發(fā)布時間：2018-01-17 16:18

  本文關鍵詞：基于BAP的巖體結構面粗糙度與峰值抗剪強度研究　出處：《中國地質(zhì)大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 巖體結構面 粗糙度 峰值抗剪強度 三維激光掃描 數(shù)值分析

【摘要】：巖體是自然界中具有一定結構特征的地質(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)的結構面,如層面、節(jié)理、斷層、裂隙、不整合接觸面等等。結構面的存在使得巖體不同于其他材料,物理力學性質(zhì)存在不連續(xù)性、各向異性、非均一性等特點,同時也降低了巖體的完整性和整體強度。巖體往往不是因為本身材料破壞發(fā)生失穩(wěn),而是沿著巖體內(nèi)部的軟弱結構面發(fā)生破壞。甚至可以說,巖體的穩(wěn)定性在一定程度上是由這些結構面(特別是控制性結構面)所決定的。因此,開展結構面抗剪強度力學參數(shù)的研究是評價巖體穩(wěn)定性的關鍵所在。而作為影響巖體結構面抗剪強度的重要因素之一,粗糙度與抗剪強度之間具有明顯的相關性,結構面越粗糙,抗剪強度越大。基于粗糙度的結構面峰值抗剪強度估算模型研究一直是巖體力學與工程地質(zhì)領域的重要研究課題,估算模型的成敗在于能否尋找出合理的指標來表征巖體結構面的真實粗糙程度。然而,目前關于結構面粗糙度的研究仍然存在以下幾個問題： (1)采集裝備落后,試驗周期長,不能滿足巖體穩(wěn)定性的快速評價要求。對于發(fā)展迅速的巖體破壞過程,如高速遠程滑坡,還有一些重大地質(zhì)災害搶險工程,時間就是生命,需要研究學者能夠在短時間內(nèi)給出評價結果,并預測受災范圍,提出合理的工程治理方案。而恰恰由于測量儀器本身問題,卻體現(xiàn)不出估算模型的優(yōu)勢。 (2)評價方法對采樣方向、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合理的解決對策。 (3)粗糙度評價指標僅僅依據(jù)結構面的幾何信息,忽視了結構面粗糙度的力學特征,結構面粗糙度與結構面的受力狀態(tài)、受力方向是密切相關的。 本論文研究目的就是借助先進的采樣手段,系統(tǒng)分析采樣參數(shù)(采樣方向、采樣尺寸以及采樣間距)對結構面粗糙度評價結果的影響,進而提出一種快速精確的粗糙度評價方法,并力求在此基礎上建立結構面峰值抗剪強度估算模型。 以重慶武隆雞尾山高速遠程滑坡研究區(qū)域的灰?guī)r結構面為例,本論文主要開展以下幾方面的研究工作： (1)天然巖體結構面粗糙度數(shù)據(jù)的快速采集。LS05-1巖體結構面為散落在堆積區(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,獲取野外大尺寸結構面粗糙度點云數(shù)據(jù),這部分數(shù)據(jù)主要用于巖體結構面粗糙度影響因素、基于光亮面積百分比(BAP)的粗糙度表征方法和結構面峰值抗剪強度估算模型研究工作中,原始點云數(shù)據(jù)掃描尺寸(ROI)為4.7×2.5m,采樣間距為0.8mm,共采集掃描點約1800多萬個。JWO2-1BL、 JW02-2BL、JW03-1BL、JW03-2BL和JW03-3BR巖體結構面為采自于滑動面上的灰?guī)r節(jié)理,運用VZ-400三維激光掃描儀,獲取室內(nèi)小尺寸結構面粗糙度點云數(shù)據(jù),這部分數(shù)據(jù)主要服務于結構面峰值抗剪強度估算模型的研究工作,為數(shù)值模擬試驗提供參數(shù)并驗證計算結果,原始點云數(shù)據(jù)平均掃描尺寸(ROI)為0.181×0.362m,采樣間距為1.0mm,每個結構面共采集65500左右個掃描點。對采集的原始點云數(shù)據(jù)進行預處理,主要包括點云數(shù)據(jù)解析、去噪和精簡、幾何模型建立三大部分,綜合協(xié)調(diào)計算機運算能力、精度與處理時間等因素,最后LS05-1結構面精簡成尺寸為4.70×1.14m,間距為0.01m,約54000個掃描點的點云數(shù)據(jù)；而JW02-1BL、JW02-2BL、JWO3-1BL、JW03-2BL和JW03-3BR結構面精簡成平均尺寸為0.06×0.06m,間距保持不變?nèi)詾?.0mm,每塊約3600個掃描點的點云數(shù)據(jù),利用編寫的Matlab程序,建立巖體結構面三維幾何模型。 (2)巖體結構面粗糙度影響因素研究。