CN114969861A - 大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,适用于工程岩体技术领域。本发明所采用的技术方案是:采集和统计天然岩体的结构面信息;基于天然岩体的结构面信息生成三维合成岩体结构面网络模型;获取天然岩体的力学参数;基于三维合成岩体结构面网络模型和天然岩体的力学参数将岩体颗粒分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型;从天然岩体上获取多个不同尺寸、不同位置的天然岩体试样,获取天然岩体试样的峰值强度和破坏特征;从三维合成岩体数值模型上获取多个与天然岩体试样一一对应的数值模型试样,获取数值模型试样的峰值强度和破坏特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法。适用于工程岩体技术领域。
背景技术
岩体结构是进行地质评价的主要依据。岩体是由地质界面和由地质界面包围的岩块两个基本单元组成,即结构面与结构。并且岩体变形和破坏也是由岩石材料和结构面共同控制的。结构面作为构成岩体结构及控制岩体力学性质的主要因素,故只有在获得完整的结构面信息,如空间分布特征等,才能为岩体工程地质特征提供较准确的评价。
对于工程岩体而言,需要根据岩体结构面信息如节理、裂隙位置等及其力学特性进行工程设计以及制定相应的安全措施。对于不同尺度的岩体,其内部的节理、裂缝的数量及位置是有很大区别的,故不同尺度岩体的力学性能也有较大的差异。工程上,经常对天然岩体进行现场以及室内相关力学试验,进而对岩体性能进行评估。然而对于天然岩体室内试验,由于试验仪器规格以及试验时间,往往不能对完整的岩体进行力学试验,只能对天然岩体采取试验岩芯从而进行力学性能测试。通过对岩体进行结构试验,发现在一定程度上,试验结果受到尺寸大小的影响。因此,岩体的尺寸效应研究对大尺度岩体的力学性能预测十分重要,具有重要的实践意义。
对于目前岩体工程开挖而言,由于天然岩体的力学性能无法准确得到,导致洞室、堤坝以及边坡的参数选择不当,在开挖时开挖面附近发生荷载变化,引起应力重分布,进而使得岩体变形在某些结构面或者薄弱部位快速发展,产生断裂以及新的贯通滑移,导致岩体工程失稳破坏,如大坝溃坝、洞室坍塌、边坡失稳等。因此必须通过一定方法,对结构面进行测量分析总结,找出分布规律、表面特征以及空间组合,进而判定岩体的稳定条件以及稳定性。
多年来,通过大量的研究实验,已经对岩体结构面信息获取取得了巨大成果,并且提出了许多岩体结构信息面采集方法,如钻孔岩芯节理采集法、测线法、摄影测量法等。但是,对于大尺度岩体结构面信息采集仍以地质罗盘为主,不能快速、全面的采集岩体结构信息。并且,对于大尺度岩体来说,其尺寸效应也有三大经典难题,如长大软弱结构面、离散裂隙网络和各向异性岩体,导致所获取的岩体力学特性及其相关变化规律的不准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:针对上述存在的问题,提供一种大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法。
本发明所采用的技术方案是:一种大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于:
采集和统计天然岩体的结构面信息;
基于天然岩体的结构面信息生成三维合成岩体结构面网络模型;
获取天然岩体的力学参数;
基于三维合成岩体结构面网络模型和天然岩体的力学参数将岩体颗粒分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型;
从天然岩体上获取多个不同尺寸、不同位置的天然岩体试样,获取天然岩体试样的峰值强度和破坏特征;从三维合成岩体数值模型上获取多个与天然岩体试样一一对应的数值模型试样,获取数值模型试样的峰值强度和破坏特征,基于天然岩体试样和数值模型试样在峰值强度和破坏特征上的对比分析调整三维合成岩体模型的力学参数;
在已调整校正的三维合成岩体数值模型中切割生成不同尺寸的岩体模型试样,获取其相关力学性能;
根据不同尺寸岩体模型试样的相关力学性能在同一曲线图上绘制应力-应变曲线,根据应力应变岁尺寸变化的特征,得出岩体模型的尺寸效应。
所述采集和统计天然岩体的结构面信息,包括:获取大量天然岩体边坡的地质图片。
所述基于天然岩体的结构面信息生成天然岩体的三维合成岩体结构面网络模型,包括:
基于天然岩体边坡的地质图片生成点云数据,并利用点云数据重构出天然岩体边坡的三维数字地形模型;
