CN104881536B - 一种岩体结构面吻合度系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，首先测量获得岩体结构面上剖面和下剖面，纵向平移使上下剖面z坐标差值绝对值最小处接触，将上下剖面离散化，选择出同时满足角度判据和间距判据的纵向对应直线段，最后计算岩体结构面吻合度系数。本发明以岩体结构面重要几何参数之一——吻合度系数为研究对象，采用常规岩体结构面剖面测量仪，获取岩体结构面上下表面相对应的二维剖面，基于各个离散线段夹角与高度的差异，提出切实可行的吻合度系数定量计算方法，保证结果真实可靠，且操作简单，易于实际应用。

Description

一种岩体结构面吻合度系数测量方法

技术领域

本发明涉及一种岩体结构面吻合度系数测量方法，属于岩体结构面几何参数测量技术领域。

背景技术

人类工程活动所涉及的岩体，形成于地质历史过程，是赋存在一定地质环境下(地应力、地下水)且具有一定结构特征的复杂地质体。岩体是由结构面与其切割形成的岩块(结构体)所组成，常见的结构面包括层面、节理、断层、裂隙等。岩体的力学性质及其力学作用主要受控于其内部发育的各种结构面，原因如下：(1)存在于岩体内部的结构面相互交切，将岩体切割成具有一定结构的非完整物体，岩体破碎程度直接受结构面的产状、间距、大小、粗糙度、吻合度等参数影响；(2)结构面作为岩体强度最薄弱位置，变形破坏往往是沿着这些结构面发生。因此，开展岩体结构面相关性质的研究是评价岩体变形破坏的关键所在。

结构面在工程荷载作用下，主要处于剪应力状态，结构面的剪切强度是岩体稳定性评价、防治设计与施工的重要力学性质，同时结构面还常作为流体主要迁移通道，决定着岩体的渗透系数。而结构面上下表面的接触状态对岩体力学与渗流特性具有显著影响。上下表面彼此紧密吻合相互胶结，相应的结构面剪切强度就越大，防渗性能就越好，岩体则表现出有利于工程活动的力学与变形特征，具有较高的稳定性。岩体结构面的接触特性直接影响结构面空隙、刚度、变形、剪切强度与渗透等特性，因此，如何精确描述岩体结构面上下表面接触状态一直是岩石力学及其工程地质领域中的研究热点问题，得到了学者及工程人员的普遍关注。

Goodman(1976)、Tsang(1982)、Bandis(1983)等通过室内试验与数值模拟方法得出：即使上下盘岩体结构面具有相同的粗糙度，吻合度较高岩体结构面表现出的力学与水力学特性与吻合度较低的岩体结构面，存在巨大差别。

赵坚(1988，1997)提出了吻合度系数JMC(JointMatchingCoefficient)概念来描述节理上下表面的吻合程度，其为结构面的一个独立几何参数，与结构面粗糙度系数JRC无关，如图5所示分别为JMC＝1和JMC＝0时的结构面对比图，并指出吻合度系数JMC可根据上下表面可接触的面积占整个结构面面积的百分比来获取。然而，作者在其研究成果中只是对JMC进行了定性描述，并没有给出JMC详细的、定量的测量与计算方法。

近年来随着测绘技术的长足发展，有学者利用非接触测量方法，研究岩体结构面上下盘的三维组合形貌。丁增志(2007)提出了结构面上下表面达到稳定接触状态的两个条件是：(1)上下表面之间至少存在3个不共线的接触点；(2)上表面重心位于3接触点形成的三角形区域内部。然而，该方法仅将结构面划分为8个区域进行最小点计算，计算精度存在局限性，获取的接触状态与真实状态存在一定的差别。夏才初(2010)在上述方法上进行了改善，对划分区域进行了细化，实现了不同接触状态下的岩体结构面三维组合形貌的计算。然而，三围组合形貌方法计算过程繁琐，表征参数过多，不利于工程实践应用。