以LS05-1巖體結構面預處理后的點云數(shù)據(jù)為主,Weierstrass-Mandelbrot分形隨機函數(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結構面粗糙度評價結果影響。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個采樣方向,采用分形理論計算各個方向下的結構面二維剖面分形維數(shù)D,對于三維結構面,采用改進的赤平投影極點圖法求出相應方向下的法向量數(shù)量NV。選取9種不同尺寸(長度或面積)的巖體結構面,基于分形理論求出相應尺度下的分形維數(shù)D。以0.01m為間隔,選取從0.01m到1.00m共100種采樣間距,采用分形理論計算相應間距下的分形維數(shù)D。并且針對每一種影響因素,提出切實可行的解決方法。 (3)基于光亮面積百分比(BAP)粗糙度表征方法的提出。從無充填低法向應力下的巖體結構面剪切破壞機制入手,以結構面中面向剪切方向的微小平面為研究對象,提出表征結構面粗糙度的新指標-BAP。基于Matlab軟件平臺,編寫了光源模擬程序,并基于圖像分割技術,給出BAP的定義和計算方法。對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取值問題進行了探討。通過描述結構面粗糙度的各向異性、尺寸效應以及間距效應,檢驗BAP法的適用性。 (4)基于BAP的結構面峰值抗剪強度估算模型的建立。基于Matlab軟件平臺編寫XYZ23DEC程序,簡便快捷地建立起結構面三維復雜離散元模型。通過與室內(nèi)直剪試驗結果對比,來調(diào)整和驗證數(shù)值試驗所需的巖塊、節(jié)理力學參數(shù)。在此參數(shù)基礎上,以抗剪強度的各向異性、尺寸效應以及對法向應力敏感性等特征為參照點,驗證數(shù)值模型的可靠性。設置合理的采樣尺寸與采樣間距常量,考慮結構面的粗糙度BAP、各向異性(剪切方向α)、巖塊強度(JCS)、結構面基本摩擦角(φb)以及法向應力(σ)等參數(shù),開展60例結構面直剪數(shù)值試驗,統(tǒng)計分析模擬結果,建立粗糙度評價指標BAP與結構面峰值抗剪強度之間的關系,提出后者估算模型。 (5)結構面峰值抗剪強度估算模型的應用。將該模型應用于重慶武隆雞尾山高速遠程滑坡巖體穩(wěn)定性評價當中,結合研究區(qū)域具體的粗糙度BAP、法向應力σ、基本摩擦角φh以及壁面強度JCS參數(shù),估算出滑動面抗剪力學參數(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。 在上述研究內(nèi)容與方法的基礎上,得出如下幾點結論： (1)運用三維激光掃描技術可以實現(xiàn)巖體結構面粗糙度數(shù)據(jù)的快速采集目的。掃描時間與掃描間距、掃描范圍直接相關。掃描間距越小,掃描范圍越大,所花費的掃描時間會隨之增加。除此之外,掃描時間還受到非技術因素的影響,如操作不當、電量供給、操作環(huán)境等等。掃描得到的原始點云數(shù)據(jù)需要對其進行預處理工作,點云數(shù)據(jù)的預處理是一個重復的過程,需要不斷根據(jù)反饋進行修正與改善,預處理工作花費的時間很大程度上取決于工作人員的專業(yè)素質(zhì),操作越熟練所用時間越短。 (2)采樣方向?qū)r體結構面粗糙度評價影響分析顯示：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)查階段進行判別,如滑動方向可根據(jù)滑動面上的擦痕和階步等現(xiàn)象進行確定。采樣尺寸對巖體結構面粗糙度評價影響分析顯示：不同采樣尺寸的結構面其粗糙度也各不相同,粗糙度會隨著采樣尺寸的增加而減小,當尺寸增加到有效尺寸(3.5m和3.5×0.84m)時,結構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,但是受目前測量儀器的量程限制,也可以通過增加測量數(shù)量來彌補測量尺寸的不足,同樣可以達到有效消除尺寸效應的目的,該思路在當前階段具有較強的實用價值。采樣間距對巖體結構面粗糙度評價影響分析顯示：不同采樣間距的結構面具有不同的粗糙度,整體上隨著采樣間距的減小,更多細節(jié)信息被獲取,相應的粗糙度也越來越大,當采樣間距小到有效間距時,粗糙度上升趨勢變緩,趨于穩(wěn)定狀態(tài),同時當采樣間距過大時,大量信息被忽略,使得巖體結構面不再具備分形特征。有效采樣問距與采樣尺寸呈正比關系,建議采樣間距與采樣尺寸的比值不應高于0.05,在此條件下,可以有效降低采樣間距對粗糙度評價結果的影響。 (3)在無充填低法向應力作用下的巖體結構面剪切破壞過程中,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,結構面粗糙度表征方法的研究對象應集中在該接觸部分。