CN110702536B - 一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统，该方法包括：(1)采集天然岩体结构面样品，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作类岩石材料；(2)制作与该结构面样品具有相同表面形态和相似力学性质的一组人工模拟结构面试样；(3)建立人工模拟结构面试样初始三维高程模型；(4)针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验；(5)建立对应不同剪切位移的所述结构面试样表面几何形态演化模型；(6)基于粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律。本发明为揭示剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律的研究提供一种新途径。

Description

一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统
技术领域
本发明一般涉及接触面剪切特性试验研究领域，尤其涉及一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统。
背景技术
结构面在一定程度上控制岩体稳定性，岩体整体强度及变形性质与结构面的力学性质紧密相关。剪切过程中结构面的强度及变形等宏观力学性质的研究具有重要意义。结构面表面形态在一定程度上控制着结构面抗剪强度及剪切变形等宏观力学性质。研究剪切过程中结构面表面细观形态演化与结构面抗剪强度及变形等宏观力学性质的相关性，是揭示结构面剪切破坏机制进而提出结构面峰值抗剪强度准则的有效途径。
岩体结构面的剪切破坏演化机制研究亦是揭示其强度及变形等力学性质的基础。然而，岩体结构面剪切破坏的影响因素较为复杂，包括结构面法相荷载、粗糙度、壁岩力学性质等，要揭示这些因素各自对结构面剪切破坏机制的影响较为困难，以致针对结构面剪切破坏演化机制的研究，所取得的成果仍相对较少。
室内试验是进行结构面剪切过程中结构面形貌和力学性质演化研究的最直接的手段，然而现有的试验装置和方法中，难以直接监测剪切破坏过程中天然结构面内部变形破坏规律。针对剪切破坏过程中结构面表面形态的演化机制，现有研究多是基于室内试验仅分析结构面在剪切破坏前后表面形态变化；或通过数值试验实现结构面剪切破坏全过程模拟，而仅对比室内试验剪切破坏前后结构面形态变化以验证数值模拟效果。因此，鲜有基于室内试验直接揭示剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律的研究。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统，以直接揭示剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律。
根据本发明的一实施例，本发明提出了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，采集天然岩体结构面样品，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料；
步骤S2，根据所述类岩石材料以及所述参数配比，利用人工模拟结构面模具复制所述结构面样品，制作与所述结构面样品具有相同表面形态和相似力学性质的一组人工模拟结构面试样；
步骤S3，采用三维激光扫描仪采集人工模拟结构面试样的表面点云数据，建立其表面初始三维高程模型；
步骤S4，针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验；
步骤S5，应用三维激光扫描仪采集剪切后的各结构面试样的表面点云数据，建立剪切后的三维高程模型，基于所述初始三维高程模型以及剪切后的三维高程模型建立所述结构面对应不同剪切位移的所述结构面试样表面几何形态演化模型；
步骤S6，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中所述结构面表面形态演化规律。
优选的，所述基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料，具体包括，通过调整硅酸盐水泥、石英砂、石膏和水的配比，以获取抗压强度、泊松比和弹性模量均和天然岩石相似的类岩石材料。
优选的，所述制作与所述结构面样品具有相同表面形态和力学性质的一组人工模拟结构面试样，具体包括，
步骤S2.1，针对天然岩体结构面，进行切割处理使之水平投影面符合直剪试验剪切盒的尺寸，以制备天然岩体结构面模板；
步骤S2.2，基于所述参数配比确定配比材料，浇注所述配比材料于结构面模板之上形成人工模拟结构面模板,其中，所述配比材料浇注于模具之内；