虽然岩体结构面吻合度系数的概念比较简单，但是在实际操作中仍面临以下技术难题：

(1)针对岩体结构面上下表面几何数据，如何选择合适的判据，进行结构面吻合程度的判断，这是实现定量化评价的关键所在，目前缺少简单有效的判据；

(2)采用单一判据进行吻合程度判断，对于新鲜未风化或微风化岩体结构面，能够给出合理结果，因为此类结构面上下表面较为光滑完整，配合较为紧密。然而，人类工程活动接触的众多岩体结构面经历了不同程度的风化，结构面表面几何形态经历了一定的改造，形态多样，接触状态及其复杂。此时，仅采用单一判据或者固定的阀值进行吻合程度的评价，就存在不完善之处，不能够很好地描述结构面的真实接触状态。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，以岩体结构面重要几何参数之一——吻合度系数为研究对象，采用常规岩体结构面剖面测量仪，获取岩体结构面上下表面相对应的二维剖面，基于各个离散线段夹角与高度的差异，提出切实可行的吻合度系数定量计算方法，保证结果真实可靠，且操作简单，易于实际应用。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，包括以下步骤：

(1)通过测量设备获取岩体结构面的上下表面所对应的二维剖面，得到岩体结构面的上剖面和下剖面，为上剖面和下剖面建立二维坐标系，水平方向的坐标轴为X轴，竖直方向的坐标轴为Z轴；将上剖面或下剖面进行纵向平移，使上剖面和下剖面的z坐标的差值的绝对值最小处接触；

(2)按照测量精度将上剖面和下剖面分别离散为一组相同数量的直线段，设上剖面的一条直线段a_u的两个端点分别为P_u1(x_u1，z_u1)和P_u2(x_u2，z_u2)，下剖面的一条直线段a_d的两个端点分别为P_d1(x_d1，z_d1)和P_d2(x_d2，z_d2)，并且x_u1＝x_d1，x_u2＝x_d2，则上剖面的直线段a_u和下剖面的直线段a_d纵向对应；依次对上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段利用角度判据和间距判据进行判断，选择出同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段；

所述角度判据为：

对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a_u和a_d，根据以下公式分别计算a_u与水平面的夹角S_u以及a_d与水平面的夹角S_d：

$S_u=arctan\left(\frac{z_{u2}-z_{u1}}{x_{u2}-x_{u1}}\right)$

$S_d=arctan\left(\frac{z_{d2}-z_{d1}}{x_{d2}-x_{d1}}\right)$

根据以下公式计算a_u和a_d的夹角之差的绝对值△S：

ΔS＝|S_u-S_d|

若△S小于等于设置的阀值S，则a_u和a_d满足角度判据；

所述间距判据为：

对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a_u和a_d，根据以下公式计算竖直距离D_ud：

$D_{ud}=\frac{z_{u1}+Z_{u2}}{2}-\frac{z_{d1}+z_{d2}}{2}$

若D_ud小于等于设置的阀值D，则a_u和a_d满足间距判据；

(3)根据以下公式计算岩体结构面的吻合度系数JMC：

$JMC=\frac{{\mathrm{JMC}}_u+{\mathrm{JMC}}_d}{2}$

${\mathrm{JMC}}_u=\frac{L_{ru}}{L_u}$

${\mathrm{JMC}}_d=\frac{L_{rd}}{L_d}$

其中，L_u为上剖面的总长度，L_d为下剖面的总长度，L_ru为同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段中上剖面的直线段的总长度，L_rd为同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段中下剖面的直线段的总长度。

步骤(2)中，S根据岩体的物理力学性质确定，取值为0°～10°，岩体越坚硬完整，S的取值越小，岩体越软弱破碎，S的取值越大。

步骤(2)中，若岩体基本质量BQ＞500时，则岩体坚硬完整，S取值为0°～3°；若岩体基本质量BQ＜250时，则岩体软弱破碎，S取值为7°～9°；若岩体的硬度介于坚硬完整和软弱破碎之间，则S取值为4°～6°。

