CN104613904B

CN104613904B - 一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法

Info

Publication number: CN104613904B
Application number: CN201510049962.0A
Authority: CN
Inventors: 李彦荣; 霍俊杰; 吕义清; 衣浩源; 张华伟
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN104613904A; HK1209823A1

Abstract

本发明涉及一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法，适用于多种形态的岩体结构面粗糙度系数的综合确定。本发明通过三维激光扫描仪或岩体结构面形貌仪，可一次性获得整个岩体结构面的形貌数据，一改以往一条线段的测量结果不能代表整个岩体结构面的粗糙度的情况，测量结果客观真实。通过将代表性曲线在空间上拉直，改变各点的X、Y坐标，Z坐标保持不变，将三维的岩体结构面粗糙度用二维的方法进行表征，采用四种计算方法、综合进行分析，最终确定的岩体结构面粗糙度系数值更加准确，本方法考虑全面，计算简单，结果准确。

Description

一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法

技术领域

本发明涉及一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法，适用于多种形态的岩体结构面粗糙度系数的综合确定。

背景技术

结构面是岩体的重要组成部分，对岩体的工程特性起着主要控制作用。结构面的研究是分析工程岩体稳定性的基础工作。大量研究表明，结构面表面起伏形成的粗糙度对结构面的力学性质特别是抗剪强度有很大影响。1977年Barton根据大量试验提出10级岩体结构面粗糙度系数(JRC)值的确定方法，此方法采用肉眼对比，将表征岩体结构面起伏形态的一条长为10cm的线段同Barton图表进行对比，以确定所测岩体结构面的粗糙度系数。此方法随意性大，结果误差大。随后国内外一些学者在其基础上进行了进一步研究，并提出了用于计算岩体结构面粗糙度系数值的公式和方法，但是这些方法都仅依赖于一条线段的测量结果。由于岩体结构面粗糙度的不规则性，一条线段的测量结果并不能反映整个岩体结构面的粗糙程度，使得测量结果偏面、误差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术无法全面、精确、快速的给出真实的岩体结构面粗糙度系数值，实现岩体结构面粗糙度系数的有效测量。

本发明所采用的技术方案是：一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法，按照如下的步骤进行：

步骤一、在工程岩体结构分析的基础上，采用三维激光扫描或岩体结构面形貌仪获取所要测量岩体结构面的形貌数据；

步骤二、用所获取的岩体结构面形貌数据，生成岩体结构面数字高程模型DEM；

步骤三、在岩体结构面数字高程模型DEM上，提取出能代表岩体结构面形貌的代表性曲线，以额定取样间隔SI依次选取代表性曲线上n个点，按照点的三维直角坐标系坐标组成点的集合{(X₁,Y₁,Z₁),(X₂,Y₂,Z₂),…(X_n,Y_n,Z_n)}，X轴为岩体结构面形貌水平面内部的一个坐标轴，Y轴为岩体结构面形貌水平面内部同X轴垂直的坐标轴，Z轴为垂直于岩体结构面形貌水平面的轴，n为自然数，(X₁,Y₁,Z₁)代表第一个点，(X₂,Y₂,Z₂)代表第二个点，(X_n,Y_n,Z_n)代表第n个点；

步骤四、建立新的平面直角坐标系(x,y)，将步骤三中点集合中的点坐标进行坐标转换，转换后的x_n＝(n-1)×SI，y_n＝Z_n，形成新的点的坐标集合{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…(x_n,y_n)},在平面直角坐标系(x,y)中形成曲线，此曲线可代表所测岩体结构面形态，n为自然数，(x₁,y₁)代表第一个点，(x₂,y₂)代表第二个点，(x_n,y_n)代表第n个点；

步骤五、用如下4个公式分别计算步骤四中曲线的特征参数δ、σ_i、R_z、D，并进一步计算出单项岩体结构面粗糙度系数值JRC₁、JRC₂、JRC₃、JRC₄；

JRC₁＝aδ^b-0.2256式中

JRC₂＝cσ_i ^f-1.0066式中

JRC₃＝4.6836R_z ^0.6106 (3)