步骤S2.3，在人工模拟结构面模板上浇注配比材料，形成完全吻合的人工模拟岩体结构面试样。
优选的，所述针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验，还包括，所述各结构面试样在相同剪切方向上进行直剪试验，且各结构面直剪试验的法向荷载加载速率、剪切位移速率均一致。
优选的，针对所述结构面试样，建立其初始三维高程模型或者建立剪切后的三维高程模型，具体包括，
步骤S5.1,预处理三维激光扫描获取的结构面点云数据；
步骤S5.2,基于完成预处理的所述点云数据,应用插值法生成网格化坐标对应的结构面点云图；
步骤S5.3,基于三角剖分算法对所述点云图进行三角剖分，构建出所述结构面试样的初始三维高程模型或者剪切后的三维高程模型。
优选的，所述粗糙度定量评价方法包括数理统计法、经验取值法和分形维数法。
根据本发明的实施例，本发明还提出了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究，所述系统包括：人工模拟岩体结构面试样制备子系统、结构面三维高程模型构建子系统、结构面直剪试验子系统；
其中，
所述人工模拟岩体结构面试样制备子系统，包括：
小型切割机，用于切割天然岩体结构面样品，使之符合所属结构面直剪试验子系统的剪切盒尺寸；
人工模拟岩体结构面试样制备模具，用于放置结构面模板；
所述结构面直剪试验子系统，包括：
自动控制结构面剪切仪，用以对试样进行控制法向和切向边界条件的直剪试验；
数据采集装置，用以采集结构面直剪试验的相关数据；
所述结构面三维高程模型构建子系统，包括：
三维激光扫描仪，用以对所述试验前后的结构面试样进行结构面表面三维点云数据的采集；
数据处理装置，用于根据采集到的结构面点云数据进行预处理，进而基于预处理后的点云数据构建结构面试样表面几何形态演化模型，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律。
优选的，所述边界条件包括法向荷载大小及加载速率、直剪试验过程中的剪切最大位移及剪切速率。
优选的，所述数据采集装置，用以采集结构面直剪试验的相关数据，包括剪切应力随剪切位移变化曲线、法向位移随剪切位移变化曲线。
鉴于现有技术中的缺陷或不足，本发明提供了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究系统，可基于室内试验，建立相同法向荷载条件下相同表面形态的结构面试样对应不同剪切位移的表面几何形态演化模型，进而研究结构面剪切破坏表面形态演化规律。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提出的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法流程图；
图2为本发明提出的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究系统示意图；
图3为本发明提出的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究系统中制备人工模拟岩体结构面的模具及其使用示意图；
图4(a)为本发明提出的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统的结构面三维高程模型示意图(点云图)；
图4(b)为本发明提出的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统的结构面三维高程模型示意图(点云三角剖分图)；
图5为本发明提出的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法及系统的定法向荷载条件下结构面直剪试验典型剪切位移-剪切应力曲线及“剪切位移研究点”示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例所述一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，包括如下步骤：
步骤S1，采集天然岩体结构面样品，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料。
在本步骤中，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料，具体包括：通过调整硅酸盐水泥、石英砂、石膏和水等材料的配比(制作试件并养护)，可获取抗压强度、泊松比和弹性模量均和天然岩石相近的类岩石材料。采用正交试验设计方法，通过调整硅酸盐水泥、石英砂、石膏和水等材料的配制比例，可配制适当力学性质的类岩石材料。针对类岩石材料的制作，提高水泥的配比可提高其单轴抗压强度；提高石英砂的用量可减小其泊松比，提高水的配比与减少水泥的配比可降低其弹性模量。此外，在配比中加入少量石膏可提高材料的初凝速度。
