三维结构面抗剪强度代表性试样的选取方法

摘要

一种三维结构面抗剪强度代表性试样的选取方法，包括以下步骤：(1)获得结构面三维点云坐标数据；(2)截取处于不同位置的结构面坐标数据；(3)找出所截取的测试结构面的水平中心，作结构面水平面的垂直平面；(4)计算所有截取的结构面试样不同方向的粗糙度系数；(5)根据所有试样的JRC统计结果，按不同测量方向进行JRC的统计分析；(6)绘制JRC统计平均值的各向异性图；(7)绘制测试结构面各向异性图；(8)对比每个测试结构面各向异性图与JRC统计平均值的各向异性图的相似性，将相似性程度最高的试样作为该尺寸条件下的代表性试样。本发明有效实现岩体结构面试样的定量准确选取。

说明书

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种结构面抗剪强度代表性试样的优化选取方法，特别的是本发明基于结构面表面起伏形态的三维激光扫描数据，提取了大尺度试样上不同位置、不同方向的结构面粗糙度系数的统计数据，以统计平均值为标准，通过结构面各向异性图对比分析并确定代表性试样。该方法解决了直剪试验中人为取样的随意性问题，实现了岩体结构面试样的定量准确选取。

背景技术

直剪试验是确定结构面抗剪强度的重要方法，不同试验规范或规程中都提到了有关结构面试样准备的要求，例如：取样方法、试样数量、保存运输方式等等。然而，结构面是自然地质历史进程的产物，其发育特征具有明显的非均一性和各向异性。即使是在同一大尺寸结构面试样的不同位置选取的结构面，其表面形态往往具有较大的差异性。长期以来工程人员一直困扰于如何判断所选取的结构面试样是否具有代表性，往往凭借主观经验对测试结构面进行判断和筛选。前人研究表明，结构面粗糙度是影响结构面力学性质的关键因素。当壁岩强度基本相同时，结构面抗剪强度基本由粗糙度系数决定。因此，开展基于结构面粗糙度分析的抗剪强度试样优选研究具有十分重要的理论意义与工程应用价值。

2006年，杜时贵等公开了一种结构面试样的代表性评价方法，该方法通过在岩体结构面上均匀布置测段，然后进行不同测段结构面粗糙度系数的统计分析，将统计平均值作为粗糙度系数的特征值，通过每个试样的粗糙度系数与特征值的差异性来判断结构面试样的代表性。

2013年，黄曼等公开了一种基于分层概率抽样的小尺寸岩石模型结构面试样代表性取样方法，其技术核心在于运用分层取样公式求得总样本量，并依据层权的类别确定各层的样本量，以期满足试验的统计精度要求。

2015年，杜时贵等公开了一种结构面粗糙度系数尺寸效应取样代表性评价方法，该方法主要通过计算系列尺度结构面粗糙度系数概率密度函数最大值，与每个结构面试样的粗糙度系数进行相对偏差分析，来判断试样的选取的代表性程度。

然而，上述研究中均忽视了结构面表面起伏形态的复杂三维属性，采用二维结构面的统计测量结果分析试样代表性，忽略粗糙度各向异性特征，进而影响了结构面试样的代表性评价与准确选取。

发明内容

为了克服现有的人为主观因素对结构面抗剪强度试样选取的影响、无法实现岩体结构面试样的定量准确选取的不足，本发明从结构面表面起伏形态的复杂三维属性出发，提出了一种基于结构面粗糙度各向异性统计分析的结构面抗剪强度代表性试样的选取方法，有效实现岩体结构面试样的定量准确选取。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种三维结构面抗剪强度代表性试样的选取方法，包括以下步骤：

(1)采用三维激光仪对大尺度结构面试样进行扫描，获得结构面三维点云坐标数据；

(2)依据结构面试样的实验设计尺寸，在大尺度结构面三维坐标范围内截取处于不同位置的结构面坐标数据；

(3)找出所截取的测试结构面的水平中心，依据通过该水平中心的法线为转动轴，以设定方向角(例如15°)为间隔，分别作结构面水平面的垂直平面，该平面与结构面三维起伏表面的交线为结构面不同方向的起伏轮廓线，轮廓线长度等于结构面试样的实验室设计尺寸；

