本文關(guān)鍵詞：基于BAP的巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度與峰值抗剪強(qiáng)度研究　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：巖體是自然界中具有一定結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)體,其內(nèi)部發(fā)育有各種各樣具有一定方向、規(guī)模和形態(tài)的結(jié)構(gòu)面,如層面、節(jié)理、斷層、裂隙、不整合接觸面等等。結(jié)構(gòu)面的存在使得巖體不同于其他材料,物理力學(xué)性質(zhì)存在不連續(xù)性、各向異性、非均一性等特點(diǎn),同時(shí)也降低了巖體的完整性和整體強(qiáng)度。巖體往往不是因?yàn)楸旧聿牧掀茐陌l(fā)生失穩(wěn),而是沿著巖體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。甚至可以說(shuō),巖體的穩(wěn)定性在一定程度上是由這些結(jié)構(gòu)面(特別是控制性結(jié)構(gòu)面)所決定的。因此,開展結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)的研究是評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。而作為影響巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的重要因素之一,粗糙度與抗剪強(qiáng)度之間具有明顯的相關(guān)性,結(jié)構(gòu)面越粗糙,抗剪強(qiáng)度越大。基于粗糙度的結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型研究一直是巖體力學(xué)與工程地質(zhì)領(lǐng)域的重要研究課題,估算模型的成敗在于能否尋找出合理的指標(biāo)來(lái)表征巖體結(jié)構(gòu)面的真實(shí)粗糙程度。然而,目前關(guān)于結(jié)構(gòu)面粗糙度的研究仍然存在以下幾個(gè)問題： (1)采集裝備落后,試驗(yàn)周期長(zhǎng),不能滿足巖體穩(wěn)定性的快速評(píng)價(jià)要求。對(duì)于發(fā)展迅速的巖體破壞過程,如高速遠(yuǎn)程滑坡,還有一些重大地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)工程,時(shí)間就是生命,需要研究學(xué)者能夠在短時(shí)間內(nèi)給出評(píng)價(jià)結(jié)果,并預(yù)測(cè)受災(zāi)范圍,提出合理的工程治理方案。而恰恰由于測(cè)量?jī)x器本身問題,卻體現(xiàn)不出估算模型的優(yōu)勢(shì)。 (2)評(píng)價(jià)方法對(duì)采樣方向、采樣尺寸以及采樣間距具有很大的依賴性,缺乏系統(tǒng)地開展粗糙度影響因素的研究及其相應(yīng)合理的解決對(duì)策。 (3)粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)僅僅依據(jù)結(jié)構(gòu)面的幾何信息,忽視了結(jié)構(gòu)面粗糙度的力學(xué)特征,結(jié)構(gòu)面粗糙度與結(jié)構(gòu)面的受力狀態(tài)、受力方向是密切相關(guān)的。 本論文研究目的就是借助先進(jìn)的采樣手段,系統(tǒng)分析采樣參數(shù)(采樣方向、采樣尺寸以及采樣間距)對(duì)結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,進(jìn)而提出一種快速精確的粗糙度評(píng)價(jià)方法,并力求在此基礎(chǔ)上建立結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型。 以重慶武隆雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡研究區(qū)域的灰?guī)r結(jié)構(gòu)面為例,本論文主要開展以下幾方面的研究工作： (1)天然巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度數(shù)據(jù)的快速采集。LS05-1巖體結(jié)構(gòu)面為散落在堆積區(qū)內(nèi)的灰?guī)r層面,非原位產(chǎn)狀,采用ILRIS-36D三維激光掃描儀,獲取野外大尺寸結(jié)構(gòu)面粗糙度點(diǎn)云數(shù)據(jù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度影響因素、基于光亮面積百分比(BAP)的粗糙度表征方法和結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型研究工作中,原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描尺寸(ROI)為4.7×2.5m,采樣間距為0.8mm,共采集掃描點(diǎn)約1800多萬(wàn)個(gè)。