CN105606463A - 一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法 - Google Patents

Abstract

一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法，选定所需分析的工程岩体结构面，判断潜在滑移方向；在潜在滑移方向上均匀布置不同尺寸的结构面测段；采用轮廓曲线仪绘制每一测段的轮廓曲线；采用图像处理方法提取轮廓曲线上的坐标数据，据此测量每个测段的结构面粗糙度系数；对每个尺寸L条件下结构面的坐标数据单独进行统计分析，确定粗糙度系数的最小值与最大值；分别采用指数函数对不同尺寸条件下结构面粗糙度系数最大值与最小值的分布规律进行拟合，得到区间函数；结合得到的结构面抗剪强度区间函数与Barton的结构面抗剪强度经验公式，得到结构面抗剪强度参数τ(JRC)的中智函数表达。本发明有效提高岩体结构面抗剪强度评价的准确性。

Description

一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法

技术领域

本发明涉及一种岩体结构面抗剪强度的评价方法，特别的是本发明采用的中智函数能表达由结构面表面起伏非均一性与尺寸效应对结构面抗剪强度产生的不确定性，实现了岩体结构面抗剪强度的综合评价，本发明属于工程技术领域。

背景技术

岩体结构面粗糙度系数具有非均一性、各向异性、各质异性、尺寸效应等基本特征。在相同岩性条件下，对于同一条结构面，在不同位置测定的结构面粗糙度系数以及在不同长度上测得的粗糙度系数存在明显的差异性。在本发明作出之前，人们通过结构面粗糙度系数的统计平均值来定量表达系列尺度条件下结构面的起伏粗糙程度，并据此表达结构面粗糙度系数的尺寸效应规律。Barton利用模型试验提出了能预测结构面抗剪强度的一般方程：

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\σ}}_{n}tan\[JRC{\log }_{10}\left(\frac{JCS}{{\mathrm{\σ}}_n}\right)+{\mathrm{\φ}}_b\]---\left(1\right)$

这里τ是岩体结构面的抗剪强度；σ_n是施加的法向荷载；φ_b是基本摩擦角；JRC是结构面粗糙度系数；JCS是结构面壁岩强度。然而，由于常规方法中结构面粗糙度系数的统计平均值却无法表达结构面起伏表面非均一性与尺寸效应对粗糙度系数不确定性的影响。因此，采用这种方法对结构面的抗剪强度进行直接估计往往会与抗剪强度真实值存在较大的差异。

发明内容

为了克服已有岩体结构面抗剪强度评价方法的准确性较差的不足，本发明提供一种有效提高准确性的基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法，所述评价方法包括如下步骤：

(1)选定所需分析的工程岩体结构面，判断潜在滑移方向；

(2)在所述的潜在滑移方向上均匀布置不同尺寸的结构面测段；

(3)采用轮廓曲线仪绘制每一测段的轮廓曲线；

(4)采用图像处理方法提取轮廓曲线上的坐标数据，据此测量每个测段的结构面粗糙度系数；

(5)对每个尺寸L条件下结构面的坐标数据单独进行统计分析，确定粗糙度系数的最小值JRC^-(L)与最大值JRC⁺(L)；

(6)分别采用指数函数对不同尺寸条件下结构面粗糙度系数最大值与最小值的分布规律进行拟合，得到区间函数JRC(L)＝[JRC^-(L),JRC⁺(L)]；

(7)结合得到的结构面抗剪强度区间函数与Barton的结构面抗剪强度经验公式，得到结构面抗剪强度参数τ(JRC)的中智函数表达：

$\[{\mathrm{\σ}}_n^{-}\tan \left({\mathrm{JRC}}^{-}\right(L\left){\log }_{10}\right(\frac{{\mathrm{JCS}}^{-}}{{\mathrm{\σ}}_n^{+}})+{\mathrm{\φ}}_b),{\mathrm{\σ}}_n^{+}tan\left({\mathrm{JRC}}^{+}\right(L\left){\log }_{10}\right(\frac{{\mathrm{JCS}}^{+}}{{\mathrm{\σ}}_n^{-}})+{\mathrm{\φ}}_b)\]$

其中，试样长度L(单位cm)；基本摩擦角为φ_b；最小正应力为最大正应力为最大壁岩强度为JCS⁺；最小壁岩强度为JCS^-；粗糙度系数最大值JRC⁺(L)；粗糙度系数最小值JRC^-(L)。

本发明的有益效果主要表现在：考虑了结构面粗糙度系数的不确定性，有效提高岩体结构面抗剪强度评价的准确性。

附图说明

图1为典型结构面轮廓曲线的示意图；

图2为岩体结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律的示意图；

图3为岩体结构面抗剪强度预测值的尺寸效应变化规律的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法，所述评价方法包括如下步骤：

