CN110889246B - 结构面抗剪区域的确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种结构面抗剪区域的确定方法，利用三维扫描仪对结构面进行扫描，获得其表面特征的三维数字信息；利用编程软件对节理面的三维数字信息进行等间距插值，并对其进行Delaunay三角剖分；根据三角形微凸体的顶点坐标及其剪切方向的方向向量，利用编程软件计算每个三角形微凸体的视倾角；为区分哪些三角形微凸体具有潜在抗剪力，根据其视倾角值将其分为两类；找出结构面表面上所有的具有潜在抗剪力的三角形微凸体和不具有潜在抗剪力的三角形微凸体；利用编程画出ST的点云图，点云图中所有具有潜在抗剪力的三角形微凸体所组成的区域为剪切过程中能够提供抗剪力的区域。本发明可以有效地识别结构面表面上的潜在抗剪区域，能够为分析结构面的剪切机理提供基础。

Description

结构面抗剪区域的确定方法
技术领域
本发明属于岩石力学工程领域，涉及一种结构面抗剪区域的确定方法。
背景技术
大量的工程实践证实，很多工程岩体的失稳问题都与结构面存在有关，研究结构面的力学行为具有十分重要的工程意义。在结构面的剪切试验或原位抗剪试验中，确定其表面上能够提供抗剪力的区域对分析结构面的变形特征、破坏特征以及剪切机理是十分重要的。学者Grasselli通过对结构面剪切试验后破坏特征观察发现只有面向剪切方向上的区域才有可能提供抗剪力(Grasselli G,Wirth J,Egger P.Quantitative three-dimensional description of a rough surface and parameter evolution withshearing[J].International Journal of Rock Mechanics and MiningSciences,2002,39(6):789-800.即Grasselli G，Wirth J，Egger P.粗糙节理面的三维定量描述及其随剪切过程的演化[J]。国际岩石力学与采矿科学杂志，2002,39(6)：789-800.)。然而当结构面表面的形貌特征十分复杂时，通过直观地观察是很难确定其抗剪区域的，这对研究结构面的剪切机理是不利的，因此，准确地确定结构面的抗剪区域具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中无法准确地确定结构面的抗剪区域的问题，本发明提供一种结构面抗剪区域的确定方法，该方法能够准确地确定结构面表面够提供抗剪力的潜在区域，进而为进一步分析结构面的变形特征、破坏特征以及剪切机理提供基础。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种结构面抗剪区域的确定方法，包括以下步骤：
1)利用三维扫描仪对结构面进行扫描，获得其表面特征的三维数字信息；
2)利用编程软件对节理面的三维数字信息进行等间距插值，并对其进行Delaunay三角剖分，将结构面表面划分为若干个三角形，每个三角形称为三角形微凸体，进而可以获得三角形微凸体的集合T，如公式(1)所示，
T＝[T1(V11，V12，V13)T2(V21，V22，V23)…Ti(Vi1，Vi2，Vi3)…Tn(Vn1，Vn2，Vn3)] (1)
式中Ti为结构面表面上第i个三角形微凸体，Vi1、Vi2、Vi3为第i个三角形微凸体的三个顶点，n为三角形微凸体的总数；
3)根据三角形微凸体的顶点坐标及其剪切方向的方向向量，利用编程软件计算每个三角形微凸体的视倾角的
Figure BDA0002249501060000021
计算公式如下述公式(2)：
Figure BDA0002249501060000022
式中
Figure BDA0002249501060000023
为第i个三角形微凸体的视倾角，s为剪切方向的方向方向向量，no剪切平面的法向量，ni为第i个三角形微凸体的外法向量，nio为第i个三角形微凸体的外法向量ni的在剪切平面的投影向量；
4)为区分哪些三角形微凸体具有潜在抗剪力，根据其视倾角值将其分为两类，视倾角
Figure BDA0002249501060000024
不小于0的微凸体为具有潜在抗剪力的三角形微凸体，将其记为/>
Figure BDA0002249501060000025
反之为不具有潜在抗剪力的三角形微凸体，并记为/>
Figure BDA0002249501060000026
其公式如下述公式(3)：
Figure BDA0002249501060000027
5)找出结构面表面上所有的具有潜在抗剪力的三角形微凸体和不具有潜在抗剪力的三角形微凸体，进而可以获得三角形微凸体的分类集合AT，其公式如下所诉：