步骤S2，根据所述类岩石材料以及所述参数配比，利用人工模拟结构面模具复制所述结构面样品，制作与所述结构面样品具有相同表面形态和相似力学性质的一组人工模拟结构面试样。
在本步骤中，步骤S2具体包括了如下内容：
步骤S2.1，针对天然岩体结构面，进行切割处理使之水平投影面符合直剪试验剪切盒的尺寸，以制备天然岩体结构面模板；
步骤S2.2，基于所述参数配比确定配比材料，浇注所述配比材料于结构面模板之上形成人工模拟结构面模板,其中，所述配比材料浇注于模具之内；
步骤S2.3，在人工模拟结构面模板上浇注配比材料，形成完全吻合的人工模拟岩体结构面试样。
步骤S3，采用三维激光扫描仪采集人工模拟结构面试样的表面点云数据，建立其表面初始三维高程模型。
步骤S4，针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验；
在本步骤中，一组中包括了多个人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验，其中，所述各结构面在相同剪切方向上进行直剪试验，且各结构面直剪试验的法向荷载加载速率、剪切(位移)速率均一致。此外，一组人工模拟结构面试样的试样个数、以及各试样最大剪切位移的确定思路如下：各试样直剪试验的最大剪切位移称为“剪切位移研究点”；位移最大的所述“剪切位移研究点”应不小于试样沿剪切方向的长度L mm的10％；结构面试样在剪切位移0mm至0.1L mm每1mm设置不少于一个研究点。另外，通过直剪试验获取该试样在相应法向荷载条件下的剪切破坏应力应变曲线，进而获取其“峰值剪切位移”作为1个“剪切位移研究点”。
步骤S5，应用三维激光扫描仪采集剪切后的各结构面试样的表面点云数据，建立剪切后的三维高程模型，基于所述初始三维高程模型以及剪切后的三维高程模型建立所述结构面对应不同剪切位移的所述结构面试样表面几何形态演化模型。
在本发明的实施例中，步骤S3以及S5中分别建立所述结构面试样初始三维高程模型以及剪切后的三维高程模型，三维高程模型的建立过程是相同的，具体来说，
步骤S5.1,预处理三维激光扫描获取的结构面点云数据；
步骤S5.2,基于完成预处理的所述点云数据,应用插值法生成网格化坐标对应的结构面点云图；
步骤S5.3,基于三角剖分算法对所述点云图进行三角剖分，构建出所述结构面试样的三维高程模型。
上述内容中，三维高程模型的建立分别对应于初始三维高程模型以及剪切后的三维高程模型。也就是说，如果基于步骤S3的初始三维高程模型，则步骤S5.3中对应的就是构建出初始三维高程模型，如果是基于步骤S5中的剪切后的三维高程模型，则步骤S5.3中对应的就是构建出剪切后的三维高程模型。
在本步骤中，所述采用三维激光扫描仪采集人工模拟结构面试样的表面点云数据，包括：选取满足试验精度等技术参数要求的三维激光扫描仪，以一定分辨率(离散点间距)采集结构面表面点云数据。
三维高程模型的建立中预处理三维激光扫描获取的结构面点云数据，包括，针对结构面以外的点云数据需进行删除处理；针对外界震动、光线、噪声等因素产生点云噪声进行去噪处理；基于完成预处理的所述点云数据，应用Matlab中“Griddata”函数的“Linear”插值法，插值求取结构面网格化坐标点(x，y)对应的z值(结构面高程)，进而生成网格化坐标对应的结构面点云图；最后，应用Matlab软件基于Delaunay三角剖分算法对所述点云图进行三角剖分，构建出三维高程模型。
步骤S6，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中所述结构面表面形态演化规律。
在该步骤中，所述的粗糙度定量评价方法，包括：数理统计法，如：坡度均方根Z2(Slope Root Mean Square)、结构函数SF(Structure Function)、和Grasselli法等；经验取值法，如节理粗糙度系数JRC(Joint Roughness Coefficient)；分形维数法，如计盒法等。
为实现本申请实施例所述一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法涉及的各个步骤，本申请实施例提供了一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究系统，如图2，
所述系统包括：人工模拟岩体结构面试样制备子系统、结构面三维高程模型构建子系统、结构面直剪试验子系统；
其中，
所述人工模拟岩体结构面试样制备子系统，包括：
小型切割机，用于切割天然岩体结构面样品，使之符合所属结构面直剪试验子系统的剪切盒尺寸；
人工模拟岩体结构面试样制备模具，用于放置结构面模板，所述人工模拟岩体结构面试样制备模具，如附图3，为不锈钢质面板围成。其中附图3中的附图标记做如下说明：1-高度调节旋钮，2-水平载物台，3-水准器，4-钢制模具，5-螺栓与螺母，6-结构面模板，7-人工浇筑结构面。
