一种岩体结构面吻合度系数测量方法

一种岩体结构面吻合度系数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种岩体结构面吻合度系数测量方法，属于岩体结构面几何参数测量
技术领域。
【背景技术】
[0002] 人类工程活动所设及的岩体，形成于地质历史过程，是赋存在一定地质环境下 (地应力、地下水）且具有一定结构特征的复杂地质体。岩体是由结构面与其切割形成的岩 块（结构体）所组成，常见的结构面包括层面、节理、断层、裂隙等。岩体的力学性质及其力 学作用主要受控于其内部发育的各种结构面，原因如下；（1)存在于岩体内部的结构面相 互交切，将岩体切割成具有一定结构的非完整物体，岩体破碎程度直接受结构面的产状、间 距、大小、粗趟度、吻合度等参数影响；(2)结构面作为岩体强度最薄弱位置，变形破坏往往 是沿着该些结构面发生。因此，开展岩体结构面相关性质的研究是评价岩体变形破坏的关 键所在。
[0003] 结构面在工程荷载作用下，主要处于剪应力状态，结构面的剪切强度是岩体稳定 性评价、防治设计与施工的重要力学性质，同时结构面还常作为流体主要迁移通道，决定着 岩体的渗透系数。而结构面上下表面的接触状态对岩体力学与渗流特性具有显著影响。上 下表面彼此紧密吻合相互胶结，相应的结构面剪切强度就越大，防渗性能就越好，岩体则表 现出有利于工程活动的力学与变形特征，具有较高的稳定性。岩体结构面的接触特性直接 影响结构面空隙、刚度、变形、剪切强度与渗透等特性，因此，如何精确描述岩体结构面上下 表面接触状态一直是岩石力学及其工程地质领域中的研究热点问题，得到了学者及工程人 员的普遍关注。
[0004] Goodman(1976)、Tsang(1982)、Bandis(1983)等通过室内试验与数值模拟方法得 出；即使上下盘岩体结构面具有相同的粗趟度，吻合度较高岩体结构面表现出的力学与水 力学特性与吻合度较低的岩体结构面，存在巨大差别。
[0005]赵坚（1988,1997)提出 了吻合度系数JMC(JointMatchingCoefficient)概念来 描述节理上下表面的吻合程度，其为结构面的一个独立几何参数，与结构面粗趟度系数JRC 无关，如图5所示分别为JMC= 1和JMC= 0时的结构面对比图，并指出吻合度系数JMC可 根据上下表面可接触的面积占整个结构面面积的百分比来获取。然而，作者在其研究成果 中只是对JMC进行了定性描述，并没有给出JMC详细的、定量的测量与计算方法。
[0006] 近年来随着测绘技术的长足发展，有学者利用非接触测量方法，研究岩体结构面 上下盘的=维组合形貌。了增志（2007)提出了结构面上下表面达到稳定接触状态的两个 条件是；（1)上下表面之间至少存在3个不共线的接触点；（2)上表面重屯、位于3接触点形 成的=角形区域内部。然而，该方法仅将结构面划分为8个区域进行最小点计算，计算精度 存在局限性，获取的接触状态与真实状态存在一定的差别。夏才初（2010)在上述方法上进 行了改善，对划分区域进行了细化，实现了不同接触状态下的岩体结构面=维组合形貌的 计算。然而，=围组合形貌方法计算过程繁琐，表征参数过多，不利于工程实践应用。
[0007] 虽然岩体结构面吻合度系数的概念比较简单，但是在实际操作中仍面临W下技术 难题：
[000引 （1)针对岩体结构面上下表面几何数据，如何选择合适的判据，进行结构面吻合程 度的判断，该是实现定量化评价的关键所在，目前缺少简单有效的判据；
[0009] (2)采用单一判据进行吻合程度判断，对于新鲜未风化或微风化岩体结构面，能 够给出合理结果，因为此类结构面上下表面较为光滑完整，配合较为紧密。然而，人类工程 活动接触的众多岩体结构面经历了不同程度的风化，结构面表面几何形态经历了一定的改 造，形态多样，接触状态及其复杂。此时，仅采用单一判据或者固定的阀值进行吻合程度的 评价，就存在不完善之处，不能够很好地描述结构面的真实接触状态。

【发明内容】

[0010] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法， W岩体结构面重要几何参数之一一-吻合度系数为研究对象，采用常规岩体结构面剖面测 量仪，获取岩体结构面上下表面相对应的二维剖面，基于各个离散线段夹角与高度的差异， 提出切实可行的吻合度系数定量计算方法，保证结果真实可靠，且操作简单，易于实际应 用。
