量划分依据,并依据实测数据确定了结构面修正系数Jp的取值方法。对比实际工程中的实测K_v值、国标推荐换算得到的K_v值、线性拟合得到的K_v值、修正换算方法得到的K_v值,结果表明,采用修正方法得到的K_v值与实测K_v值的拟合优度更高,绝对残差较国标推荐算法和线性拟合换算结果分别减少了58%和32%,换算准确度更高。这证明了研究提出的岩体体积节理数表征岩体完整系数的结构面类别修正方法在工程应用上是可行的,可以在后续工程中推广使用。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的定向统计研究

本文回顾了岩体结构面粗糙度系数ＪＲＣ的研究成果，分析了各种ＪＲＣ研究方法的应用范围。在野外实际结构面形态的详细调查和深入研究的基础上，发展了Ｂａｒｔｏｎ直边法，并提出按岩性定向统计研究结构面粗糙度系数ＪＲＣ的科学思想。     

基于SHPB试验的粗糙节理面动态损伤特征研究

分析节理岩体在动态加载下的节理面损伤有助于把握节理岩体的动态破坏本质特征。针对节理形貌对节理岩体动态压缩破坏影响研究较少的现状,利用改进后的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对含粗糙节理的试样进行冲击试验,结合3D扫描仪等设备对多次低幅值冲击荷载下的节理面损伤特征进行定量研究。研究结果表明:粗糙节理试样在多次加载情况下,典型波形图表现出透射波幅值降低的现象,认为应力波在节理处的透射能力削弱与节理面出现的损伤现象有关;利用波速探伤技术验证了多次冲击荷载下岩块部分损伤较弱,而节理面的损伤现象更加显著,具体特征为粗糙节理面的整体起伏度减小,粗糙度增加;引入体积损失率以定量评价节理面损伤程度,发现节理吻合度系数(JMC)、节理凸起分布情况及节理起伏角对节理面的损伤具有不同程度的影响;最后,利用试验数据计算了耗散能以定义损伤变量,发现具有较小节理吻合度系数(JMC)的节理面表现出更剧烈的节理损伤程度;然而在比较节理试样的前后损伤变量发现,利用新定义的损伤变量反映节理岩体的损伤存在一定局限。     

基于JRC-JCS模型的屈服接近度及地下工程围岩稳定性分析方法

推导出JRC-JCS非线性模型下屈服接近度的计算公式,采用数值方法编制JRC-JCS模型下屈服接近度的计算程序,并对比该程序的分析结果与FLAC3D所得的结果,探讨各个参数对屈服接近度的影响。分析表明,屈服接近度 =1的结果与FLAC3D计算的塑性区分布范围表征的结果一致,验证了计算程序的正确性和基于屈服接近度分析获得的结果能反映非塑性区岩体的危险程度,较塑性区分布判别方法更加合理。随着节理粗糙度系数 和为岩体压缩强度 的增大,岩体屈服接近度均逐渐减小, 与 的关系呈线性特征, 与 的关系呈非线性指数特征。     

岩体结构面粗糙度JRC研究进展

本文首先评述了现有确定岩体结构面粗糙度系数JRC的各种方法,如Barton经典剖面法、直接量测法、表面粗糙参数法、伸长率法、幅度法等.随后重点介绍了近年来发展起来的用分维理论(Fractal)描述岩体结构面粗糙起伏特征方法的原理和计算结果.实践证明Fractal法是最有发展前景和成功的方法.最后还对JRC的应用和发展中的若干问题作了讨论.