步骤(2)中，D根据岩体的物理力学性质确定，取值为0～0.9mm，岩体越坚硬完整，D的取值越小，岩体越软弱破碎，D的取值越大。

步骤(2)中，若岩体基本质量BQ＞500时，则岩体为完整硬岩，D取值为0～0.3mm；若岩体基本质量BQ＜250时，则岩体为破碎软岩，D取值为0.7～0.9mm；若岩体介于硬岩和软岩之间，则D的取值为0.4～0.6mm。

步骤(2)中，对于上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段，首先利用角度判据进行判断，然后在满足角度判据的每一对纵向对应的直线段中利用间距判据进行判断，最终确定同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明的一种岩体结构面吻合度系数测量方法是一种具有一定容许误差的双判据方法，双判据分别是角度与间距判据两种，前者用来判断岩体结构面上下表面中所对应的区域是否平行，后者用来判断在这些平行区域中上下表面间的竖直距离是否满足接触条件，并且两种判据不是采取固定阀值进行计算，具有一定的灵活性；

(2)本发明第一步首先纵向平移上剖面或下剖面使二者z坐标差值绝对值最小处接触，将相对坐标转化为绝对坐标，能够降低后述步骤的计算复杂度；

(3)本发明联合角度与间距双判据，进行岩体结构面上下剖面吻合度系数求取，较单判据方法而言，计算结果更加准确，无论是未分化还是全风化，无论是复杂还是简单形态，双判据方法均具有广泛的适用性；

(4)自然界的岩体材料不同于生活中常见的人工材料，其内部发育的岩体结构面的存在，使其物理与力学性质表现出明显的各向异性、不均匀性与非连续性，同时岩体结构面形态也呈现出多样性与复杂性，因此两种判据中没有采用固定的角度与间距值作为判断阀值，而是采用一定的范围值加以判断，该思路更加适合岩石这种天然材料，也保证了测量方法的可靠性；

(5)利用本发明测量得到的岩体结构面吻合度，可以应用于一切与吻合度系数相关的岩石力学与工程地质领域，如根据吻合度系数估算岩体结构面峰值抗剪强度，分析岩体裂隙流体渗透规律，研究岩体的变形破坏特征等，可以广泛用于水利水电、交通运输、能源开采、自然灾害等研究领域，为岩体稳定性评价、预测预报及其防护治理提供必要的计算依据。

附图说明

图1是岩体结构面上下表面示意图。

图2是岩体结构面上下二维剖面相对间距消除前后示意图。

图3是不同S值下的剖面平行线段识别结果对比图。

图4是不同D值下的平行直线段中能够接触区域计算结果对比图。

图5是岩体结构面吻合度系数JMC＝1及JMC＝0对比图。

图6是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，如图6所示，包括以下步骤：

(1)通过测量设备获取岩体结构面的上下表面所对应的二维剖面，得到岩体结构面的上剖面和下剖面，如图1所示是岩体结构面上下表面示意图，直线所示在y＝16mm处截取到的部分为上剖面和下剖面，上剖面和下剖面在X方向上具有相同的长度；

为上剖面和下剖面建立二维坐标系，如图2(a)所示，水平方向的坐标轴为X轴，竖直方向的坐标轴为Z轴；将上剖面或下剖面进行纵向平移，使上剖面和下剖面的z坐标的差值的绝对值最小处接触；本实施例中，在x＝16mm处，上剖面和下剖面的z坐标差值的绝对值最小，平移后得到绝对坐标在此处相互接触，平移后结果如图2(b)所示；

(2)按照测量精度将上剖面和下剖面分别离散为一组相同数量的直线段，本实施例中岩体结构面上剖面和下剖面的水平长度均为69mm，测量精度为1mm，上剖面和下剖面均被离散为69个直线段；

设上剖面的一条直线段a_u的两个端点分别为P_u1(x_u1，z_u1)和P_u2(x_u2，z_u2)，下剖面的一条直线段a_d的两个端点分别为P_d1(x_d1，z_d1)和P_d2(x_d2，z_d2)，并且x_u1＝x_d1，x_u2＝x_d2，则上剖面的直线段a_u和下剖面的直线段a_d纵向对应；依次对上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段利用角度判据和间距判据进行判断，选择出同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段；

