[发明专利]一种岩体结构面三维粗糙度评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩体结构面的粗糙度评价方法，属于岩体力学参数领域。

背景技术

岩体结构面是指在岩体内部发育具有一定方向、规模和形态的物质分界面或不连续面，如层面、节理、断层、裂隙等等。结构面的存在使得岩体物理力学性质存在不连续性、各向异性、非均一性等特点，同时也降低了岩体整体性及强度。因此，结构面的抗剪强度影响岩体整体力学性质。而结构面抗剪强度影响因素很多，如岩性、粗糙程度、连通性、充填胶结特征等。岩体结构面粗糙度研究的目的是建立与强度、变形、渗流特性间的相互关系，最终服务工程实践。自20世纪60年代以来，根据粗糙度评价结构面抗剪强度的估算模型的研究，受到国内外广泛关注。因此，结构面粗糙程度的准确快速评价对结构面抗剪强度的估算至关重要。

岩体结构面粗糙程度的评价涉及结构面数据的采集和具体评价方法。数据采集方式可分为接触式和非接触式，前者如单排针状轮廓尺、单针自动式轮廓仪等；后者如摄影测量法、三维激光扫描法等。关于岩体结构面粗糙度评价方法，国内外学者开展了大量有意义的研究，可分为经验取值法，数理统计法以及分形几何法等。不难发现，粗糙度评价方法经历由定性到定量、由二维到三维的发展趋势。现有的粗糙度评价方法相当一部分是基于结构面二维剖面提出的，不能完全反映结构面的真实情况，如JRC；大多数数理统计法仅从单一的几何信息入手，没有和结构面的力学特征联系起来，通过统计分析获取评价结构面粗糙程度的参数，评价指标缺乏理论推理；虽然分形维数法可以较好地表征结构面形态的无规律、复杂性，但是大部分分形方法无法考虑方向因素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合结构面剪切破坏机制，将结构面粗糙度评价指标与力学性质建立联系，基于结构面三维几何数据，提出一种岩体结构面三维粗糙度评价方法。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种岩体结构面三维粗糙度评价方法，包括如下步骤：

(1)建立岩体结构面三维几何模型；

(2)基于Delaunay三角剖分算法将岩体结构面三维几何模型离散为一系列三角形的微元；

(3)在一系列三角形的微元中确定潜在接触微元，潜在接触微元满足下列条件，微元的单位外法向量为单位外法向量在水平面投影向量的反向向量与剪切方向单位向量的夹角DA满足DA∈[0°，90°)，其中，微元单位外法向量的正方向由岩体的内部指向外部；

(4)计算岩体结构面所有潜在接触微元在垂直于剪切方向的面上的总投影面积A_v，计算公式为

其中，为第i个潜在接触微元的单位外法向量，A_i为第i个潜在接触微元的面积，n为潜在接触微元的总数量；

(5)计算粗糙度指标I_PAP，粗糙度指标I_PAP即为描述岩体三维结构面粗糙程度的参数，其计算公式为

其中，A_n为整个岩体结构面的水平投影面积。

步骤(1)建立岩体结构面三维几何模型的具体内容为，利用三维激光扫描仪以一定分辨率扫描岩体结构面，获取结构面三维几何信息的点云数据，根据点云数据建立岩体结构面三维几何模型。

由上述技术方案可知，本发明提供的岩体结构面三维粗糙度评价方法，首先将岩体结构面三维几何信息数字化，获取岩体结构面数字化几何模型，基于Delaunay三角剖分算法将岩体结构面离散为一系列三角形的微元；根据剪切方向确定岩体结构面发生剪切作用时可能发生接触的部位，即潜在接触微元；计算岩体结构面的所有潜在接触微元在垂直于剪切方向的面上的总投影面积；最后，计算上述岩体结构面的所有潜在接触微元在垂直于剪切方向的面上的总投影面积与岩体结构面水平投影面积之比，该比值的百分数形式即作为描述岩体三维结构面粗糙程度的新参数—粗糙度指标I_PAP。

自然界中绝大多数结构面具有不规则的粗糙起伏形态，即为不规则起伏结构面，为了方便分析，将不规则起伏结构面简化为规则锯齿形结构面进行分析研究(如图1)，这也符合基于数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)三角剖分建立岩体模型的思想，当法向应力较低时，岩体以剪胀效应为主进行破坏，随着法向应力的增大，岩体将逐渐转变为以啃断效应为主进行破坏。