CN103093041A - 工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法，(1)利用3GSM数字摄像测量技术和钻孔摄像技术调查施工现场的结构面信息；(2)识别出所有的非贯通结构面，并计算其贯通系数，找到贯通系数小于1的非贯通结构面；(3)计算出贯通系数小于1的所有非贯通结构面的贯通强度，找到贯通强度小于实际强度且数值最小的那一组结构面，将这组结构面作为连通的结构面考虑；(4)重复步骤(2)(3)，直到所有的非贯通结构面都分析结束；(5)根据分析处理的结果建立工程岩体三维可视化块体分析模型。本发明基于岩桥贯通准则的块体理论分析搜索出的工程中可能滑落的关键块体更为精准和全面。

Description

工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法

技术领域

本发明属于土木工程中岩土工程技术领域，涉及一种工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法。

背景技术

岩体不是均质的，而是由许许多多的滑动面、裂隙、节理、弱面、夹层以及断层(统称为结构面)等组成的非均质各向异性和非连续的复合结构体。结构面按其贯通与否，可分为贯通结构面和非贯通(断续)结构面。如果某组结构面连续且贯通整个岩体，是构成岩体、岩块的边界，则该结构面称为贯通结构面；如果岩体中某组结构面断续发育，或者与其结构体相互切割时并未将岩石完全割离，则称该组结构面为非贯通结构面。非贯通结构面岩体的破坏和失稳最终都是通过岩体内部结构面的张开、闭合和扩展而产生的贯通而滑移所引起的。在这些贯通滑移面上除了结构面外一般都包含新发生破坏的完整岩石-通称岩桥。岩体的破坏通常是由结构面和岩桥共同破坏组成的。由于岩桥的存在使非贯通结构面岩体的受力及破坏特征都发生了质的变化：结构面端部应力高度地集中，将导致脆性断裂破坏；整体的破坏特征表现为由原生结构面和自结构面端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏。

众所周知，块体理论是假定岩体结构面为平面、结构面切割而成的块体为刚体，块体失稳为脱离岩体或沿结构面产生滑动等平动模式，不考虑块体和结构面变形、开裂，利用几何学法分析不同开挖面上可能出现的可移动块体类型及失稳模式。经典的块体理论从几何学而言，理论是完备的、封闭的，主要根据结构面的产状等参数直接判断相应岩体的可动性。然而从工程施工现场的实际情况来讲，它还存在着许多的局限性，例如图1(a)所示，结构面②是一条非贯通结构面，因为岩桥的存在，划分的块体是不可移动的，是稳定的。但是，实际上在施工扰动等外力作用下，结构面可能会发生的张开、闭合和扩展而产生贯通，就会出现如图1(b)的情况，划分的块体就是可移动块体，进而可能成为岩体破坏的关键块体。可见，识别出工程岩体中的非贯通结构面，并采用合理有效的处理方法，使得块体理论的研究更加完善，更好的分析工程的稳定性就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于本发明针对现有块体理论研究无法搜索出因岩桥贯通而滑移的关键块体的问题，提出了一种工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法，并充分考虑岩桥倾角、结构面摩擦系数、围岩压力、连通率和结构面倾角对非贯通结构面扩展贯通行为的影响，给出了非贯通结构面在三维网络模拟时是否应该连通的判别准则。更好的完善了块体理论的研究。

其技术方案为：

一种工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法，包括以下步骤：

(1)利用3GSM数字摄像测量技术和钻孔摄像技术调查施工现场的结构面信息；

(2)识别出所有的非贯通结构面，并利用下式计算其贯通系数，找到贯通系数小于1的非贯通结构面；

$A=3.294\×{10}^{-5}{(\mathrm{\β}-91.59)}^2+0.2215e^{\mathrm{\μ}}-0.1636e^{-{\mathrm{\σ}}_2}$

$-9.681\×{10}^{-3}L+1.399\×{10}^{-4}{(\mathrm{\α}-42.44)}^2+0.8252$

(3)利用下式计算出贯通系数小于1的所有非贯通结构面的贯通强度，找到贯通强度小于实际强度且数值最小的那一组结构面，将这组结构面作为连通的结构面考虑；

$y=[3.294\×{10}^{-5}{(\mathrm{\β}-91.59)}^2+{0.2215e}^{\mathrm{\μ}}-{0.1636e}^{-{\mathrm{\σ}}_2}$

$-9.681\×{10}^{-3}L+1.399\×{10}^{-4}{(\mathrm{\α}-42.44)}^2+0.8252]Y$

(4)重复步骤(2)(3)，直到所有的非贯通结构面都分析结束；非贯通结构面识别相关的岩桥贯通判断相关源代码见附件。

(5)根据分析处理的结果建立工程岩体三维可视化块体分析模型，利用自行开发的GeoSMA-3D岩体工程稳定性分析软件(该软件技术已经开发相对成熟，可以联系第一发明人直接获得)进行稳定性分析，搜索出的工程中可能滑落的块体关键块体，从而准确地搜索出因岩体内部结构面扩展贯通而滑移的关键块体，更充分准确地分析工程的稳定性。

