CN111289524A - 基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，包括如下步骤：1)利用三维激光扫描成像技术对岩体进行扫描，并建立三维模型，2)按照曲率提取三维模型中的波谷特征线，3)统计对应波谷特征线的总长度，利用卸荷完整度公式计算岩体卸荷损伤状态；本发明采用三维激光扫描技术，能在短时间内对卸荷损伤部位(主要是卸荷裂隙)进行准确定位与统计，进而评价岩体卸荷损伤状况，同时本发明还提高了岩体卸荷损伤检测的速度与精度，有效避免人工识别岩体卸荷损伤方法存在的耗时耗力且效果差的问题。

Description

基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法
技术领域
本发明属于岩体质量评价技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法。
背景技术
“损伤”泛指材料内部的一种劣化因素，与所涉及的材料与工作环境密切相关，岩石材料本身就是一种天然损伤材料。岩体是岩石材料的集合体，并且由于岩体材料是一种经历了漫长成岩历史，并赋存与一定定地质环境中的地质体，他不可能是完整的各向同性体，内部总是存在着各种缺陷，如节理、裂隙、甚至断层等。岩体的稳定性对于这种缺陷是比较敏感的。工程地质学家认为，岩体的稳定性很大程度上取决于其内部的节理、裂隙与断层。岩体的力学性质在一定程度上受结构面所控制，岩体破坏实质上是结构面相互扩展的过程，可以说岩体裂隙扩展及岩桥断裂机制研究，是研究岩体失稳破坏的关键问题。岩体工程的失稳基本上是结构面扩展及岩桥的断裂过程，主要是岩体结构及结构面的受力状态的研究。
岩石(体)内部结构面的存在即是岩体损伤现象的细观表现。对于岩体断裂损伤机制研究，主要集中在研究对岩体从微裂纹萌生、扩展、演化到宏观裂纹的形成，断裂、破坏全过程进行研究，把岩体中的微裂纹和微孔洞作为岩体的一种初始损伤，把裂隙张开、闭合、滑移、扩展与贯通的过程看作是损伤的演化过程，进而影响到裂隙岩体的稳定性。
在岩质开挖工程，如高边坡、深基坑等，岩体的卸荷损伤伴随在整个开挖过程中。由于开挖后应力释放，边坡岩体向临空面方向发生卸荷回弹变形，边坡应力场重新调整。伴随着这一过程在边坡浅部一定深度范围内岩体裂隙进一步扩展，表现为岩体力学性能的劣化，导致原有结构面的进一步错动或者新的表生破裂的形成，开挖卸荷导致的边坡岩体损伤对边坡工程性状有很大影响，大量的岩体卸荷会造成边坡局部或整体失稳，进而形成严重的安全事故。
目前，随着工程开挖面积增大，岩体卸荷部位急剧增多，通过人工识别岩体卸荷损伤已无法满足工程进度需求。
发明内容
本发明提供了一种基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，以解决人工对卸荷损伤(主要为卸荷裂隙)进行统计与分析，存在耗时耗力且效果差的问题。
为了解决相关技术问题，本发明通过下述技术方案实现：基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，包括如下步骤：
S1：利用三维激光扫描成像技术对岩体进行扫描，并建立三维模型；
S2：按照曲率提取三维模型中的波谷特征线；
S3：统计对应波谷特征线的总长度，利用卸荷完整度公式：
Figure BDA0002400866410000021
计算岩体卸荷损伤状态；
其中，IU为卸荷损伤度，其范围为0-1，表示卸荷破坏后岩体的损伤程度，IU＝0表示岩体无卸荷破坏，IU＝1表示岩体已完全发生卸荷破坏，卸荷损伤度从侧面反应岩体受损伤后强度的降低程度；LU为卸荷裂隙长度，卸荷裂隙长度随卸荷破坏过程增加，可通过统计卸荷裂隙线总长度获得；L为岩体完全发生卸荷破坏时的卸荷裂隙线总长，其值可综合岩体结构面与已有卸荷裂隙的的发育状况综合判断。
在本发明的较佳实施例中，在所述步骤S1包括如下子步骤：
S11：利用三维激光扫描仪对开挖岩体进行多次扫描，以收集开挖面的点云数据；
S12：对收集的点云数据进行预处理，以提高点云数据整体精度；
S13：对预处理后的点云数据建模，以生成开挖面的三维模型；
S14：对三维模型进行进行预处理，以提高三维模型整体精度。
在本发明的较佳实施例中，所述步骤S11具体为：按照施工进程，利用三维激光扫描仪对开挖岩体进行多次扫描，并收集开挖面的点云数据；
在本发明的较佳实施例中，所述步骤S12具体为：利用专业软件对点云数据进行配准、降噪、去除非地面点等预处理程序，以提高点云数据整体精度。
在本发明的较佳实施例中，所述步骤S13具体为：利用预处理后的点云数据，使用专业软件中的Delaunay三角网法进行三维建模，以生成开挖面的三维模型。
在本发明的较佳实施例中，所述步骤S14具体为：对三维模型进行降噪、补孔、去除流型、删除钉状物等预处理程序，以提高三维模型整体精度。
在本发明的较佳实施例中，所述波谷特征线为卸荷裂隙线，所述步骤S3为：统计卸荷裂隙线的总长度，利用卸荷完整度公式：
Figure BDA0002400866410000031
计算岩体卸荷损伤状态；
其中，IU为卸荷损伤度，其范围为0-1，表示卸荷破坏后岩体的损伤程度，IU＝0表示岩体无卸荷破坏，IU＝1表示岩体已完全发生卸荷破坏，卸荷损伤度从侧面反应岩体受损伤后强度的降低程度；LU为卸荷裂隙长度，卸荷裂隙长度随卸荷破坏过程增加，可通过统计卸荷裂隙线总长度获得；L为岩体完全发生卸荷破坏时的卸荷裂隙线总长，其值可综合岩体结构面与已有卸荷裂隙的的发育状况综合判断。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明采用三维激光扫描技术，能在短时间内对卸荷损伤部位(主要是卸荷裂隙)进行准确定位与统计，进而评价岩体卸荷损伤状况，同时本发明还提高了岩体卸荷损伤检测的速度与精度，有效避免人工识别岩体卸荷损伤方法存在的耗时耗力且效果差的问题。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为特征线识别原理图；
