[发明专利]一种三维岩石结构面剪切力学行为多重分形评估方法

说明书

技术领域

本发明提供一种三维岩石结构面剪切强度评估方法，属于岩石力学领域范畴。 

背景技术

岩石结构面抗剪强度的研究已有近半个世纪的历史，至今为止，已经提出较有影响的剪切强度模型不下十余种，典型的如表1。 

表1 代表性剪切强度模型 

备注：上述公式中字母符号重复的不再作注释。

上述剪切强度模型在岩石工程实践中发挥着重要的作用，但由于岩石结构面本身力学属性的复杂性，现有的剪切强度公式要么过于简化而忽略了一些重要的影响因素，要么参数较多且难于确定，从而难以在工程实际中得到广泛应用。目前，在实际工程常用的是Barton在1977年提出的剪切强度公式，但该公式的主要缺陷是①粗糙度系数JRC须人为进行估值，存在很大的主观性；②粗糙度的表征局限于节理二维轮廓线，相对于结构面来说，不够全面。因此，寻求一种用简捷全面且易于确定的参数表征结构面的方法是非常必要的，在此基础上，进一步研究结构面剪切力学特性对工程岩石质量评价具有重要的理论与实际应用价值。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维岩石结构面剪切力学行为多重分形评估方法，该方法能准确评价工程节理岩石结构面的剪切强度。 

技术解决方案：

本发明包括两部分内容：1）结合理论与试验，给出由多重分形参数或表达的结构面剪切强度公式。解决方案为：首先获取岩石结构面形貌图像，进而获取结构面三维空间信息数据；然后计算结构面多重分形参数和，提出一种用或定量化表征三维岩石结构面粗糙度的方法；最后通过剪切力学试验数据分析，结合结构面多重分形参数或数值，以Barton二维剪切强度公式为基础，应用最小二乘法原理，推导结构面三维剪切强度公式。2）应用提出的强度公式评估岩石结构面剪切强度。

用该方法给出三维岩石结构面剪切强度公式的步骤如下：

（1）获取岩石试件结构面数字图像，用图像灰度值表示岩石结构面的三维形貌数据；

（2）根据岩石结构面的三维数据，应用投影覆盖法，计算结构面多重分形特征参数和；

（3）选择个不同粗糙程度的岩石结构面，按照步骤（1）和（2）计算各结构面的和值，其中：（≥5）；

（4）对步骤（3）中的个不同粗糙程度的岩石结构面进行剪切力学试验，获得组正应力与剪应力力学参数；

（5）选取同类型结构面做不同正应力下的剪切试验，按照摩尔库伦准则计算结构面基本摩擦角；

（6）选取同类型的岩石试件进行单轴抗压试验，确定结构面壁面强度JCS；

（7）以二维节理轮廓线Barton剪切公式为基础，提出由多重分形参数或表达的三维剪切强度公式，表达式为或，应用最小二乘法原理，结合步骤（3）-（6）结构面多重分形参数计算数据和结构面力学测试数据，求得和系数为:，，则由多重分形参数或表达的三维岩石结构面剪切强度公式:或。

用该方法给出三维岩石结构面剪切强度公式还包括：用图像灰度值表示岩石结构面三维形貌特征，具体步骤为： 

①将获得的结构面图像转化为256灰度图；

②在灰度图中0代表最暗，255代表最亮，在岩石结构面中灰度最小值代表最低点，灰度最大值表示最高点，按照公式对结构面中的灰度值进行比例缩放，并使其单位转化为像素，从而使缩放后的灰度值表示结构面的实际尺寸，其中，表示结构面图像长度，单位像素，表示结构面实际长度，单位mm，表示图像中最大灰度值，表示图像中最小灰度值，表示结构面内最高点，单位mm，表示结构面内最低点，单位mm，为缩放比例系数。

用该方法给出三维岩石结构面剪切强度公式还包括：在图像表征结构面三维形貌特征的基础上进行多重分形计算，具体步骤为： 

①将结构面划分为个网格，计算结构面粗糙性概率，，其中是尺度为下，第（）个网格覆盖的结构面面积，该面积由两个三角形面积组成，每个三角形面积由海伦公式计算，是结构面的总面积即；

②在步骤①个网格尺度下，计算测度，，其中为测度距，进一步分别计算 、和的值；

③同样的方法，改变网格大小（，=1, 2…），重复步骤①、②计算过程，获得不同个网格尺度下的 、和的值；

④按照最小二乘法分别对不同个网格尺度下的和点对进行拟合，分别得到测度距为时的和值，为子集合的Hausdroff维数，为该测度下奇异性强度的平均值；