灰度閾值TL的選取至關重要,應結合結構面剪切破壞力學機制,遵循具體情況具體分析原則進行選取。模擬光源入射角β對BAP計算結果存在顯著影響,BAP會隨著入射角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。具體案例應用中,入射角β與灰度閾值TL的選取應該相互協(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構面粗糙度的各向異性、尺寸效應以及間距效應特性,該法是綜合考慮結構面幾何與力學因素下提出的粗糙度表征新方法,具有獨特優(yōu)勢。 (4)結合室內(nèi)巖體結構面直剪試驗展開的數(shù)值模擬結果顯示：數(shù)值試驗可以很好地體現(xiàn)出結構面抗剪強度的各向異性、尺寸效應以及與法向應力密切相關等特征。用于圖像分割中的灰度閾值TL,其數(shù)值選取受法向應力σ的影響。以重慶武隆雞尾山高速遠程滑坡堆積區(qū)的LS05-1結構面為例,在光源入射角β=35°的前提下,法向應力所對應的合理灰度閾值TL如下所示, 法向應力σ=0.5MPa時,灰度閾值TL=160; 法向應力σ=1.0MPa時,灰度閾值TL=155; 法向應力σ=1.5MPa時,灰度閾值TL=150; 法向應力σ=2.0MPa時,灰度閾值TL=145; 法向應力σ=2.5MPa時,灰度閾值TL=140。在大量數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的基礎上,經(jīng)過多元統(tǒng)計分析,擬合出結構面峰值抗剪強度估算新模型,其形式如下, (5)通過27個案例估算出武隆雞尾山高速遠程滑坡滑動面9組黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ建議值,對比已出版文獻數(shù)據(jù),與各學者采用參數(shù)具有相似的統(tǒng)計規(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)中提供的滑動面黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ比較符合實際情況。以工況一為基礎,模擬滑坡破壞初期滑體的位移變化規(guī)律,數(shù)值模擬結果顯示：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,后緣塊體沿滑動面和T1裂縫交線方向滑動,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(東側)塊體位移量要大于內(nèi)側位移量,尤其滑體后緣部分差異更為明顯,不同步移動造成滑體破壞過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。通過與現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結果對比,證明了數(shù)值模擬結果的合理性,同時也證明了BAP結構面峰值抗剪強度估算模型得到了較為成功的應用。 本論文主要創(chuàng)新成果有： (1)提出表征巖體結構面粗糙度的新指標BAP。它是一種三維評價方法,可以考慮粗糙度的各向異性、尺寸效應與間距效應等特征,并且結合了巖體結構面的剪切破壞機制；該法基于三維激光掃描試驗獲取的點云數(shù)據(jù),所有計算過程實現(xiàn)了程序化,評價精度和速度得到大幅度提高。 (2)基于三維粗糙度評價新指標BAP,建立巖體結構面峰值抗剪強度估算新模型。該模型是在合理的采樣尺寸與采樣間距下,考慮了與結構面相關法向應力σ、壁面強度JCS、基本摩擦角φb、粗糙度BAP以及剪切方向等因素而提出的；結構相對來說比較簡單,具有很強的力學含義,模型中涉及到的統(tǒng)計參數(shù)是在大量數(shù)值試驗結果基礎上擬合而得,具有一定的可靠性；由該模型的實際工程應用顯示,適用性較強,能夠估算出合理的結構面抗剪力學參數(shù)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TU45

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王衛(wèi)星;楊記明;;一種基于圖像處理的巖石裂隙粗糙度幾何信息算法[J];重慶郵電大學學報(自然科學版);2010年04期

2 梁俊;蔣金龍;趙雪蓮;陳國友;諶進波;;隨機中點位移法在三維地形插值顯示的適用性分析[J];測繪科學;2007年03期

3 馮寺q，

本文編號：1437003