(1)选定所需分析的工程岩体结构面，判断潜在滑移方向；

(2)在所述的潜在滑移方向上均匀布置不同尺寸的结构面测段；

(3)采用轮廓曲线仪绘制每一测段的轮廓曲线；

(4)采用图像处理方法提取轮廓曲线上的坐标数据，据此测量每个测段的结构面粗糙度系数；

(5)对每个尺寸L条件下结构面的坐标数据单独进行统计分析，确定粗糙度系数的最小值JRC^-(L)与最大值JRC⁺(L)；

(6)分别采用指数函数对不同尺寸条件下结构面粗糙度系数最大值与最小值的分布规律进行拟合，得到区间函数JRC(L)＝[JRC^-(L),JRC⁺(L)]；

(7)结合得到的结构面抗剪强度区间函数与Barton的结构面抗剪强度经验公式，得到结构面抗剪强度参数τ(JRC)的中智函数表达：

$\[{\mathrm{\σ}}_n^{-}\tan \left({\mathrm{JRC}}^{-}\right(L\left){\log }_{10}\right(\frac{{\mathrm{JCS}}^{-}}{{\mathrm{\σ}}_n^{+}})+{\mathrm{\φ}}_b),{\mathrm{\σ}}_n^{+}tan\left({\mathrm{JRC}}^{+}\right(L\left){\log }_{10}\right(\frac{{\mathrm{JCS}}^{+}}{{\mathrm{\σ}}_n^{-}})+{\mathrm{\φ}}_b)\]$

其中，试样长度L(单位cm)；基本摩擦角为φ_b；最小正应力为最大正应力为最大壁岩强度为JCS⁺；最小壁岩强度为JCS^-；粗糙度系数最大值JRC⁺(L)；粗糙度系数最小值JRC^-(L)。

实例：一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法，过程如下：

首先，在野外现场测定4条具有代表性的花岗岩结构面，其数字起伏轮廓曲线如同1所示；

其次，在这些代表性结构面上，均匀布置不同尺寸的结构面测段，并采用轮廓曲线仪测量，然后采用修正直边法测量结构面粗糙度系数；

然后，分别对不同尺寸下结构面粗糙度系数进行统计分析，通过指数函数拟合得到结构面粗糙度系数最小值与最大值的分布规律，即可得到结构面粗糙度系数的中智函数表达式

JRC(L)＝[JRC^-(L),JRC⁺(L)]＝[3.65+2.3×0.958^L,16.35+60.18×0.956^L]

根据该表达式得到如图2所示的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律。通过该表达式能方便获得不同尺寸时的结构面粗糙度系数变化区间范围，例如当尺寸为80cm时，计算可得JRC(80)＝[3.7243,17.9947]。

最后，根据现场调查和室内常规岩石实验方法获得研究区域结构面的基本摩擦角φ_b为21°；最小正应力为1MPa；最大正应力为2MPa；最大壁岩强度JCS⁺为10MPa；最小壁岩强度JCS^-为5MPa。带入结构面抗剪强度的中智函数表达式可得：

$\mathrm{\τ}\left(L\right)=\[\tan \left(\right(3.65+2.3\×{0.958}^L)\×{\log }_{10}(\frac{5}{2})+21),2\tan \left(\right(16.35+60.18\×{0.956}^L)\×{\log }_{10}(\frac{10}{1})+21)\]$

根据该表达式得到如图3所示的结构面抗剪强度尺寸效应变化规律。通过该表达式能方便获得不同尺寸时的结构面抗剪强度不确定变化区间范围，例如当尺寸为80cm时，计算可得τ(80)＝[0.414,1.619](MPa)。

Claims (1)

1.一种基于中智函数的岩体结构面抗剪强度综合评价方法，其特征在于：所述评价方法包括如下步骤：

(1)选定所需分析的工程岩体结构面，判断潜在滑移方向；

(2)在所述的潜在滑移方向上均匀布置不同尺寸的结构面测段；

(3)采用轮廓曲线仪绘制每一测段的轮廓曲线；

(4)采用图像处理方法提取轮廓曲线上的坐标数据，据此测量每个测段的结构面粗糙度系数；

(5)对每个尺寸L条件下结构面的坐标数据单独进行统计分析，确定粗糙度系数的最小值JRC^-(L)与最大值JRC⁺(L)；

(6)分别采用指数函数对不同尺寸条件下结构面粗糙度系数最大值与最小值的分布规律进行拟合，得到区间函数JRC(L)＝[JRC^-(L),JRC⁺(L)]；

(7)结合得到的结构面抗剪强度区间函数与Barton的结构面抗剪强度经验公式，得到结构面抗剪强度参数τ(JRC)的中智函数表达：

$\[{\mathrm{\σ}}_n^{-}\tan \left({\mathrm{JRC}}^{-}\right(L\left){\log }_{10}\right(\frac{{\mathrm{JCS}}^{-}}{{\mathrm{\σ}}_n^{+}})+{\mathrm{\φ}}_b),{\mathrm{\σ}}_n^{+}\tan \left({\mathrm{JRC}}^{+}\right(L\left){\log }_{10}\right(\frac{{\mathrm{JCS}}^{+}}{{\mathrm{\σ}}_n^{-}})+{\mathrm{\φ}}_b)\]$

其中，试样长度L，单位cm；基本摩擦角为φ_b；最小正应力为最大正应力为最大壁岩强度为JCS⁺；最小壁岩强度为JCS^-；粗糙度系数最大值JRC⁺(L)；粗糙度系数最小值JRC^-(L)。