JRC₄＝92.709(D-1)^0.377 (4)

其中，SI为取样间隔，δ为曲线伸长率，a,b,c,f为方程系数；

δ＝(L_t-L)/L

L_t曲线迹长，L曲线投影长，σ_i为起伏角标准差，i为自然数；

R_z为最大起伏度，即曲线最高波峰和最低波谷的垂直距离，为y的最大值与最小值的差，i_ave为线平均起伏角；

D为用h-l法算出的曲线分维数，h为平均凹谷深度或平均凸峰高度，l为半波长，M为半波长的个数。

步骤六、用公式5计算出单项岩体结构面粗糙度系数值的平均值作为所测岩体结构面的粗糙度系数值。

JRC＝(JRC₁+JRC₂+JRC₃+JRC₄)/4 (5)

作为一种优选方式：步骤三中的代表性曲线是根据岩体结构面几何形状进行绘制，可选螺旋线、蛇形线、折线中的任意一种。

本发明的有益效果是：本发明通过三维激光扫描仪或岩体结构面形貌仪，可一次性获得整个岩体结构面的形貌数据，一改以往一条线段的测量结果不能代表整个岩体结构面的粗糙度的情况，测量结果客观真实。通过将代表性曲线在空间上拉直，改变各点的X、Y坐标，Z坐标保持不变，将三维的岩体结构面粗糙度用二维的方法进行表征，采用四种计算方法、综合进行分析，最终确定的岩体结构面粗糙度系数值更加准确，本方法考虑全面，计算简单，结果准确。本发明的方法为岩体结构面粗糙度系数测量提供了更为全面准确的方法，可用于与岩体结构面粗糙度相关的岩体力学和工程地质领域。如根据粗糙度确定岩体结构面的峰值抗剪强度，分析岩体裂隙流体渗透规律，研究岩体的变形破坏特征等。可广泛应用于水利水电、交通运输、地质灾害、采矿等行业中，实用性强，可带来较大的社会经济效益。

附图说明

图1为本发明螺旋线式测量示意图；

图2为本发明蛇形线式测量示意图；

图3为本发明折线式测量示意图；

图4为本发明螺旋线式代表性曲线坐标转换前示意图；

图5为本发明螺旋线式代表性曲线坐标转换后示意图；

图中1为取样间隔SI；2为代表性曲线。

具体实施方式

步骤一、在工程岩体结构分析的基础上，选择一个直径为40mm(本方法可用于任意大小的岩体结构面，本处40mm仅为举例说明)的岩体结构面，采用三维激光扫描或岩体结构面形貌仪获取岩体结构面形貌数据；

步骤三、在岩体结构面数字高程模型上，设取样间隔为1.6mm(如图4中1所示)，画出能代表岩体结构面形貌的螺旋线(如图4中2所示)，对于如图1所示的近似圆形岩体结构面，采用螺旋线作为其代表性曲线，对于如图2和3所示的岩体结构面选择蛇形线或折线，事实上，代表性曲线也可以是其它数学曲线，只要能尽可能多的通过岩体结构面即可，依次选取螺旋线上60个点(点的个数取决于结构面的大小和取样间隔，本处60仅为举例说明)，按照点的三维直角坐标系坐标组成点的集合，如表一所示，三维直角坐标系的X轴为岩体结构面形貌水平面内部的一个坐标轴，Y轴为岩体结构面形貌水平面内部同X轴垂直的坐标轴，Z轴为垂直于岩体结构面形貌水平面的轴，n为自然数；

步骤四、建立新的平面直角坐标系(x,y)，将步骤三中点集合中的点坐标进行坐标转换(将螺旋线在空间上拉直，即以各点在螺旋线上自起点开始的累计弧长作为该点的新x坐标，螺旋线上各点的Z坐标为y坐标)，转换后的x_n＝(n-1)×SI，y_n＝Z_n，形成新的点的坐标集合如表二和图5所示，在平面直角坐标系(x,y)中形成曲线，此曲线可代表所测岩体结构面的形态；

