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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于多元拟合方程的结构面粗糙度系数JRC估算

本文以BARTON的标准粗糙度剖面为研究对象,假定剪切方向为从左向右,量取剖面曲线长L以及"爬坡"时的倾角i_i和与倾角相对应高差h_i、面积S,把不同的因素组合在一起,用MATLAB对测得的数据进行拟合,得到用来估算结构面粗糙度系数且不依赖于结构面长度的解析方程。结果表明:剖面长度比和面积比组合得到的拟合方程较差,剖面长度比、面积比和爬坡高组合得到的方程较好;剖面长度比、倾角i_i和高差h_i三个指标的组合拟合方程最好,可很好地反映结构面粗糙度,拟合优度达97. 1%。     

一种描述结构面剖面线粗糙度的新方法

采用法向矢量单位圆描述结构面剖面线粗糙度,从各微分段的角度关系阐述粗糙度,进而将二维问题转化为一维问题处理并提出"角度粗糙度"的概念.考虑到各微分段的实际长度对粗糙度的贡献,采用加权均值与加权方差定量描述角度粗糙度;角度粗糙度越大表明该剖面越粗糙.对规则剖面线与不规则剖面线采用"角度粗糙度"进行描述,所得结果跟已有的剖...     

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。     

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。     

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.     

岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大     

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．     

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。     

An Algorithmic 3D Rock Roughness Measure Using Local Depth Measurement Clusters

Summary. A computational algorithm which uses depth data from a reference plane to a rock fracture surface in calculating a new three-dimensional joint roughness coefficient is presented. Two independent sets of fracture data are investigated. The new coefficient is compared to Barton’s 2D joint roughness coefficient JRC. A measure indicating corrupt data is discussed. The algorithm is also used to show that, in general, rock roughness is only a local variable, not a directional one.     

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。