本发明与现有技术相比的有益效果

本发明提供的工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法，基于岩桥贯通准则的块体理论分析搜索出的工程中可能滑落的关键块体更为精准和全面。

附图说明

图1为背景技术划分块体的结构面示意图；

图2为计算结果与统计结果的误差图；

图3为本发明工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法流程示意图；

图4为边坡信息采集示意图，其中图4(a)为左视图，图4(b)为右视图；

图5为传统块体理论分析结果图，其中图5(a)结构面三维模型，图5(b)搜索出的关键块体，图5(a)中虚线表示模型中结构面迹线位置；图5(b)中粗线黑框部位表示结构面模型中搜索出的关键块；

图6为基于岩桥贯通准则的块体理论分析结果图，其中图6(a)结构面三维模型，图6(b)搜索出的关键块体，图6(a)中虚线表示模型中结构面迹线位置；图6(b)中粗线黑框色表示结构面模型中搜索出的关键块体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本分析方法的具体实施和论证

1非贯通结构面的识别方法

基于现场节理岩体结构面产状调查、测量结果，提出对现场调查结构面数据，添加空间数值模型中，初步搜索非贯通结构面，开展下列处理工作：

(1)结构面信息调查和表征；现场结构面信息采集(包括产状、倾向、倾角、走向、长度等信息)，将这些信息输入到空间数值模型中，进行表征(确定性结构面信息直接输入、非确定性结构面信息根据统计规律表示)。

(2)结构面编号：在空间模型中对表征的所有结构面进行编号，比如现场调查回来10条结构面，我们有了这10条结构面从1～10的编号以及相应的几何参数。

(3)非贯通结构面识别：以编号为1的结构面为基础数据，看编号为2的结构面是否和1可以构成非贯通结构面，只要看二者法向量叉积是否为零，如果为零就命名为编号1组结构面，同时计算出两结构面内部尖端之间的距离，利用连通率公式L＝(结构面1的长度+结构面2的长度)/(结构面1的长度+结构面2的长度+岩桥的长度(也就是两结构面内部尖端之间的距离))计算。如果不为零，则继续判断编号为3的结构面是否和1可以构成非贯通结构面，以此类推直至编号10的结构面也判断完。

(4)对编号结构面逐条识别：下一步再以编号2的结构面为基础数据，判断1、3～10是否与其构成非贯通结构面，再以此类推都判断结束后，再剔除掉重复的非贯通结构面。

(5)确定非贯通结构面，具体确定方法如下：

2非贯通结构面的确定方法

本研究将贯通强度(非贯通结构面岩体在岩桥贯通时的强度)作为判别非贯通结构面是否应该连通的判别指标。当外荷载达到贯通强度时，认为两结构面应该连通，反之，不连通。从目前的研究手段来看，要想准确的获得非贯通结构面的岩桥贯通强度是非常困难的。反之，对含非贯通结构面岩体的峰值强度研究较多，相对比较容易获得。因此，只要找到贯通强度与峰值强度之间的内在联系，即可轻松的获取贯通强度。基于这个思路，本研究引入贯通系数变量，用来描述二者之间的关系。贯通系数定义为贯通强度与峰值强度的比值，如式(1)所示。

$A=\frac{y(\mathrm{\β},\mathrm{\μ},{\mathrm{\σ}}_2,L,\mathrm{\α})}{Y(\mathrm{\β},\mathrm{\μ},{\mathrm{\σ}}_2,L,\mathrm{\α})}---\left(1\right)$

式中：A为贯通系数；y为贯通强度；Y为峰值强度；

选取尺寸为80mm×80mm×160mm的脆性岩石试样，采用FLAC3D数值方法综合分析岩桥倾角、结构面摩擦系数、围压、连通率和结构面倾角五个因素对贯通系数的影响(具体的研究方案及结果见表1)，找到岩桥贯通规律，拟合出含两条非贯通结构面岩体的岩桥贯通强度的经验公式，用来判别两非贯通结构面在三维网络模拟时是否应该连通。

表1非贯通结构面岩体的岩桥贯通准则研究方案

对这些计算结果进行多元非线性回归得出的贯通系数与岩桥倾角、结构面摩擦系数、围压、连通率和结构面倾角之间的函数关系见式(2)，将式(2)代入式(1)得式(3)，即为判断含两条非贯通结构面岩体的岩桥是否应该连通的贯通准则。对统计结果进行误差分析如图2所示，计算结果与统计结果误差较小，验证了该公式计算的准确性。