Figure BDA0002249501060000028
6)计算每个三角形微凸体在剪切平面的投影重心坐标
Figure BDA0002249501060000029
其中/>
Figure BDA00022495010600000210
与/>
Figure BDA00022495010600000211
的计算公式如下：
Figure BDA0002249501060000031
式中
Figure BDA0002249501060000032
和/>
Figure BDA0002249501060000033
为三角形微凸体的三个顶点坐标；
7)根据三角形微凸体的分类集合AT与其在剪切平面投影的重心坐标构造结构面抗剪区域的点云矩阵ST，ST为n×3的矩阵，并利用编程画出ST的点云图，点云图中所有具有潜在抗剪力的三角形微凸体所组成的区域为剪切过程中能够提供抗剪力的区域，其中结构面抗剪区域的点云矩阵ST如下述公式所示：
Figure BDA0002249501060000034
进一步，所述步骤1)中，三维扫描仪为高精度三维扫描仪。
再进一步，所述步骤2)、步骤3)和步骤7)中，所述编程软件为MATLAB软件。
本发明的有益效果为：由于采用了上述技术方案，可以有效地识别结构面表面上的潜在抗剪区域，能够预测结构面在剪切过程中哪些区域才有可能提供剪切力，这些区域是分析结构面的变形特征和破坏特征时需要重点关注的区域。
附图说明
图1为本发明流程分析图；
图2为结构面的表面特征及剪切方向；
图3为不同剪切方向上结构面抗剪区域的点云图和破坏特征。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
参照图1～图3，一种结构面剪切试验潜在抗剪区域的识别方法，以结构面A为研究对象，包括以下步骤：
1)利用三维扫描仪对结构面进行扫描，获得其表面特征的三维数字信息；
2)对节理面的三维数字信息进行等间距插值，并对其进行Delaunay三角剖分，将结构面表面划分为若干个三角形，每个三角形称为三角形微凸体，进而可以获得三角形微凸体的集合T，如公式(1)所示，
T＝[T1(V11，V12，V13)T2(V21，V22，V23)…Ti(Vi1，Vi2，Vi3)…Tn(Vn1，Vn2，Vn3)] (1)
式中Ti为结构面表面上第i个三角形微凸体，Vi1、Vi2、Vi3为第i个三角形微凸体的三个顶点，n为三角形微凸体的总数；
3)根据三角形微凸体的顶点坐标及其剪切方向的方向向量，利用编程软件计算每个三角形微凸体的视倾角的
Figure BDA0002249501060000041
计算公式如下述公式(2)：
Figure BDA0002249501060000042
式中
Figure BDA0002249501060000043
为第i个三角形微凸体的视倾角，s为剪切方向的方向方向向量，no剪切平面的法向量，ni为第i个三角形微凸体的外法向量，nio为第i个三角形微凸体的外法向量ni的在剪切平面的投影向量；
4)为区分哪些三角形微凸体具有潜在抗剪力，根据其视倾角值将其分为两类，视倾角
Figure BDA0002249501060000044
不小于0的微凸体为具有潜在抗剪力的三角形微凸体，将其记为/>
Figure BDA0002249501060000045
反之为不具有潜在抗剪力的三角形微凸体，并记为/>
Figure BDA0002249501060000046
其公式如下述公式(3)：
Figure BDA0002249501060000047
5)找出结构面表面上所有的具有潜在抗剪力的三角形微凸体和不具有潜在抗剪力的三角形微凸体，进而可以获得三角形微凸体的分类集合AT，其公式如下：
Figure BDA0002249501060000048
6)计算每个三角形微凸体在剪切平面的投影重心坐标
Figure BDA0002249501060000049
其中/>
Figure BDA00022495010600000410
与/>
Figure BDA0002249501060000051
的计算公式如下：
Figure BDA0002249501060000052
式中
Figure BDA0002249501060000053
和/>
Figure BDA0002249501060000054
为三角形微凸体的三个顶点坐标；
7)根据三角形微凸体的分类集合AT与其在剪切平面投影的重心坐标构造结构面抗剪区域的点云矩阵ST，ST为n×3的矩阵，并利用编程画出ST的点云图，点云图中所有具有潜在抗剪力的三角形微凸体所组成的区域为剪切过程中能够提供抗剪力的区域，其中结构面抗剪区域的点云矩阵ST如下述公式所示：
Figure BDA0002249501060000055
实例：一种结构面剪切试验潜在抗剪区域的识别方法，包括以下步骤：