利用角度判据和间距判据的先后顺序可自由选择，本实施例中，对于上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段，首先利用角度判据进行判断，然后在满足角度判据的每一对纵向对应的直线段中利用间距判据进行判断，最终确定同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段；

(2-1)所述角度判据为：

对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a_u和a_d，根据以下公式分别计算a_u与水平面的夹角S_u以及a_d与水平面的夹角S_d：

$S_u=arctan\left(\frac{z_{u2}-z_{u1}}{x_{u2}-x_{u1}}\right)$

$S_d=arctan\left(\frac{z_{d2}-z_{d1}}{x_{d2}-x_{d1}}\right)$

根据以下公式计算a_u和a_d的夹角之差的绝对值△S：

ΔS＝|S_u-S_d|

若△S小于等于设置的阀值S，则a_u和a_d满足角度判据；

S根据岩体的物理力学性质确定，取值为0°～10°，岩体越坚硬完整，S的取值越小，岩体越软弱破碎，S的取值越大。

经过大量试验数据，在此建议按照国家标准《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)进行岩体质量的判别，对于岩体基本质量指标BQ＞500的岩体，该岩体坚硬完整，如花岗岩、大理岩等，S应该取小值，范围在0°～3°之间；对于岩体基本质量BQ＜250的岩体，则岩体软弱破碎，如泥岩、页岩等，S应该取大值，建议取值范围为7°～9°；介于两种硬度之间的岩性，S在4°～6°之间进行选值。整体上讲，随着S的增加，越多的直线段被认为相互平行，如图3所示，用方框标注出图中上下剖面对应的直线段满足角度判据之处，存在吻合接触的可能，图3(a)为S＝2°的情况，图3(b)为S＝5°的情况，图3(c)为S＝8°的情况。本实施例中，以砂岩为例，BQ＝400，处于250与500之间，岩体质量为中等水平，S取值为5°。因此，当上下剖面中的所对应的两直线度夹角之差位于-5°～5°时，便可认为两直线段满足角度判据。

图3(b)中方框标注出为满足角度判据的直线段上下剖面中各28条，总长度分别为28.62mm和28.55mm。

(2-2)在满足角度判据的结果中利用间距判据进行判断，所述间距判据为：

对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a_u和a_d，根据以下公式计算竖直距离D_ud：

$D_{ud}=\frac{z_{u1}+Z_{u2}}{2}-\frac{z_{d1}+z_{d2}}{2}$

若D_ud小于等于设置的阀值D，则a_u和a_d满足间距判据；

D根据岩体的物理力学性质确定，取值为0～0.9mm，岩体越坚硬完整，D的取值越小，岩体越软弱破碎，D的取值越大。

若岩体基本质量BQ＞500时，则岩体为完整硬岩，D建议值为0～0.3mm；若岩体基本质量BQ＜250时，则岩体为破碎软岩，D建议值为0.7-0.9mm；若岩体介于硬岩和软岩之间，D取值范围为0.4-0.6mm，D取值越大，估算能够接触区域就越多，相应的吻合度系数也越大，如图4所示，用方框标注出图中上下剖面对应的直线段满足角度判据之处，图4(a)为D＝0.2mm的情况，图4(b)为D＝0.5mm的情况，图4(c)为D＝0.8mm的情况。本实施例中，岩性为砂岩，BQ＝400，处于250与500之间，岩体质量为中等水平，D建议取值为0.5mm，在图3(b)中获得的平行线段结果基础上，进一步利用间距判据提取平行线段中能够接触的部分，最终获得的结果如图4(b)所示，识别出的平行且能够接触的区域，上下剖面中平行且接触的线段总长度分别为18.15m和18.14mm，小于步骤(2-1)中识别的结果。

(3)根据以下公式计算岩体结构面的吻合度系数JMC：

$JMC=\frac{{\mathrm{JMC}}_u+{\mathrm{JMC}}_d}{2}$

${\mathrm{JMC}}_u=\frac{L_{ru}}{L_u}$

${\mathrm{JMC}}_d=\frac{L_{rd}}{L_d}$

其中，L_u为上剖面的总长度，L_d为下剖面的总长度，L_ru为同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段中上剖面的直线段的总长度，L_rd为同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段中下剖面的直线段的总长度；