$A=3.294\×{10}^{-5}{(\mathrm{\β}-91.59)}^2+0.2215e^{\mathrm{\μ}}-0.1636e^{-{\mathrm{\σ}}_2}$ $\left(2\right)$

$-9.681\×{10}^{-3}L+1.399\×{10}^{-4}{(\mathrm{\α}-42.44)}^2+0.8252$

$y=[3.294\×{10}^{-5}{(\mathrm{\β}-91.59)}^2+{0.2215e}^{\mathrm{\μ}}-{0.1636e}^{-{\mathrm{\σ}}_2}$ $\left(3\right)$

$-9.681\×{10}^{-3}L+1.399\×{10}^{-4}{(\mathrm{\α}-42.44)}^2+0.8252]Y$

式中：β为岩桥的倾角；μ为结构面的摩擦系数，无量纲；σ₂为围压，MPa；L连通率，％，α为结构面的倾角。

(1)工程概况

以辽宁境内某高速公路戴峪岭1号隧道洞口为例，该隧道位于盖州市小石棚境内，入口端的边坡属缓坡地貌，但局部由于开采石料部分遭到人为破坏，因此在此周围形成了一些极其不稳定的岩质陡坡，如图4所示，坡体为强风化及中风化花岗岩。由于坡度较陡，加之在采石过程中放炮等振动影响，在坡面形成大量突石，因而此处边坡在隧道施工中容易产生崩塌、散落危险。

(2)结构面信息采集

基于图4的照片，利用ShapeMetriX3D系统采集分析现场的结构面信息，能够识别出每条结构面的几何参数(产状、迹长、中心点坐标等)。

(3)边坡稳定性分析

①传统块体理论分析结果

传统的块体理论分析在结构面三维建模时，对非贯通的结构面未做任何的处理，作为两条独立的结构面考虑，基于此建立的边坡结构面三维模型如图5(a)所示，利用自行开发的GeoSMA-3D岩质边坡稳定性分析软件进行边坡稳定性分析，搜索出的关键块体(工程中可能滑落的块体)如图5(b)，详细的块体信息见表2.

表2关键块体信息(传统块体理论)

②基于岩桥贯通准则的块体理论分析结果

基于岩桥贯通准则的块体理论分析充分考虑了工程岩体破坏和失稳是由于岩体内部结构面的扩展贯通而滑移的情况，因此在建立结构面三维模型时首先利用本文给出的岩桥贯通准则判断每组非贯通结构面是否应该连通。对于应该连通的非贯通结构面将两结构面内端相连作为一条连通的结构面考虑，对于不应该连通的非贯通结构面将两结构面作为两条独立的结构面考虑。此时建立的空间模型如图6(a)所示，进行稳定性分析搜索出的关键块体如图6(b)，具体的块体信息见表3。

表3关键块体信息(基于岩桥贯通准则的块体理论)

③分析结果对比

对比前面两者的分析结果，可以明显的看出：运用传统的块体理论，编号为9的块体未被划分搜索出来。此块体的体积庞大，存在着很大的安全隐患，若发生滑落，极易造成事故。而采用基于岩桥贯通准则的块体理论，首先判断非贯通结构面是否应该连通，再建立结构面的三维模型，进行力学稳定性分析，能够将块体9准确的搜索出来，及时加以支护，排除潜在的危险。足以证明基于岩桥贯通准则的块体理论分析搜索出的工程中可能滑落的关键块体更为精准和全面。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变换或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种工程岩体非贯通结构面识别及其确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用3GSM数字摄像测量技术和钻孔摄像技术调查施工现场的结构面信息；

(2)识别出所有的非贯通结构面，并利用下式计算其贯通系数，找到贯通系数小于1的非贯通结构面；

$A=3.294\×{10}^{-5}{(\mathrm{\β}-91.59)}^2+0.2215e^{\mathrm{\μ}}-{0.1636e}^{-{\mathrm{\σ}}_2}$

$-9.681\×{10}^{-3}L+1.399\×{10}^{-4}{(\mathrm{\α}-42.44)}^2+0.8252$

(3)利用下式计算出贯通系数小于1的所有非贯通结构面的贯通强度，找到贯通强度小于实际强度且数值最小的那一组结构面，将这组结构面作为连通的结构面考虑；

$y=[3.294\×{10}^{-5}{(\mathrm{\β}-91.59)}^2+0.2215e^{\mathrm{\μ}}-0.1636e^{-{\mathrm{\σ}}_2}$

$-9.681\×{10}^{-3}L+1.399\×{10}^{-4}{(\mathrm{\α}-42.44)}^2+0.8252]Y$

(4)重复步骤(2)(3)，直到所有的非贯通结构面都分析结束；

(5)根据分析处理的结果建立工程岩体三维可视化块体分析模型，进行稳定性分析，搜索出的工程中可能滑落的块体关键块体，从而搜索出因岩体内部结构面扩展贯通而滑移的关键块体。

Images