(4)根据结构面轮廓线的表面坐标信息，采用Barton直边法简明公式计算所有截取的结构面试样不同方向的粗糙度系数JRC；

(5)根据所有试样的JRC统计结果，按不同测量方向进行JRC的统计分析，求解统计平均值和标准差；

(6)依据各个方向的JRC的统计平均值结果，绘制JRC统计平均值的各向异性图；

(7)依据每个测试结构面各个方向实测的JRC值，绘制测试结构面各向异性图；

(8)对比每个测试结构面各向异性图与JRC统计平均值的各向异性图的相似性，将相似性程度最高的试样作为该尺寸条件下的代表性试样。

本发明的有益效果主要表现在：有效实现岩体结构面试样的定量准确选取。

附图说明

图1是实施例结构面表面三维坐标数据图；

图2是测试尺寸结构面表面三维坐标数据截取示意图(以右上角50cm×50cm结构面为例)；

图3是测试尺寸结构面表面三维坐标数据截取俯视图(以右上角50cm×50cm结构面为例)；

图4是测试尺寸结构面表面轮廓线(以165°方位角为例)；

图5是结构面不同方向的统计平均值与标准差的示意图；

图6是代表性结构面试样与不同方向的统计平均值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种三维结构面抗剪强度代表性试样的选取方法，包括以下步骤：

(1)采用高精度三维激光仪对大尺度结构面试样进行扫描，获得结构面三维点云坐标数据；

(2)依据结构面试样的实验设计尺寸，在大尺度结构面三维坐标范围内截取处于不同位置的结构面坐标数据；

(3)找出所截取的测试结构面的水平中心，依据通过该水平中心的法线为转动轴，以15°方向角为间隔，分别作结构面水平面的垂直平面，该平面与结构面三维起伏表面的交线为结构面不同方向的起伏轮廓线，轮廓线长度等于结构面试样的实验室设计尺寸；

(4)根据结构面轮廓线的表面坐标信息，采用Barton直边法简明公式计算所有截取的结构面试样不同方向的粗糙度系数JRC；

(5)根据所有试样的JRC统计结果，按不同测量方向进行JRC的统计分析，求解统计平均值和标准差；

(6)依据各个方向的JRC的统计平均值结果，绘制JRC统计平均值的各向异性图；

(7)依据每个测试结构面各个方向实测的JRC值，绘制测试结构面各向异性图；

(8)对比每个测试结构面各向异性图与JRC统计平均值的各向异性图的相似性，将相似性程度最高的试样作为该尺寸条件下的代表性试样。

实例：一种三维结构面抗剪强度代表性试样的选取方法，包括以下步骤：

(1)野外现场选定大尺寸花岗岩结构面(1m×1m)，采用高精度三维激光扫描仪进行扫描，获得复杂起伏轮廓三维坐标数据，其点云数据如图1所示；

(2)结构面直剪试验中采用的试样尺寸为50cm×50cm，在三维激光扫描获得的大尺寸结构面试样坐标数据的基础上，以50cm×50cm等步距截取100个测试结构面，测试结构面试样均匀覆盖整个大尺寸结构面；图2为右上角50cm×50cm结构面表面三维坐标数据截取示意图，图3为该结构面截取的俯视图；

(3)找出所截取的测试结构面的水平中心，以该水平中心的法线为转动轴，15°方向角为间隔分别作结构面的水平面的垂直平面，该平面与结构面三维起伏表面的交线为结构面不同方向的起伏轮廓线，

轮廓线长度等于50cm，以165°方位角为例，其对应的结构面轮廓线如图4所示；

(4)根据结构面轮廓线的表面坐标信息，采用Barton直边法简明公式计算所有截取的结构面试样不同方向的粗糙度系数JRC，其表达式为

式中R_y为结构面表面轮廓曲线齿凸幅度标识值，L为结构面轮廓曲线长度。

表1为100个不同位置处截取的测试结构面中10个典型结构面各个方向的JRC数据。

表1

(5)根据所有试样的JRC各向统计结果，按不同测量方向进行JRC的统计分析，求解统计平均值和标准差；表2为所有测试结构面JRC的统计平均值与标准差；

表2

(6)依据各个方向的JRC的统计平均值结果，绘制JRC统计平均值的各向异性图，见图5；

(7)依据每个测试结构面各个方向实测的JRC值，绘制测试结构面各向异性图；

(8)观察每个测试结构面各向异性图与JRC统计平均值的各向异性图的相似性，剔除明显不同的试样，然后计算剩余每个测试结构面各个方向实测的JRC值与各个方向结构面JRC统计平均值差值的绝对值，并求和，比较求和结果大小，将结果最小的试样确定为该尺寸条件下最优结构面试样。计算结果发现第56号测试结构面试样与JRC统计平均值的各向异性图的相似性最好，可将其作为代表性试样。其坐标位置为X轴0.28m到0.78m区间内，Y轴0.28m到0.78m区间内。

本发明的核心在于依据大尺度试样上不同位置、不同方向的结构面粗糙度统计数据，以统计平均值为标准，通过结构面各向异性图对比分析确定代表性试样。倘若改动测量JRC的方法和采用类似的各向异性统计对比分析方法均属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。