[0011] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是；提供了一种岩体结构面吻合度系 数测量方法，包括W下步骤：
[0012] (1)通过测量设备获取岩体结构面的上下表面所对应的二维剖面，得到岩体结构 面的上剖面和下剖面，为上剖面和下剖面建立二维坐标系，水平方向的坐标轴为X轴，竖直 方向的坐标轴为Z轴；将上剖面或下剖面进行纵向平移，使上剖面和下剖面的Z坐标的差值 的绝对值最小处接触；
[0013] (2)按照测量精度将上剖面和下剖面分别离散为一组相同数量的直线段，设上剖 面的一条直线段屯的两个端点分别为PulUul，zj和P也(Xu2,zj，下剖面的一条直线段3d 的两个端点分别为Pdl(Xdi，Zdi)和Pd2 (Xd2,Zd2)，并且Xui=Xdi，X"2=Xd2,则上剖面的直线段 a。和下剖面的直线段ad纵向对应；依次对上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段利用 角度判据和间距判据进行判断，选择出同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直 线段；
[0014] 所述角度判据为：
[0015] 对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a。和ad，根据W下公式分别计算a。 与水平面的夹角SuW及ad与水平面的夹角Sd;
[001引根据W下公式计算a。和a<1的夹角之差的绝对值AS:
[0019] AS=|Su-Sd
[0020] 若AS小于等于设置的阀值S，则a。和ad满足角度判据；
[0021] 所述间距判据为：
[0022] 对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a。和ad，根据W下公式计算竖直距 离Dud:
[0023]
[0024] 若Dud小于等于设置的阀值D，则a。和ad满足间距判据；
[0025] (3)根据W下公式计算岩体结构面的吻合度系数JMC :
[0029] 其中，Lu为上剖面的总长度，Ld为下剖面的总长度，Ltu为同时满足角度判据和间 距判据的所有纵向对应的直线段中上剖面的直线段的总长度，Ltd为同时满足角度判据和间 距判据的所有纵向对应的直线段中下剖面的直线段的总长度。
[0030] 步骤（2)中，S根据岩体的物理力学性质确定，取值为0°~10°，岩体越坚硬完 整，S的取值越小，岩体越软弱破碎，S的取值越大。
[003U步骤（2)中，若岩体基本质量BQ> 500时，则岩体坚硬完整，S取值为0°~3° ; 若岩体基本质量BQ< 250时，则岩体软弱破碎，S取值为7°~9° ;若岩体的硬度介于坚 硬完整和软弱破碎之间，则S取值为4°~6°。
[003引步骤（2)中，D根据岩体的物理力学性质确定，取值为0~0.9mm，岩体越坚硬完 整，D的取值越小，岩体越软弱破碎，D的取值越大。
[003引步骤（2)中，若岩体基本质量BQ> 500时，则岩体为完整硬岩，D取值为0~ 0. 3mm;若岩体基本质量BQ< 250时，则岩体为破碎软岩，D取值为0. 7~0. 9mm;若岩体介 于硬岩和软岩之间，则D的取值为0. 4~0. 6mm。
[0034] 步骤（2)中，对于上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段，首先利用角度判 据进行判断，然后在满足角度判据的每一对纵向对应的直线段中利用间距判据进行判断， 最终确定同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段。
[0035] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0036] (1)本发明的一种岩体结构面吻合度系数测量方法是一种具有一定容许误差的双 判据方法，双判据分别是角度与间距判据两种，前者用来判断岩体结构面上下表面中所对 应的区域是否平行，后者用来判断在该些平行区域中上下表面间的竖直距离是否满足接触 条件，并且两种判据不是采取固定阀值进行计算，具有一定的灵活性；