JWO2-1BL、 JW02-2BL、JW03-1BL、JW03-2BL和JW03-3BR巖體結(jié)構(gòu)面為采自于滑動(dòng)面上的灰?guī)r節(jié)理,運(yùn)用VZ-400三維激光掃描儀,獲取室內(nèi)小尺寸結(jié)構(gòu)面粗糙度點(diǎn)云數(shù)據(jù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要服務(wù)于結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型的研究工作,為數(shù)值模擬試驗(yàn)提供參數(shù)并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)平均掃描尺寸(ROI)為0.181×0.362m,采樣間距為1.0mm,每個(gè)結(jié)構(gòu)面共采集65500左右個(gè)掃描點(diǎn)。對(duì)采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)解析、去噪和精簡(jiǎn)、幾何模型建立三大部分,綜合協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力、精度與處理時(shí)間等因素,最后LS05-1結(jié)構(gòu)面精簡(jiǎn)成尺寸為4.70×1.14m,間距為0.01m,約54000個(gè)掃描點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；而JW02-1BL、JW02-2BL、JWO3-1BL、JW03-2BL和JW03-3BR結(jié)構(gòu)面精簡(jiǎn)成平均尺寸為0.06×0.06m,間距保持不變?nèi)詾?.0mm,每塊約3600個(gè)掃描點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用編寫的Matlab程序,建立巖體結(jié)構(gòu)面三維幾何模型。 (2)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度影響因素研究。以LS05-1巖體結(jié)構(gòu)面預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為主,Weierstrass-Mandelbrot分形隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生為輔,分別從二維與三維角度,分析采樣方向、采樣尺寸以及采樣間距對(duì)結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)結(jié)果影響。分析過程中做到單一變量原則,其余兩因素保持固定。以15。為間隔,選取從0。到345。共24個(gè)采樣方向,采用分形理論計(jì)算各個(gè)方向下的結(jié)構(gòu)面二維剖面分形維數(shù)D,對(duì)于三維結(jié)構(gòu)面,采用改進(jìn)的赤平投影極點(diǎn)圖法求出相應(yīng)方向下的法向量數(shù)量NV。選取9種不同尺寸(長(zhǎng)度或面積)的巖體結(jié)構(gòu)面,基于分形理論求出相應(yīng)尺度下的分形維數(shù)D。以0.01m為間隔,選取從0.01m到1.00m共100種采樣間距,采用分形理論計(jì)算相應(yīng)間距下的分形維數(shù)D。并且針對(duì)每一種影響因素,提出切實(shí)可行的解決方法。 (3)基于光亮面積百分比(BAP)粗糙度表征方法的提出。從無(wú)充填低法向應(yīng)力下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞機(jī)制入手,以結(jié)構(gòu)面中面向剪切方向的微小平面為研究對(duì)象,提出表征結(jié)構(gòu)面粗糙度的新指標(biāo)-BAP�；贛atlab軟件平臺(tái),編寫了光源模擬程序,并基于圖像分割技術(shù),給出BAP的定義和計(jì)算方法。對(duì)光源模擬與圖像分割過程中涉及的兩重要參數(shù)-光源入射角β和灰度閾值TL取值問題進(jìn)行了探討。通過描述結(jié)構(gòu)面粗糙度的各向異性、尺寸效應(yīng)以及間距效應(yīng),檢驗(yàn)BAP法的適用性。 (4)基于BAP的結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型的建立�；贛atlab軟件平臺(tái)編寫XYZ23DEC程序,簡(jiǎn)便快捷地建立起結(jié)構(gòu)面三維復(fù)雜離散元模型。通過與室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,來(lái)調(diào)整和驗(yàn)證數(shù)值試驗(yàn)所需的巖塊、節(jié)理力學(xué)參數(shù)。在此參數(shù)基礎(chǔ)上,以抗剪強(qiáng)度的各向異性、尺寸效應(yīng)以及對(duì)法向應(yīng)力敏感性等特征為參照點(diǎn),驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。設(shè)置合理的采樣尺寸與采樣間距常量,考慮結(jié)構(gòu)面的粗糙度BAP、各向異性(剪切方向α)、巖塊強(qiáng)度(JCS)、結(jié)構(gòu)面基本摩擦角(φb)以及法向應(yīng)力(σ)等參數(shù),開展60例結(jié)構(gòu)面直剪數(shù)值試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析模擬結(jié)果,建立粗糙度評(píng)價(jià)指標(biāo)BAP與結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系,提出后者估算模型。 (5)結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型的應(yīng)用。