为与直剪试验剪切盒尺寸相符，所述模具内部为长方体形(仅存在侧面)，其上、下两底面尺寸为150mm*150mm(上(下)剪切盒尺寸为150mm*150mm*75mm)。因此，所述人工模拟岩体结构面试样的水平投影尺寸为150mm*150mm，所述人工模拟结构面模具为四块可拆卸的不锈钢质面板围成方柱体状。为便于放置所述结构面模板，同时便于浇注配比材料于所述结构面模板之上，所述模具上下两底面均为空，其上、下两底面尺寸为150mm*150mm。
制备人工模拟岩体结构面的模具有如下两点特征：一方面，模具配有水平载物台，结合高度调节旋钮和水准器，可调节载物台处于水平状态，以保证制备的人工模拟岩体结构面上、下底面均处于水平；另一方面，模具可被拆卸，保证了人工浇筑的结构面试样易于脱离模具。
所述结构面直剪试验子系统，包括：
自动控制结构面剪切仪，用以对试样进行控制法向和切向边界条件的直剪试验，所述边界条件包括法向荷载大小及加载速率、直剪试验过程中的剪切最大位移及剪切速率。具体思路如下：
各个试样直剪试验的最大剪切位移称为“剪切位移研究点”；剪强位移最大的所述“剪切位移研究点”应不小于试样沿剪切方向的长度150mm的10％。图5为本实施例涉及的定法向荷载(CNL)条件下结构面直剪试验典型剪切位移-剪切应力曲线，图5中6个特征点(O、A、B、C、D、E)将曲线分成若干段，其中：OA段近似直线而稍向下凸，对应直剪试验过程可观察到在法向应力作用下结构面的闭合；AB段为直线，对应结构面在剪切作用下的弹性变形；BC段明显向上凸起，对应直剪试验过程中部分凸起被剪断，并出现峰值抗剪强度(C点)；CD段为峰值后的过渡段，对应试验过程中剪应力的大幅下降；DE段接近水平直线，E对应结构面残余抗剪强度。结构面试样在剪切位移0mm至15mm每1mm设置一个研究点，即所述一组人工模拟结构面试样的各个试样的最大剪切位移对应一个“剪切位移研究点”。另外，通过直剪试验获取该试样在相应法向荷载条件下的剪切破坏应力应变曲线，进而获取其“峰值剪切位移”作为1个“剪切位移研究点”，如图5C点。故而，本实施例中所述的一组人工模拟结构面试样的个数为16个，即针对一组中16个人工模拟结构面试样开展最大剪切位移分别为1mm、2mm、3mm、…、15mm及最大剪切位移为峰值剪切位移的直剪试验。
数据采集装置，用以采集结构面直剪试验的相关数据，包括剪切应力随剪切位移变化曲线、法向位移随剪切位移变化曲线。
所述结构面三维高程模型构建子系统，包括：
三维激光扫描仪，用以对所述试验前后的结构面试样进行结构面表面三维点云数据的采集，包括，选取满足试验精度等技术参数要求的三维激光扫描仪，以一定分辨率(0.25mm离散点间距)采集结构面表面点云数据。
所述三维激光扫描仪用以对所述试验前后的结构面试样进行结构面表面三维点云数据的采集。基于三维激光扫描技术获取结构面三维几何信息，即将结构面表面离散为一系列点，并采集各离散点的三维坐标信息(即点云数据)。基于三维激光扫描仪采集所述试验前后的结构面试样表面三维点云数据，需先确定结构面表面形态的测量间距(分辨率)及测量精度；进而，确定岩体结构面数据采集所采用的具体三维激光扫描设备。本实施例选用三维激光扫描仪满足如下技术要求：结构面形态测量的分辨率(即扫描获取的结构面离散点间距，以字母d表示)为0.25mm，且测量精度满足0.025mm。建立对应不同剪切位移的表面几何形态演化模型，如图4所示，首先，预处理三维激光扫描获取的结构面点云数据(如针对结构面以外的点云数据需进行删除处理；针对外界震动、光线、噪声等因素产生点云噪声进行去噪处理)；随后，基于完成预处理的所述点云数据，应用Matlab中“Griddata”函数的“Linear”插值法，插值求取结构面网格化坐标点(x，y)对应的z值(结构面高程)，进而生成网格化坐标对应的结构面点云图；最后，应用Matlab软件基于Delaunay三角剖分算法对所述点云图进行三角剖分，构建出结构面试样表面几何形态演化模型。
数据处理装置，用于根据采集到的结构面点云数据进行预处理，进而基于预处理后的点云数据构建表面几何形态演化模型，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律。以计算机运行点云数据处理的相关软件，对结构面点云数据进行预处理(如删除、去噪、精减等处理)；进而基于预处理后的点云数据构建结构面三维高程模型。如计算机运行Geomagic Studio软件实现结构面三维点云数据的处理；计算机运行matlab软件实现三维高程模型的生成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，包括岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究系统，且研究系统包括：人工模拟岩体结构面试样制备子系统、结构面三维高程模型构建子系统、结构面直剪试验子系统；其中，
所述人工模拟岩体结构面试样制备子系统，包括：
小型切割机，用于切割天然岩体结构面样品，使之符合所述 结构面直剪试验子系统的剪切盒尺寸；