JRC₁＝aδ^b-0.2256式中

JRC₂＝cσ_i ^f-1.0066式中

JRC₃＝4.6836R_z ^0.6106 (3)

JRC₄＝92.709(D-1)^0.377 (4)

其中，SI为取样间隔，δ为曲线伸长率，a,b,c,f为方程系数；

δ＝(L_t-L)/L

JRC＝(JRC₁+JRC₂+JRC₃+JRC₄)/4 (5)

经计算δ＝0.01173,L_t＝95.508,L＝94.4,

σ_i＝8.7879,R_z＝2.021889,D＝1.001634,

带入上述公式(1)、(2)、(3)、(4)，分别求出单项岩体结构面粗糙度系数JRC₁、JRC₂、JRC₃、JRC₄：

JRC₁＝aδ^b-0.2256式中

a＝87.142×1.6^-0.2209＝78.375

b＝0.5382×1.6^-0.2212＝0.485

JRC₁＝78.375×0.01173^0.485-0.2256＝8.85

JRC₂＝cσ_i ^f-1.0066式中

c＝0.9345×1.6^0.5408＝1.205

f＝1.0104×1.6^-0.1041＝0.962

JRC₂＝1.205×8.7879^0.962-1.0066＝8.74

JRC₃＝4.6836R_z ^0.6106 (3)

JRC₃＝4.6836×2.021889^0.6106＝7.20

JRC₄＝92.709(D-1)^0.377 (4)

JRC₄＝92.709×(1.001634-1)^0.377＝8.25

将以上结果代入公式(5)中，得到最终的岩体结构面粗糙度系数值JRC：

JRC＝(JRC₁+JRC₂+JRC₃+JRC₄)/4 (5)

JRC＝(8.85+8.74+7.20+8.25)/4＝8.26。

最终，所测岩体结构面的粗糙度系数JRC值为8.26。

Claims

1.一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法，其特征在于按照如下的步骤进行：

步骤三、在岩体结构面数字高程模型DEM上，提取出能代表岩体结构面形貌的代表性曲线，以额定取样间隔SI依次选取代表性曲线上n个点，按照点的三维直角坐标系坐标组成点的集合{(X₁,Y₁,Z₁),(X₂,Y₂,Z₂),…(X_n,Y_n,Z_n)}，X轴为岩体结构面形貌水平面内部的一个坐标轴，Y轴为岩体结构面形貌水平面内部同X轴垂直的坐标轴，Z轴为垂直于岩体结构面形貌水平面的轴，n为自然数；

步骤四、建立新的平面直角坐标系(x,y)，将步骤三中点集合中的点坐标进行坐标转换，转换后的x_n＝(n-1)×SI，y_n＝Z_n，形成新的点的坐标集合{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…(x_n,y_n)},在平面直角坐标系(x,y)中形成曲线，此曲线可代表所测岩体结构面形态，n为自然数；

步骤五、计算步骤四中曲线的特征参数δ、σ_i、R_z、D，并进一步计算出单项岩体结构面粗糙度系数值JRC₁、JRC₂、JRC₃、JRC₄；

JRC₁＝aδ^b-0.2256式中

JRC₂＝cσ_i ^f-1.0066式中

JRC₃＝4.6836R_z ^0.6106 (3)

JRC₄＝92.709(D-1)^0.377 (4)

其中，SI为取样间隔，δ为曲线伸长率，a,b,c,f为方程系数；

δ＝(L_t-L)/L，

D为用h-l法算出的曲线分维数，h为平均凹谷深度或平均凸峰高度，l为半波长，M为半波长的个数，

步骤六、用公式5计算出单项岩体结构面粗糙度系数值的平均值作为所测岩体结构面的粗糙度系数值，JRC＝(JRC₁+JRC₂+JRC₃+JRC₄)/4 (5)。

2.根据权利要求1所述的一种岩体结构面粗糙度系数的综合确定方法，其特征在于：步骤三中的代表性曲线是根据岩体结构面形貌进行绘制，是螺旋线、蛇形线、折线中的任意一种。