將該模型應(yīng)用于重慶武隆雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)當(dāng)中,結(jié)合研究區(qū)域具體的粗糙度BAP、法向應(yīng)力σ、基本摩擦角φh以及壁面強(qiáng)度JCS參數(shù),估算出滑動(dòng)面抗剪力學(xué)參數(shù)(內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C)的變化區(qū)間。選擇最小值、最大值、平均值三種組合,基于大型三維離散元軟件3DEC,再現(xiàn)滑體初期破壞演化過程,分析其變形特征。 在上述研究?jī)?nèi)容與方法的基礎(chǔ)上,得出如下幾點(diǎn)結(jié)論： (1)運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度數(shù)據(jù)的快速采集目的。掃描時(shí)間與掃描間距、掃描范圍直接相關(guān)。掃描間距越小,掃描范圍越大,所花費(fèi)的掃描時(shí)間會(huì)隨之增加。除此之外,掃描時(shí)間還受到非技術(shù)因素的影響,如操作不當(dāng)、電量供給、操作環(huán)境等等。掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理工作,點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是一個(gè)重復(fù)的過程,需要不斷根據(jù)反饋進(jìn)行修正與改善,預(yù)處理工作花費(fèi)的時(shí)間很大程度上取決于工作人員的專業(yè)素質(zhì),操作越熟練所用時(shí)間越短。 (2)采樣方向?qū)r體結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)影響分析顯示：不同采樣方向上的粗糙度之間存在較大差異,解決采樣方向引入誤差的最直接最有效方法,就是在數(shù)據(jù)采集過程中,確保采樣方向與研究方向保持一致,研究方向包括滑動(dòng)方向、剪切方向、滲流方向等等,這些研究方向需要在地質(zhì)調(diào)查階段進(jìn)行判別,如滑動(dòng)方向可根據(jù)滑動(dòng)面上的擦痕和階步等現(xiàn)象進(jìn)行確定。采樣尺寸對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)影響分析顯示：不同采樣尺寸的結(jié)構(gòu)面其粗糙度也各不相同,粗糙度會(huì)隨著采樣尺寸的增加而減小,當(dāng)尺寸增加到有效尺寸(3.5m和3.5×0.84m)時(shí),結(jié)構(gòu)面粗糙度基本趨于平穩(wěn)不再下降,通過增加采樣尺寸的方法可以有效消除粗糙度的尺寸效應(yīng),但是受目前測(cè)量?jī)x器的量程限制,也可以通過增加測(cè)量數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)測(cè)量尺寸的不足,同樣可以達(dá)到有效消除尺寸效應(yīng)的目的,該思路在當(dāng)前階段具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。采樣間距對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)影響分析顯示：不同采樣間距的結(jié)構(gòu)面具有不同的粗糙度,整體上隨著采樣間距的減小,更多細(xì)節(jié)信息被獲取,相應(yīng)的粗糙度也越來(lái)越大,當(dāng)采樣間距小到有效間距時(shí),粗糙度上升趨勢(shì)變緩,趨于穩(wěn)定狀態(tài),同時(shí)當(dāng)采樣間距過大時(shí),大量信息被忽略,使得巖體結(jié)構(gòu)面不再具備分形特征。有效采樣問距與采樣尺寸呈正比關(guān)系,建議采樣間距與采樣尺寸的比值不應(yīng)高于0.05,在此條件下,可以有效降低采樣間距對(duì)粗糙度評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。 (3)在無(wú)充填低法向應(yīng)力作用下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞過程中,面向剪切方向的微小平面主要發(fā)生剪切破壞,抗剪作用較大,結(jié)構(gòu)面粗糙度表征方法的研究對(duì)象應(yīng)集中在該接觸部分。灰度閾值TL的選取至關(guān)重要,應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)面剪切破壞力學(xué)機(jī)制,遵循具體情況具體分析原則進(jìn)行選取。模擬光源入射角β對(duì)BAP計(jì)算結(jié)果存在顯著影響,BAP會(huì)隨著入射角β的增大而增大,建議最佳入射角β取值范圍為35。與70。之間。具體案例應(yīng)用中,入射角β與灰度閾值TL的選取應(yīng)該相互協(xié)調(diào)配合,給出合理組合。提出的BAP表征新方法可以很好地反映出巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度的各向異性、尺寸效應(yīng)以及間距效應(yīng)特性,該法是綜合考慮結(jié)構(gòu)面幾何與力學(xué)因素下提出的粗糙度表征新方法,具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 (4)結(jié)合室內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)展開的數(shù)值模擬結(jié)果顯示：數(shù)值試驗(yàn)可以很好地體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的各向異性、尺寸效應(yīng)以及與法向應(yīng)力密切相關(guān)等特征。