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。     

钻孔图像中岩石结构面三维形貌特征及优势抗滑方向研究

岩石结构面形貌特征及其力学性质一直是国内外岩石力学及工程地质领域的重要科学问题。用钻孔图像准确地记录钻孔孔壁信息和原位岩体结构面形貌特征,提出一种钻孔图像结构面轮廓线分析提取方法,开展岩石结构面三维形貌特征及其力学性质的研究。针对钻孔图像中岩石结构面轮廓线的独特性,经过轮廓线信息提取、坐标转换、环状信息分析和采样方式处理等步骤,准确地还原孔内原位岩石结构面形貌特征,再利用各段轮廓线的分形维数描述岩石结构面的粗糙度和各向异性特征,判定岩石结构面的优势抗滑方向和对评估结构面的抗剪强度进行补充说明。结果表明,在钻孔图像中通过分析变换后的结构面轮廓线,能够很好地反映出孔内岩石结构面的三维形貌特征,可以用来解决实际工程应用中岩石结构面优势抗滑方向的判定问题和结构面抗剪强度的估算问题。     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

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。     

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。     

甘肃北山花岗岩岩体结构面粗糙度系数（JRC）研究

岩体结构面表面形态研究对岩石工程结构体强度及变形特征研究评价具有重要的指导意义.文章评述了现有岩体结构面粗糙度系数(JRC)的各种测定方法及存在的问题,分析了在高放废物处置库预选场址甘肃北山花岗岩地区,用"简易纵剖面仪"进行地表岩体及钻孔岩心裂隙结构面JRC的测量结果.     

数字钻孔摄像在周集铁矿深部普查中的应用

在安徽霍邱周集铁矿深部普查项目中,采用了数字钻孔摄像技术,并获得了大量铁矿区地质资料。数字钻孔摄像技术形成的钻孔围岩三维立体摄像图像清晰可辨,能够直观识别出铁矿典型区域孔壁,通过优化算法精确计算出结构面产状和隙宽,并划分出优势结构面,确定出结构面的变化规律,与实际岩芯对比基本一致,获取的钻孔信息资料可靠、直观,为深部普查提供了重要参数依据。从中可以得出的结论为:1数字钻孔摄像系统在铁矿深部普查中能够发挥重要作用;2数字钻孔摄像系统能够准确有效地勘测出铁矿钻孔内地质特征;3数字钻孔摄像系统能够划分出优势结构面和确定结构面的变化规律。     

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。     

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。     

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．     

Investigation of natural rock joint roughness

The paper provides a comprehensive review on rock joint roughness measurement and quantification procedures. Superiority of fractal based methods over JRC, statistical parameters and statistical functions in quantifying roughness is discussed in the paper. Two of the best fractal based methodologies available in the literature, the modified 2-D divider and variogram methods, are used to quantify natural rock joint roughness in 3-D and 2-D, respectively. The capability of these two methods in accurate quantification of natural rock joint roughness is shown in the paper by applying the procedures to four natural rock joints. A good comparison has been obtained from the values obtained through the two methods. Both these methodologies have two parameters to capture the stationary roughness. The fractal dimension captures the spatial auto correlation of roughness; the other parameter captures the amplitude of roughness. Anisotropic roughness has been studied by applying two other methodologies: (a) a triangular plate methodology and (b) a light source methodology to the same four natural rock joints. A reasonably good comparison has been obtained through the results of these two methodologies. All four roughness quantification methodologies can be applied to any size of sample covering from laboratory to field scales. The results of the triangular plate and light source methodologies provided possible sliding direction values (under the gravitational loading) close to that reported in the literature for the rough discontinuity planes used in the study.     

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。     

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。     

岩体节理表面几何特性描述

岩体节理表面几何特征对岩体变形、刚度、剪切强度和水渗导性有重要影响,一般用节理粗糙度系数（ＪＲＣ）、节理吻合系数（ＪＭＣ）来描述。本文用节理表面分维（ＪＳＦ）来描述节理表面形态的复杂性,为节理表面几何特征描述提供了一个新的方法。     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。