人工模拟岩体结构面试样制备模具，用于放置结构面模板；
所述结构面直剪试验子系统，包括：
自动控制结构面剪切仪，用以对试样进行控制法向和切向边界条件的直剪试验；
数据采集装置，用以采集结构面直剪试验的相关数据；
所述结构面三维高程模型构建子系统，包括：
三维激光扫描仪，用以对所述试验前后的结构面试样进行结构面表面三维点云数据的采集；
数据处理装置，用于根据采集到的结构面点云数据进行预处理，进而基于预处理后的点云数据构建结构面试样表面几何形态演化模型，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中结构面表面形态演化规律；
利用所述研究系统进行岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究的方法包括如下步骤：
步骤S1，采集天然岩体结构面样品，基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料；
步骤S2，根据所述类岩石材料以及所述参数配比，利用人工模拟结构面模具复制所述结构面样品，制作与所述结构面样品具有相同表面形态和相似力学性质的一组人工模拟结构面试样；
步骤S3，采用三维激光扫描仪采集人工模拟结构面试样的表面点云数据，建立其表面初始三维高程模型；
步骤S4，针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验，其中，各试样直剪试验的最大剪切位移称为“剪切位移研究点”；位移最大的所述“剪切位移研究点”应不小于试样沿剪切方向的长度L mm的10%；结构面试样在剪切位移0 mm至0.1L mm每1 mm设置不少于一个研究点，另外，通过直剪试验获取该试样在相应法向荷载条件下的剪切破坏应力应变曲线，进而获取其“峰值剪切位移”作为1个“剪切位移研究点”；
步骤S5，应用三维激光扫描仪采集剪切后的各结构面试样的表面点云数据，建立剪切后的三维高程模型，基于所述初始三维高程模型以及剪切后的三维高程模型建立所述结构面对应不同剪切位移的所述结构面试样表面几何形态演化模型；
步骤S6，基于所述表面几何形态演化模型，利用粗糙度定量评价方法，研究剪切破坏过程中所述结构面表面形态演化规律。
2.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，所述基于相似比理论，确定所述样品的参数配比，以制作与天然岩体结构面样品具有相似力学性质的类岩石材料，具体包括，通过调整硅酸盐水泥、石英砂、石膏和水的配比，以获取抗压强度、泊松比和弹性模量均和天然岩石相似的类岩石材料。
3.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，所述制作与所述结构面样品具有相同表面形态和力学性质的一组人工模拟结构面试样，具体包括，
步骤S2.1，针对天然岩体结构面，进行切割处理使之水平投影面符合直剪试验剪切盒的尺寸，以制备天然岩体结构面模板;
步骤S2.2，基于所述参数配比确定配比材料，浇注所述配比材料于结构面模板之上形成人工模拟结构面模板,其中，所述配比材料浇注于模具之内；
步骤S2.3，在人工模拟结构面模板上浇注配比材料，形成完全吻合的人工模拟岩体结构面试样。
4.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，所述针对所述一组人工模拟结构面试样，在相同法向荷载条件下开展最大剪切位移各不相同的直剪试验，还包括，所述各结构面试样在相同剪切方向上进行直剪试验，且各结构面直剪试验的法向荷载加载速率、剪切位移速率均一致。
5.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，针对所述结构面试样，建立其初始三维高程模型或者建立其剪切后的三维高程模型，具体包括，
步骤S5.1,预处理三维激光扫描获取的结构面点云数据;
步骤S5.2,基于完成预处理的所述点云数据,应用插值法生成网格化坐标对应的结构面点云图；
步骤S5.3,基于三角剖分算法对所述点云图进行三角剖分，构建出所述结构面试样的初始三维高程模型或者剪切后的三维高程模型。
6.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，所述粗糙度定量评价方法包括数理统计法、经验取值法和分形维数法。
7.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，所述边界条件包括法向荷载大小及加载速率、直剪试验过程中的剪切最大位移及剪切速率。
8.根据权利要求1所述的岩体结构面剪切破坏表面形态演化规律研究方法，其特征在于，所述数据采集装置，用以采集结构面直剪试验的相关数据，包括剪切应力随剪切位移变化曲线、法向位移随剪切位移变化曲线。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111487100B (zh) * 2020-04-28 2021-07-23 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种直剪试验用不吻合结构面试样制备方法