图2为岩体损伤度计算结果图；
图3为第一时间点的三维模型图；
图4为第二时间点的三维模型图；
图5为第一时间点的裂隙特征线识别图；
图6为第二时间点的裂隙特征线识别图；
图7为第一时间点和第二时间点的岩体损伤度计算结果对比图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明提供了一种基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型、复杂实体的三维数据完整的采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、体等各种几何数据。
一种基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，包括如下步骤：
1、按照施工进程，利用三维激光扫描仪对开挖岩体进行多次扫描，并收集开挖面的点云数据；
2、利用专业软件对点云数据进行配准、降噪、去除非地面点等预处理程序，以提高点云数据整体精度。
3、利用预处理后的点云数据，使用专业软件中的Delaunay三角网法进行三维建模，以生成开挖面的三维模型。
4、对三维模型进行降噪、补孔、去除流型、删除钉状物等预处理程序，以提高三维模型整体精度。
5、按照曲率提取三维模型中的波谷特征线，其中，波谷特征线即为卸荷裂隙线，(如图1所示)。
6、统计卸荷裂隙线(波谷特征线)的总长度，利用卸荷完整度公式：
Figure BDA0002400866410000041
计算岩体卸荷损伤状态(如图2所示)；
其中，IU为卸荷损伤度，其范围为0-1，表示卸荷破坏后岩体的损伤程度，IU＝0表示岩体无卸荷破坏，IU＝1表示岩体已完全发生卸荷破坏，卸荷损伤度从侧面反应岩体受损伤后强度的降低程度；LU为卸荷裂隙长度，卸荷裂隙长度随卸荷破坏过程增加，可通过统计卸荷裂隙线总长度获得；L为岩体完全发生卸荷破坏时的卸荷裂隙线总长，其值可综合岩体结构面与已有卸荷裂隙的的发育状况综合判断。
实施例
(1)根据某大坝坝肩岩质边坡开挖工程进度，在前后8天内进行了两次现场三维激光扫描，获取了两期三维激光点云数据；
(2)经过预处理过程，将研究区域的两个时间点的点云数据进行配准、降噪、提取后，经Delaunay三角网法转化为三维模型(如图3和4所示)；
(3)分别统计两个时间点数据的波谷特征线长度，第一时间点的波谷特征线长度为51.4m(如图5所示)，第二时间点的波谷特征线长度为113.3米(如图6所示)；
(4)按照岩体结构面以及已有裂隙分布情况估计卸荷裂隙总长度为168米；
(5)按公式
Figure BDA0002400866410000051
分别计算第一时间点和第二时间点的裂隙完整度，IU1＝0.1，IU2＝0.62(如图7所示)。其中，IU为卸荷损伤度，其范围为0-1，表示卸荷破坏后岩体的损伤程度，IU＝0表示岩体无卸荷破坏，IU＝1表示岩体已完全发生卸荷破坏，卸荷损伤度从侧面反应岩体受损伤后强度的降低程度。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：利用三维激光扫描成像技术对岩体进行扫描，并建立三维模型；
S2：按照曲率提取三维模型中的波谷特征线；
S3：统计对应波谷特征线的总长度，利用卸荷完整度公式：
Figure FDA0002400866400000011
计算岩体卸荷损伤状态；
其中，IU为卸荷损伤度，其范围为0-1，表示卸荷破坏后岩体的损伤程度，IU＝0表示岩体无卸荷破坏，IU＝1表示岩体已完全发生卸荷破坏，卸荷损伤度从侧面反应岩体受损伤后强度的降低程度；LU为卸荷裂隙长度，卸荷裂隙长度随卸荷破坏过程增加，可通过统计卸荷裂隙线总长度获得；L为岩体完全发生卸荷破坏时的卸荷裂隙线总长，其值可综合岩体结构面与已有卸荷裂隙的的发育状况综合判断。
2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下子步骤：
S11：利用三维激光扫描仪对开挖岩体进行多次扫描，以收集开挖面的点云数据；
S12：对收集的点云数据进行预处理，以提高点云数据整体精度；
S13：对预处理后的点云数据建模，以生成开挖面的三维模型；
S14：对三维模型进行进行预处理，以提高三维模型整体精度。
3.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，所述步骤S11具体为：按照施工进程，利用三维激光扫描仪对开挖岩体进行多次扫描，并收集开挖面的点云数据。
4.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：利用专业软件对点云数据进行配准、降噪、去除非地面点等预处理程序，以提高点云数据整体精度。
5.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：利用预处理后的点云数据，使用专业软件中的Delaunay三角网法进行三维建模，以生成开挖面的三维模型。
6.根据权利要求2所述的基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，所述步骤S14具体为：对三维模型进行降噪、补孔、去除流型、删除钉状物等预处理程序，以提高三维模型整体精度。
7.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的开挖岩体表面卸荷损伤评价方法，其特征在于，所述波谷特征线为卸荷裂隙线，所述步骤S3为：统计卸荷裂隙线的总长度，利用卸荷完整度公式：
Figure FDA0002400866400000021
计算岩体卸荷损伤状态。
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