[0037] (2)本发明第一步首先纵向平移上剖面或下剖面使二者Z坐标差值绝对值最小处 接触，将相对坐标转化为绝对坐标，能够降低后述步骤的计算复杂度；
[003引 （3)本发明联合角度与间距双判据，进行岩体结构面上下剖面吻合度系数求取， 较单判据方法而言，计算结果更加准确，无论是未分化还是全风化，无论是复杂还是简单形 态，双判据方法均具有广泛的适用性；
[0039] (4)自然界的岩体材料不同于生活中常见的人工材料，其内部发育的岩体结构面 的存在，使其物理与力学性质表现出明显的各向异性、不均匀性与非连续性，同时岩体结构 面形态也呈现出多样性与复杂性，因此两种判据中没有采用固定的角度与间距值作为判断 阀值，而是采用一定的范围值加W判断，该思路更加适合岩石该种天然材料，也保证了测量 方法的可靠性；
[0040] (5)利用本发明测量得到的岩体结构面吻合度，可W应用于一切与吻合度系数相 关的岩石力学与工程地质领域，如根据吻合度系数估算岩体结构面峰值抗剪强度，分析岩 体裂隙流体渗透规律，研究岩体的变形破坏特征等，可W广泛用于水利水电、交通运输、能 源开采、自然灾害等研究领域，为岩体稳定性评价、预测预报及其防护治理提供必要的计算 依据。
【附图说明】
[0041] 图1是岩体结构面上下表面示意图。
[0042] 图2是岩体结构面上下二维剖面相对间距消除前后示意图。
[0043] 图3是不同S值下的剖面平行线段识别结果对比图。
[0044] 图4是不同D值下的平行直线段中能够接触区域计算结果对比图。
[0045] 图5是石体结构面吻合度系数JMC= 1及JMC= 0对比图。
[0046] 图6是本发明的流程示意图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。< br>[0048] 本发明提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，如图6所示，包括W下步骤：
[0049] (1)通过测量设备获取岩体结构面的上下表面所对应的二维剖面，得到岩体结构 面的上剖面和下剖面，如图1所示是岩体结构面上下表面示意图，直线所示在y=16mm处 截取到的部分为上剖面和下剖面，上剖面和下剖面在X方向上具有相同的长度；
[0化0] 为上剖面和下剖面建立二维坐标系，如图2 (a)所示，水平方向的坐标轴为X轴，竖 直方向的坐标轴为Z轴；将上剖面或下剖面进行纵向平移，使上剖面和下剖面的Z坐标的差 值的绝对值最小处接触；本实施例中，在X= 16mm处，上剖面和下剖面的Z坐标差值的绝对 值最小，平移后得到绝对坐标在此处相互接触，平移后结果如图2(b)所示；
[0化1] (2)按照测量精度将上剖面和下剖面分别离散为一组相同数量的直线段，本实施 例中岩体结构面上剖面和下剖面的水平长度均为69mm，测量精度为1mm，上剖面和下剖面 均被离散为69个直线段；
[0化引设上剖面的一条直线段a。的两个端点分别为PU1 (Xui，zj和(x^，ZJ，下剖面 的一条直线段34的两个端点分别为Pdi (Xdi，Zdi)和Pd2(Xd2, Zd2)，并且Xui= X di，X"2= X d2,则 上剖面的直线段a。和下剖面的直线段ad纵向对应；依次对上剖面和下剖面的每一对纵向对 应的直线段利用角度判据和间距判据进行判断，选择出同时满足角度判据和间距判据的所 有纵向对应的直线段；
[0053] 利用角度判据和间距判据的先后顺序可自由选择，本实施例中，对于上剖面和下 剖面的每一对纵向对应的直线段，首先利用角度判据进行判断，然后在满足角度判据的每 一对纵向对应的直线段中利用间距判据进行判断，最终确定同时满足角度判据和间距判据 的所有纵向对应的直线段；
[0054] (2-1)所述角度判据为：
[0055] 对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a。和ad，根据W下公式分别计算a。 与水平面的夹角SuW及ad与水平面的夹角Sd;