CN111537702A (zh) * 2020-06-15 2020-08-14 成都理工大学 一种获得冻融单裂隙英安岩变形破坏机理的方法
CN113049403B (zh) * 2021-03-02 2022-11-29 宁波大学 考虑形貌频谱特征的结构面法向卸荷剪切损伤试验方法
CN113237711B (zh) * 2021-04-12 2023-03-21 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 桶状结构面试样制作方法及外切内阻式桶状剪切仪
CN114486438A (zh) * 2022-01-26 2022-05-13 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 天然非规则岩体结构面直接剪切试样及其制作模具、制作方法
CN114839037A (zh) * 2022-03-21 2022-08-02 东北大学 一种用于评估3d打印岩体结构面与天然结构面相似性的方法
CN117237403B (zh) * 2023-08-15 2024-03-29 天津大学 一种岩石的节理面吻合度确定方法及装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010056529A (ko) * 1999-12-15 2001-07-04 김윤규, 정주영, 심옥진, 정몽헌 암석 절리면 프로파일 측정장치
CN103926129A (zh) * 2014-05-04 2014-07-16 中南大学 一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法
CN106556541A (zh) * 2016-09-28 2017-04-05 同济大学 一种用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法
CN108038881A (zh) * 2018-01-11 2018-05-15 山东科技大学 一种利用平行光评价岩石结构面起伏程度的计算方法
CN108507842A (zh) * 2018-03-06 2018-09-07 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种岩石三维自然结构面的制作方法
CN109269914A (zh) * 2018-10-11 2019-01-25 山东科技大学 一种研究岩石节理面剪切破坏过程的分析方法及试验系统
CN109490055A (zh) * 2018-10-18 2019-03-19 浙江海洋大学 一种制作模拟岩体结构面的模具及其使用方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010056529A (ko) * 1999-12-15 2001-07-04 김윤규, 정주영, 심옥진, 정몽헌 암석 절리면 프로파일 측정장치
CN103926129A (zh) * 2014-05-04 2014-07-16 中南大学 一种用人工岩石材料复制节理起伏度及实验方法
CN106556541A (zh) * 2016-09-28 2017-04-05 同济大学 一种用于研究剪切全过程岩石节理面形貌演化的试验方法
CN108038881A (zh) * 2018-01-11 2018-05-15 山东科技大学 一种利用平行光评价岩石结构面起伏程度的计算方法
CN108507842A (zh) * 2018-03-06 2018-09-07 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种岩石三维自然结构面的制作方法
CN109269914A (zh) * 2018-10-11 2019-01-25 山东科技大学 一种研究岩石节理面剪切破坏过程的分析方法及试验系统
CN109490055A (zh) * 2018-10-18 2019-03-19 浙江海洋大学 一种制作模拟岩体结构面的模具及其使用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
岩体结构面粗糙度评价与峰值抗剪强度估算方法研究;蔡毅;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士） 工程科技Ⅱ辑》;20180715(第07期);第二章 *

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