根据天然岩体结构面上的三维坐标,对结构面进行解译;
基于三维数字地形模型上的结构面位置及大小生成三维结构面网络;
建立三维立体空间,并用其对已生成的三维结构面网络进行切割,得到该三维立体空间对应岩体区域的三维合成岩体结构面网络模型。
所述基于三维数字地形模型上的结构面位置及大小生成三维结构面网络,包括:
基于天然岩体结构面数据绘制结构面极点等值密度线;
依据结构面极点等值密度线对结构面密度和位置进行模拟,通过通过蒙特卡洛模拟方法随机生成结构面为薄圆盘形态的三维结构面网络。
基于三维合成岩体结构面网络模型和天然岩体的力学参数将岩体颗粒分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型,包括:
将岩体颗粒随机分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型;
根据天然岩体的力学参数对三维合成岩体数值模型进行调整设置。
在已调整校正的三维合成岩体数值模型中切割生成不同尺寸的岩体模型试样,获取其相关力学性能,包括:
对同一中心、不同尺度的岩体模型试样进行数值试验,获得其相关力学性能;
对不同中心、相同尺度的岩体模型试样进行数值试验,获得其相关力学性能;
对不同尺度的岩体模型试样进行颗粒流切片并施展数值试验,获得其相关力学性能。
本发明的有益效果是:通过对天然岩体结构面的现场数字摄影采集,在结构面信息采集及统计的基础上,生成该代表性区域的数字地形模型,并根据裂隙极限端点坐标绘制迹线图。根据测得的结构面形状、产状、间距等参数以及根据测窗迹线图推测结构面的大小,通过Poisson过程生成该代表性区域的三维合成岩体结构面网络。然后,通过室内试验、现场试验,确定天然岩体及结构面的力学参数。在此基础上,对三维合成网络模型进行随机颗粒填充并设置相关参数,生成三维合成岩体数值模型。进一步地,对数值模型进行特定力学边界条件的数值模拟试验,边界条件与室内试验一致,对二者试验结果以及破坏特征进行分析对比,从而校正三维合成岩体参数,得到天然岩体的真实模拟。对已生成的三维合成岩体模型,可以开展对不同尺度、相同尺度不同中心以及不同尺度颗粒流的力学性能测试及破坏特征,获取该岩体高精度尺寸效应变化特征。解决了大尺度岩体性能无法准确定量评价的困难,可提高对大尺度岩体结构面信息采集的速度及准确性,为大尺度岩体的相关工程设计及稳定性评价提供参考。
附图说明
图1、2为本发明实施例提供的大尺度岩体结构精细化辨识技术及尺寸效应参数获取的流程示意图。
图3为本发明实施例提供的天然岩体结构面数字化采集流程。
图4为本发明实施例提供的三维岩体模型合成流程。
图5为本发明实施例提供的现场剪切试验装置。
图6为本发明实施例提供的不同尺度岩体模型。
图7为本发明实施例提供的相同尺度、不同中心模型。
图8为本发明实施例提供的不同尺度颗粒流模型。
图9为本发明实施例提供的不同尺度模型的数值实验曲线图。
具体实施方式
如图1、2所示,本实施例所提供的大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法包括以下步骤:
步骤101,天然岩体结构面信息采集及信息统计。
为获得天然岩体边坡的地址图片,通过数字化采集,对高边坡正立面进行多站正面摄影。根据现场实际情况,采用摄像机对不同高程面和多基站进行多站摄影,每站拍摄需要有66重叠度,并且从不同的摄影面进行拍摄应尽量将边坡全部拍摄,避免产生摄影盲区。
步骤102,生成天然岩体的三维结构面网络,获得裂隙网络。
摄影外业工作后,将不同焦距的像片进行分类处理,并将其导入软件;然后,采用多视图三维重建技术,将影响、POS数据、地面点控制点数据,自动计算出相片位置,自动定向并且生成点云数据;根据影像扫描系统从拍摄图片中提取带有坐标信息的点云数据,快速重构出天然岩体的三维数字地形模型;
通过结构面上点的三维坐标,对结构面产状进行解译,可以应用几何解译法、模拟解译法以及三点解译法。而对于结构面的大小,通过相关分析可以得出与迹长相关。因此通过数字地形模型,采集裂隙极限端点坐标及表征岩体产状的裂隙面上的特征点坐标,绘制迹线图,量取迹长,从而确定结构面的大小(具体流程参考图3)。
根据现场测量以及影像资料,对结构面形状、产状、间距等进行岩体随机结构面优势组划分,划分结果采用右手法则表示的走向玫瑰花图表示;
通过测线法精细测量采集天然结构面数据,并将所得数据进行整理,绘制结构面极点等值密度线;应用Poisson过程,依据结构面极点等值密度线对结构面密度和位置进行模拟;通过蒙特卡洛模拟方法随机生成结构面为薄圆盘形态的三维结构面网络。