1)以结构面A为研究对象，其形貌特征和剪切方向如图2所示，利用三维扫描仪对其进行扫描，获取结构面A的三维数字信息。
2)利用MATLAB软件编程对结构面A的三维数字信息进行等间距插值，并对其进行Delaunay三角剖分；然后计算每个三角形微凸体的视倾角
Figure BDA0002249501060000056
根据/>
Figure BDA0002249501060000057
值的大小对结构面表面的三角形微凸体进行分类，进而得到其分类集合AT。
3)计算每个三角形微凸体在剪切平面的投影重心坐标，进而得到结构面抗剪区域的点云矩阵ST(114242×3的矩阵)，其中点云ST矩阵部分值如表1所示。
Figure BDA0002249501060000058
Figure BDA0002249501060000061
表1
4)结构面抗剪区域的点云矩阵ST绘制其点云图，如图3所示，该图中黑色区域为具有潜在抗剪力的区域。图3中还展示了该结构面在0.6MPa法向应力下剪切试验的破坏特征，对比可知结构面的破坏区域基本都落在了具有潜在抗剪力的区域，这说明在分析剪切力学特征时有潜在抗剪力的区域是需要重点关注的区域。

Claims (3)

1.一种结构面抗剪区域的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)利用三维扫描仪对结构面进行扫描，获得其表面特征的三维数字信息；
2)利用编程软件对节理面的三维数字信息进行等间距插值，并对其进行Delaunay三角剖分，将结构面表面划分为若干个三角形，每个三角形称为三角形微凸体，进而可以获得三角形微凸体的集合T，如公式(1)所示，
T＝[T1(V11，V12，V13)T2(V21，V22，V23) … Ti(Vi1，Vi2，Vi3) … Tn(Vn1，Vn2，Vn3)] (1)
式中Ti为结构面表面上第i个三角形微凸体，Vi1、Vi2、Vi3为第i个三角形微凸体的三个顶点，n为三角形微凸体的总数；
3)根据三角形微凸体的顶点坐标及其剪切方向的方向向量，利用编程软件计算每个三角形微凸体的视倾角
Figure FDA0002249501050000011
计算公式如下述公式(2)：
Figure FDA0002249501050000012
式中
Figure FDA0002249501050000013
为第i个三角形微凸体的视倾角，s为剪切方向的方向方向向量，no剪切平面的法向量，ni为第i个三角形微凸体的外法向量，nio为第i个三角形微凸体的外法向量ni的在剪切平面的投影向量；
4)为区分哪些三角形微凸体具有潜在抗剪力，根据其视倾角值将其分为两类，视倾角
Figure FDA0002249501050000014
不小于0的微凸体为具有潜在抗剪力的三角形微凸体，将其记为/>
Figure FDA0002249501050000015
反之为不具有潜在抗剪力的三角形微凸体，并记为/>
Figure FDA0002249501050000016
其公式如下述公式(3)：
Figure FDA0002249501050000017
5)找出结构面表面上所有的具有潜在抗剪力的三角形微凸体和不具有潜在抗剪力的三角形微凸体，进而可以获得三角形微凸体的分类集合AT，其公式如下所诉：
Figure FDA0002249501050000018
6)计算每个三角形微凸体在剪切平面的投影重心坐标
Figure FDA0002249501050000019
其中/>
Figure FDA00022495010500000110
与/>
Figure FDA00022495010500000111
的计算公式如下：
Figure FDA00022495010500000112
式中
Figure FDA00022495010500000113
和/>
Figure FDA00022495010500000114
为三角形微凸体的三个顶点坐标；
7)根据三角形微凸体的分类集合AT与其在剪切平面投影的重心坐标构造结构面抗剪区域的点云矩阵ST，ST为n×3的矩阵，并利用编程画出ST的点云图，点云图中所有具有潜在抗剪力的三角形微凸体所组成的区域为剪切过程中能够提供抗剪力的区域，其中结构面抗剪区域的点云矩阵ST如下述公式所示：
Figure FDA0002249501050000021
2.如权利要求1所述的一种结构面抗剪区域的确定方法，其特征在于，所述步骤1)中，三维扫描仪为高精度三维扫描仪。
3.如权利要求1或2所述的一种结构面抗剪区域的确定方法，其特征在于，所述步骤2)、步骤3)和步骤7)中，所述编程软件为MATLAB软件。
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