用于圖像分割中的灰度閾值TL,其數(shù)值選取受法向應(yīng)力σ的影響。以重慶武隆雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡堆積區(qū)的LS05-1結(jié)構(gòu)面為例,在光源入射角β=35°的前提下,法向應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的合理灰度閾值TL如下所示, 法向應(yīng)力σ=0.5MPa時(shí),灰度閾值TL=160; 法向應(yīng)力σ=1.0MPa時(shí),灰度閾值TL=155; 法向應(yīng)力σ=1.5MPa時(shí),灰度閾值TL=150; 法向應(yīng)力σ=2.0MPa時(shí),灰度閾值TL=145; 法向應(yīng)力σ=2.5MPa時(shí),灰度閾值TL=140。在大量數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過多元統(tǒng)計(jì)分析,擬合出結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算新模型,其形式如下, (5)通過27個(gè)案例估算出武隆雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡滑動(dòng)面9組黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ建議值,對(duì)比已出版文獻(xiàn)數(shù)據(jù),與各學(xué)者采用參數(shù)具有相似的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ的最小值組合為:φ=3.977°, C=0.443MPa,最大值組合為:φ=38.080°, C=1.917MPa,平均值組合為：(p=17.162°, C=1.094MPa,工況一(最小值組合)中提供的滑動(dòng)面黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ比較符合實(shí)際情況。以工況一為基礎(chǔ),模擬滑坡破壞初期滑體的位移變化規(guī)律,數(shù)值模擬結(jié)果顯示：滑體不同部位處的巖體具有不同的變形規(guī)律�；w前緣和后緣塊體具有較大的位移,前緣滑體沿T2裂縫走向滑動(dòng),后緣塊體沿滑動(dòng)面和T1裂縫交線方向滑動(dòng),滑體前緣塊體由于臨空面的存在較先發(fā)生破壞；相同位置處的滑體上部塊體位移量比下部要大,上部塊體先于下部塊體發(fā)生破壞；滑體外側(cè)(東側(cè))塊體位移量要大于內(nèi)側(cè)位移量,尤其滑體后緣部分差異更為明顯,不同步移動(dòng)造成滑體破壞過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果對(duì)比,證明了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性,同時(shí)也證明了BAP結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算模型得到了較為成功的應(yīng)用。 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新成果有： (1)提出表征巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度的新指標(biāo)BAP。它是一種三維評(píng)價(jià)方法,可以考慮粗糙度的各向異性、尺寸效應(yīng)與間距效應(yīng)等特征,并且結(jié)合了巖體結(jié)構(gòu)面的剪切破壞機(jī)制；該法基于三維激光掃描試驗(yàn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù),所有計(jì)算過程實(shí)現(xiàn)了程序化,評(píng)價(jià)精度和速度得到大幅度提高。 (2)基于三維粗糙度評(píng)價(jià)新指標(biāo)BAP,建立巖體結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度估算新模型。該模型是在合理的采樣尺寸與采樣間距下,考慮了與結(jié)構(gòu)面相關(guān)法向應(yīng)力σ、壁面強(qiáng)度JCS、基本摩擦角φb、粗糙度BAP以及剪切方向等因素而提出的；結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單,具有很強(qiáng)的力學(xué)含義,模型中涉及到的統(tǒng)計(jì)參數(shù)是在大量數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上擬合而得,具有一定的可靠性；由該模型的實(shí)際工程應(yīng)用顯示,適用性較強(qiáng),能夠估算出合理的結(jié)構(gòu)面抗剪力學(xué)參數(shù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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3 馮寺q，

本文編號(hào)：1437003