[005引根据W下公式计算a。和a<1的夹角之差的绝对值AS:
[0059] A S = I Su_Sd
[0060] 若AS小于等于设置的阀值S，则a。和ad满足角度判据；
[0061] S根据岩体的物理力学性质确定，取值为0°~10°，岩体越坚硬完整，S的取值越 小，岩体越软弱破碎，S的取值越大。
[0062] 经过大量试验数据，在此建议按照国家标准《工程岩体分级标准》（GB/ T50218-2014)进行岩体质量的判别，对于岩体基本质量指标BQ> 500的岩体，该岩体坚 硬完整，如花岗岩、大理岩等，S应该取小值，范围在0°~3°之间；对于岩体基本质量BQ < 250的岩体，则岩体软弱破碎，如泥岩、页岩等，S应该取大值，建议取值范围为7°~9° ; 介于两种硬度之间的岩性，S在4°~6°之间进行选值。整体上讲，随着S的增加，越多的 直线段被认为相互平行，如图3所示，用方框标注出图中上下剖面对应的直线段满足角度 判据之处，存在吻合接触的可能，图3(a)为S= 2°的情况，图3(b)为S= 5°的情况，图 3(C)为S= 8°的情况。本实施例中，W砂岩为例，BQ= 400,处于250与500之间，岩体质量 为中等水平，S取值为5°。因此，当上下剖面中的所对应的两直线度夹角之差位于-5°~ 5°时，便可认为两直线段满足角度判据。
[006引图3化）中方框标注出为满足角度判据的直线段上下剖面中各28条，总长度分另。 为28. 62mm和28. 55mm。
[0064] (2-2)在满足角度判据的结果中利用间距判据进行判断，所述间距判据为：
[0065] 对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段a。和ad，根据W下公式计算竖直距 离Dud:
[0066]
[0067] 若Dud小于等于设置的阀值D，则a。和ad满足间距判据；
[0068] D根据岩体的物理力学性质确定，取值为0~0. 9mm，岩体越坚硬完整，D的取值越 小，岩体越软弱破碎，D的取值越大。
[0069] 若岩体基本质量BQ> 500时，则岩体为完整硬岩，D建议值为0~0. 3mm;若岩体 基本质量BQ< 250时，则岩体为破碎软岩，D建议值为0. 7-0. 9mm;若岩体介于硬岩和软岩 之间，D取值范围为0. 4-0. 6mm，D取值越大，估算能够接触区域就越多，相应的吻合度系数 也越大，如图4所示，用方框标注出图中上下剖面对应的直线段满足角度判据之处，图4 (a) 为D= 0. 2mm的情况，图4(b)为D= 0. 5mm的情况，图4(c)为D= 0. 8mm的情况。本实 施例中，岩性为砂岩，BQ= 400,处于250与500之间，岩体质量为中等水平，D建议取值为 0. 5mm，在图3(b)中获得的平行线段结果基础上，进一步利用间距判据提取平行线段中能 够接触的部分，最终获得的结果如图4(b)所示，识别出的平行且能够接触的区域，上下剖 面中平行且接触的线段总长度分别为18. 15m和18. 14mm，小于步骤（2-1)中识别的结果。
[0070] (3)根据W下公式计算岩体结构面的吻合度系数JMC:
[0074] 其中，Lu为上剖面的总长度，Ld为下剖面的总长度，Ltu为同时满足角度判据和间 距判据的所有纵向对应的直线段中上剖面的直线段的总长度，Ltd为同时满足角度判据和间 距判据的所有纵向对应的直线段中下剖面的直线段的总长度；
[0075] 本实施例中，上下剖面的总长度分别为71. 52mm和70. 54mm，那么相应岩体结构面 吻合度系数JMC为；
[0076]
【主权项】
1. 一种岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 通过测量设备获取岩体结构面的上下表面所对应的二维剖面，得到岩体结构面的 上剖面和下剖面，为上剖面和下剖面建立二维坐标系，水平方向的坐标轴为X轴，竖直方向 的坐标轴为Z轴；将上剖面或下剖面进行纵向平移，使上剖面和下剖面的Z坐标的差值的绝 对值最小处接触； (2) 按照测量精度将上剖面和下剖面分别离散为一组相同数量的直线段，设上剖面的 一条直线段au的两个端点分别为P ul (xul，zul)和Pu2 (Xu2, Zu2)，下剖面的一条直线段ad的两个 端点分别为Pdl (Xdl，Zdl)和Pd2 (xd2, zd2)，并且Xul= X dl，xu2= X d2，则上剖面的直线段au和下 剖面的直线段ad纵向对应；依次对上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段利用角度判 据和间距判据进行判断，选择出同时满足角度判据和间距判据的所有纵向对应的直线段； 所述角度判据为： 对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段aJP a d，根据以下公式分别计算au与水 平面的夹角Su以及a d与水平面的夹角S d:根据以下公式计算aJP a d的夹角之差的绝对值Λ S : AS= I Su-Sd 若Λ S小于等于设置的阀值S，则au和a满足角度判据； 所述间距判据为： 对于上剖面和下剖面的一对纵向对应的直线段aJP a d，根据以下公式计算竖直距离 Due"若Dud小于等于设置的阀值D，则a u和a ,满足间距判据； (3) 根据以下公式计算岩体结构面的吻合度系数JMC :其中，Lu为上剖面的总长度，Ld为下剖面的总长度，L "为同时满足角度判据和间距判 据的所有纵向对应的直线段中上剖面的直线段的总长度，Ld为同时满足角度判据和间距判 据的所有纵向对应的直线段中下剖面的直线段的总长度。2. 根据权利要求1所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤（2)中， S根据岩体的物理力学性质确定，取值为0°~10°，岩体越坚硬完整，S的取值越小，岩体 越软弱破碎，S的取值越大。3. 根据权利要求2所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤（2)中， 若岩体基本质量BQ > 500时，则岩体坚硬完整，S取值为0°~3° ;若岩体基本质量BQ < 250时，则岩体软弱破碎，S取值为7°~9° ;若岩体的硬度介于坚硬完整和软弱破碎之 间，则S取值为4°~6°。4. 根据权利要求1所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤（2)中， D根据岩体的物理力学性质确定，取值为0~0. 9mm，岩体越坚硬完整，D的取值越小，岩体 越软弱破碎，D的取值越大。5. 根据权利要求4所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤（2)中， 若岩体基本质量BQ > 500时，则岩体为完整硬岩，D取值为0~0. 3mm ;若岩体基本质量BQ < 250时，则岩体为破碎软岩，D取值为0. 7~0. 9mm ;若岩体介于硬岩和软岩之间，则D的 取值为〇· 4~0· 6mm〇6. 根据权利要求1所述的岩体结构面吻合度系数测量方法，其特征在于：步骤（2)中， 对于上剖面和下剖面的每一对纵向对应的直线段，首先利用角度判据进行判断，然后在满 足角度判据的每一对纵向对应的直线段中利用间距判据进行判断，最终确定同时满足角度 判据和间距判据的所有纵向对应的直线段。
【专利摘要】本发明提供了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，首先测量获得岩体结构面上剖面和下剖面，纵向平移使上下剖面z坐标差值绝对值最小处接触，将上下剖面离散化，选择出同时满足角度判据和间距判据的纵向对应直线段，最后计算岩体结构面吻合度系数。本发明以岩体结构面重要几何参数之一——吻合度系数为研究对象，采用常规岩体结构面剖面测量仪，获取岩体结构面上下表面相对应的二维剖面，基于各个离散线段夹角与高度的差异，提出切实可行的吻合度系数定量计算方法，保证结果真实可靠，且操作简单，易于实际应用。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104881536
【申请号】CN201510263107
【发明人】葛云峰, 唐辉明, 王亮清
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月21日