根据天然岩体的实际大小,以及后续对天然岩体尺寸效应的研究,建立大小为60m×60m×60m的三维立体空间,并用其对已生成的三维结构面网络进行切割,最终得到该区域代表性的三维合成岩体结构面网络模型(参考图4)。
步骤103,开展天然岩体室内、现场实验,获取力学参数。
开展天然岩体的现场物理性能测试,获得天然岩体的密度、硬度等物理性质,在试样尺寸确定的基础上,采用质量体积法对试样进行密度测定;
开展天然岩体的现场剪切试验,选择具有代表性的岩体,在原地岩体人工开凿或刻取制备满足试验要求的试验样品,五个点为一组,消除人为扰动对岩体性能的影响。试验过程整体满足《工程岩土试验方法标准》的相关要求。试坑采用切割机开挖,最大限度减少对岩体的扰动。开挖后进行饱水试验,通过饱水试验保证岩体处于饱和状态。现场承压板尺寸为50cm×50cm,露出原岩尺寸为50cm×50cm×30cm,采用水平千斤顶对原岩施加水平力,试验装置参考图5,进而获得天然岩体的剪切力学特性及相关力学参数;
对天然岩体代表性区域进行钻心取样,进行室内力学实验,包括剪切试验和三轴压缩试验。试样的标准应满足剪切设备和压缩设备的要求,本试验采用的试样大小为100mm×100mm×100mm。剪切试验设备采用YZW50型电动应力式剪切仪,获得岩体试样的剪切力学性能参数及破坏特征。对试样进行三轴压缩试验,其中试样的围压应与天然岩体的地应力大小相同,通过三轴试验获得岩石的抗压强度、天然应力参数以及破坏特性;
由于天然岩体试样的单一性,因此,当剪切变形急剧增长或剪切变形已经达到试样尺寸的1/10时,终止试验,以便于重复试验。
步骤104,生成三维合成岩体数值模型。
结构体是由结构面和岩体组合而成的,因此在已获得的三维结构面网络模型的基础上,通过软件模拟将岩体颗粒随机分布在三维结构面网络模型中,从而形成三维合成岩体数值模型。
根据室内、现场试验测得的天然岩体密度、抗压、抗剪等力学参数,对三维合成岩体数值模型进行设置,得到完整的天然岩体数值模型。
步骤105,完成合成岩体从局部到整体、破坏机理的真实模拟。
选取不同尺寸,不同位置的天然岩体试样,尺寸要求应满足室内试验设备尺寸要求,并考虑试验时间因素,选择边长为100mm以下的试样尺寸。同时,对取样位置进行标注。
通过标注的位置,确定三维合成岩体数值模型上的切割位置,切割形成与天然岩体试样一一对应(位置、尺寸一致)的数值模型试样。
对天然岩体试样三轴压缩试验与剪切试验,获得其峰值强度和破坏特征,同时,对同等尺寸的数值模型试样进行特定力学边界条件的数值试验,边界条件参数与室内试验保持一致,获得其峰值强度与破坏特征。
将室内试验与数值试验的试验结果进行对比分析,根据比对分析结果调整三维合成岩体的力学参数设置,从而保证数值模型可以对天然岩体进行最真实的模拟。
本实施例在校正好参数的数值模型上,进行从局部到整体的数值试验,分析其破坏机理,从而完成对大尺度天然岩体破坏的真实模拟。
步骤106,开展不同尺度岩体力学性能测试。
在已校对后的三维合成岩体数值模型中,切割数值模型试验所需要的模型尺寸,得到岩体模型试样,岩体模型试样均为正方形,尺寸为1m、2m、4m、5m、8m、10m、20m、40m、50m、60m,对其进行特定边界条件的数值试验,并分析相关力学性能。
对同一中心、不同尺度的三维合成岩体模型进行数值试验,获得其相关力学性能,模型如图6;
对不同中心、相同尺度的三维合成岩体模型进行数值试验,获得其相关力学性能,模型如图7;
对不同尺度的三维合成岩体模型进行颗粒流切片并施展数值试验,获得其相关力学性能,模型如图8。
步骤107,获取合成岩体高精度尺寸效应变化特征。
通过开展不同尺度岩体模型试样的数值试验,得到不同尺寸模型对应的应力、应变、位移等数据,并绘制相应的曲线图。将不同尺度数值模型下的应力-应变曲线绘制在一个曲线图内,曲线图如图9,分析应力应变随尺寸变化的特征,得出三维岩体模型的尺寸效应,从而精确的预测出大尺度天然岩体的力学性能。
本实施例通过对大尺度天然岩体信息数字化采集,在天然岩体结构面信息分析及统计的基础上,生成该代表性区域的天然岩体三维结构面网络并获得离散裂隙网络;然后通过开展完整岩石试样的现场实验及岩体结构面的室内试验,获取岩石及结构面的相关力学参数。进而,在三维结构面网络生成及岩石、结构面力学参数获取的基础上,生成大尺寸三维合成岩体数值模型。在此基础上,选取与室内试验尺度一致的试样,开展特定力学边界条件下的数值试验以及该尺度下天然岩体室内力学试验,获取三维合成岩体和天然岩体的力学性能及破坏特征,并进行分析对比。根据对比结果校正三维数值模型的力学参数选取;进而,开展不同尺度三维数值模型在不同力学边界条件下的模拟,得到不同尺度三维模型的力学性能及破坏特征,获取该岩体的高精度尺寸效应变化特征,解决了以往天然大尺度岩体力学性能无法定量评价的问题,并且可以高效快速的获取天然大尺度岩体结构面的地质特征。因此,本实施例可提高对大尺度天然岩体结构面力学特性和破坏规律的认识,为岩体工程相关设计及安全稳定性评价提供参考。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本公开的真正范围和精神由上面的权利要求指出。