本实施例中，上下剖面的总长度分别为71.52mm和70.54mm，那么相应岩体结构面吻合度系数JMC为：

$JMC=\frac{18.15/71.52+18.14/70.54}{2}=0.26$

Claims (4)

1.一种岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过测量设备获取岩体结构面的上下表面所对应的二维剖面，得到岩体结构面的上剖面和下剖面，为上剖面和下剖面建立二维坐标系，水平方向的坐标轴为X轴，竖直方向的坐标轴为Z轴；将上剖面或下剖面进行纵向平移，使上剖面和下剖面的z坐标的差值的绝对值最小处接触；

(2)按照测量精度将上剖面和下剖面分别离散为一组相同数量的直线段，设上剖面的一条直线段a_u的两个端点分别为P_u1(x_u1，z_u1)和P_u2(x_u2，z_u2)，下剖面的一条直线段a_d的两个端点分别为P_d1(x_d1，z_d1)和P_d2(x_d2，z_d2)，并且x_u1＝x_d1，x_u2＝x_d2，则上剖面的直线段a_u和下剖面的直线段a_d纵向对应；依次对上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段利用角度判据和间距判据进行判断，选择出同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段；

所述角度判据为：

对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a_u和a_d，根据以下公式分别计算a_u与水平面的夹角S_u以及a_d与水平面的夹角S_d：

$S_u=arctan\left(\frac{z_{u2}-z_{u1}}{x_{u2}-x_{u1}}\right)$

$S_d=arctan\left(\frac{z_{d2}-z_{d1}}{x_{d2}-x_{d1}}\right)$

根据以下公式计算a_u和a_d的夹角之差的绝对值△S：

ΔS＝|S_u-S_d|

若△S小于等于设置的阀值S，则a_u和a_d满足角度判据；S根据岩体的物理力学性质确定，取值为0°～10°，岩体越坚硬完整，S的取值越小，岩体越软弱破碎，S的取值越大；

所述间距判据为：

对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a_u和a_d，根据以下公式计算竖直距离D_ud：

$D_{ud}=\frac{z_{u1}+z_{u2}}{2}-\frac{z_{d1}+z_{d2}}{2}$

若D_ud小于等于设置的阀值D，则a_u和a_d满足间距判据；D根据岩体的物理力学性质确定，取值为0～0.9mm，岩体越坚硬完整，D的取值越小，岩体越软弱破碎，D的取值越大；

(3)根据以下公式计算岩体结构面的吻合度系数JMC：

$JMC=\frac{{\mathrm{JMC}}_u+{\mathrm{JMC}}_d}{2}$

${\mathrm{JMC}}_u=\frac{L_{ru}}{L_u}$

${\mathrm{JMC}}_d=\frac{L_{rd}}{L_d}$

其中，L_u为上剖面的总长度，L_d为下剖面的总长度，L_ru为同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段中上剖面的直线段的总长度，L_rd为同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段中下剖面的直线段的总长度。

2.根据权利要求1所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤(2)中，若岩体基本质量BQ＞500时，则岩体坚硬完整，S取值为0°～3°；若岩体基本质量BQ＜250时，则岩体软弱破碎，S取值为7°～9°；若岩体的硬度介于坚硬完整和软弱破碎之间，则S取值为4°～6°。

3.根据权利要求1所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤(2)中，若岩体基本质量BQ＞500时，则岩体为完整硬岩，D取值为0～0.3mm；若岩体基本质量BQ＜250时，则岩体为破碎软岩，D取值为0.7～0.9mm；若岩体介于硬岩和软岩之间，则D的取值为0.4～0.6mm。

4.根据权利要求1所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤(2)中，对于上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段，首先利用角度判据进行判断，然后在满足角度判据的每一对纵向对应的直线段中利用间距判据进行判断，最终确定同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段。