应当理解的是,本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于:
采集和统计天然岩体的结构面信息;
基于天然岩体的结构面信息生成三维合成岩体结构面网络模型;
获取天然岩体的力学参数;
基于三维合成岩体结构面网络模型和天然岩体的力学参数将岩体颗粒分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型;
从天然岩体上获取多个不同尺寸、不同位置的天然岩体试样,获取天然岩体试样的峰值强度和破坏特征;从三维合成岩体数值模型上获取多个与天然岩体试样一一对应的数值模型试样,获取数值模型试样的峰值强度和破坏特征,基于天然岩体试样和数值模型试样在峰值强度和破坏特征上的对比分析调整三维合成岩体模型的力学参数;
在已调整校正的三维合成岩体数值模型中切割生成不同尺寸的岩体模型试样,获取其相关力学性能;
根据不同尺寸岩体模型试样的相关力学性能在同一曲线图上绘制应力-应变曲线,根据应力应变岁尺寸变化的特征,得出岩体模型的尺寸效应。
2.根据权利要求1所述的大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于,所述采集和统计天然岩体的结构面信息,包括:获取大量天然岩体边坡的地质图片。
3.根据权利要求2所述的大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于,所述基于天然岩体的结构面信息生成天然岩体的三维合成岩体结构面网络模型,包括:
基于天然岩体边坡的地质图片生成点云数据,并利用点云数据重构出天然岩体边坡的三维数字地形模型;
根据天然岩体结构面上的三维坐标,对结构面进行解译;
基于三维数字地形模型上的结构面位置及大小生成三维结构面网络;
建立三维立体空间,并用其对已生成的三维结构面网络进行切割,得到该三维立体空间对应岩体区域的三维合成岩体结构面网络模型。
4.根据权利要求3所述的大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于,所述基于三维数字地形模型上的结构面位置及大小生成三维结构面网络,包括:
基于天然岩体结构面数据绘制结构面极点等值密度线;
依据结构面极点等值密度线对结构面密度和位置进行模拟,通过通过蒙特卡洛模拟方法随机生成结构面为薄圆盘形态的三维结构面网络。
5.根据权利要求1所述的大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于,基于三维合成岩体结构面网络模型和天然岩体的力学参数将岩体颗粒分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型,包括:
将岩体颗粒随机分布在三维合成岩体结构面网络模型中,形成三维合成岩体数值模型;
根据天然岩体的力学参数对三维合成岩体数值模型进行调整设置。
6.根据权利要求1所述的大尺度岩体结构精细化辨识及尺寸效应参数获取方法,其特征在于,在已调整校正的三维合成岩体数值模型中切割生成不同尺寸的岩体模型试样,获取其相关力学性能,包括:
对同一中心、不同尺度的岩体模型试样进行数值试验,获得其相关力学性能;
对不同中心、相同尺度的岩体模型试样进行数值试验,获得其相关力学性能;
对不同尺度的岩体模型试样进行颗粒流切片并施展数值试验,获得其相关力学性能。
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2022
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CN115457229B (zh) * | 2022-11-11 | 2023-03-24 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 岩体结构面三维网络模型确定方法、装置、设备及介质 |
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