CN103644866A - 一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，操作步骤为：在天然岩体结构面上，选取具有代表性长度为L的大尺寸剖面，并对剖面进行标示；沿选定的剖面架设测量仪器，在剖面上采集n条长度为l的小尺寸剖面；确保采集数量n大于有效采集数量ne；对获取的n条剖面进行数字化；采用变量图法计算n条剖面的分形维数D，得到n个分形维数D值；将n个分形维数D值进行平均，获得分形维数平均值通过
来描述所选择长度为L的大尺寸剖面粗糙度，实现以小尺寸岩体结构面粗糙度来表征大尺寸岩体结构面粗糙度，并消除尺寸效应带来的误差。本发明通过测量部分岩体结构面粗糙度来评价整体岩体结构面粗糙度，评价结果真实可靠，具有较高精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，尤其适用于所采用仪器量程小于有效测量长度的场合，能消除尺寸效应引入的误差，实现岩体结构面粗糙度精确评价。
背景技术
自然界的岩体是一个及其复杂的地质体，其本身不是一个均质的各项同性的完整物体，内部发育有众多结构面，如断层、层面、节理、片理、裂隙等。这些软弱结构面的存在，大大降低了岩体的完整性，对岩体的破坏起到控制性作用。因此，开展岩体结构面研究对理解岩体破坏机理、评价岩体稳定性显得格外重要。
描述岩体结构面的参数很多，常见的有力学与几何参数两种。粗糙度作为岩体结构面的几何参数之一，直接决定着结构面的其他大部分力学与几何参数，对岩体的力学性质、变形机理以及水力学特征具有重大影响。目前针对岩体结构面粗糙度评价方法，一般都是选取结构面上具有代表性的二维剖面，采用经验取值、数理统计、分形几何三类方法中的一种进行评价。经验取值法通过视觉对比Barton十条标准曲线获取表征粗糙度的JRC值，该法需要依据个人经验，带有强烈的主观因素，容易产生误差；数理统计法虽然对经验取值法进行了改善，采用定量的方式描述岩体结构面粗糙度，但是学者们使用的指标各不相同，并且大都是基于数理统计规律建立关系，缺乏必要的理论基础。上述两种方法都不能全面精确地描述岩体结构面表面形态的粗糙情况。而由科学家Mandelbrot提出的分形几何学，为一种研究非规则几何形状的新兴学科，可很好地描述岩体结构面无规则、杂乱无章的表面形态，用分形维数D来定量地表征岩体结构面粗糙程度已被广泛应用，分形维数D越大表明岩体结构面越粗糙。
同时岩体结构面粗糙度具有尺寸效应。粗糙度与采样尺寸密切相关，并且会随着采样尺寸的不断增加而减小，当采样尺寸增加到某一水平时（此时的采样尺寸称为有效尺寸），粗糙度不再继续减小而趋于稳定，保持不变。研究显示，要想精确获取某一大尺寸岩体结构面粗糙度，采样尺寸应该大于或等于其有效尺寸。
原理上讲只要采集尺寸足够大，就可得到所研究岩体结构面的真实粗糙度。但是，以这种传统方法来消除或减少由于尺寸效应带来的误差，可行性不强，仍存在一些问题：
1、有效尺寸与岩体结构面粗糙程度相关，表面越光滑，有效尺寸越小，反之表面越粗糙，有效尺寸也会随之越来越大。当粗糙度达到一定程度时，有效尺寸会变得很大很大。对于有效尺寸特别大的岩体结构面，就需要设计大量程的测量仪器，则仪器制造、携带使用、试验成本、测量时间、工作强度也会大增，显然不是很现实。
2、虽然目前三维激光测量技术可实现大面积岩体结构面粗糙度数据采集工作，但是该技术易受外界因素影响（温度、湿度、电磁干扰、车震等），并且成本极其昂贵。
3、目前普遍采用的测量仪器量程大都在1m以内，主要原因是方便携带以及降低成本。岩体结构面粗糙度测量是在野外现场进行，外观几何尺寸大的测量仪器很不方便携带。
综合上述各因素，小型测量仪器仍存在很强的使用价值，短时间内不会被三维激光扫描仪等大范围测量仪器所代替。因而在目前的小量程测量仪器与大尺寸岩体结构面两者并存的条件下，寻找出一种适当的方法，能够很好地克服尺寸效应引入的误差，获取较真实的岩体结构面粗糙度极有必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术对大面积岩体结构面粗糙度测量存在的问题，而提供了一种采用小量程测量仪器，通过增加测量次数来弥补测量尺寸上的不足，以分形维数D为评价指标来定量描述岩体结构面的粗糙度，能克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供的一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，按如下步骤操作：
步骤一、选取具有代表性的剖面：
(1)、对于野外一个大范围的岩体结构面进行粗糙度评价，要求选择没有受到人类活动扰动的天然岩体结构面，并且表面无植被覆盖；
(2)、对选定的剖面进行标示，采用软皮尺固定在剖面的两端，设需要评价粗糙度的剖面长度为L，用以岩体结构面粗糙度测量仪器的最大量程为l，其中L>l；
步骤二、沿着选定的剖面架设测量仪器，架设测量仪器的位置随机确定，但要保证仪器测量的剖面l位于长度为L的大尺寸剖面中，在大尺寸剖面中采集得到n条长度为l的小尺寸剖面；
步骤三、采集的数量n必须大于等于有效采集数量ne，有效采集数量ne根据公式
获得，其中，K为有效系数，取值范围为0.8～1，与岩体结构面的粗糙程度有关，粗糙度越大K值越大，当没有经验参考时，K取值为1；当计算ne得到的结果带小数部分时则采取向上取整原则，即取大于计算数值的最小整数；
步骤四、对获取的n条长度为l的二维剖面进行数字化，将每条二维剖面离散为大量的点数据，且保持点与点之间的水平间距一致，所有二维剖面离散后的水平间距也保持一致，坐标形式（x,y），其中x为剖面线水平长度信息，y为剖面线高低起伏信息；
步骤五、基于分形理论计算n条长度为l的剖面线的分形维数D，采用变量图法计算剖面的分形维数D，n条长度为l的剖面线经计算得到n个分形维数D值；
步骤六、将n个分形维数D值进行平均，按公式
计算，通过获得的分形维数平均值
来描述所选择长度为L的大尺寸剖面的粗糙度，实现以小尺寸岩体结构面粗糙度来表征整体大尺寸岩体结构面粗糙度，并且消除了尺寸效应带来的误差。
本发明步骤一中所述选择没有受到人类活动扰动的天然岩体结构面，是指没有受到爆破、开挖的天然岩体结构面，所述在岩体结构面上选取具有代表性的剖面，要求剖面走向与潜在岩体滑动方向或地下水渗流方向一致。
本发明所采用的分形几何理论特征之一便是局部与整体的统一。对于自相似分形图形而言，如Koch曲线，完全可以根据部分来评价整体；而对于自仿射分形图形而言，如岩体结构面剖面线，只有在不同方向上进行不同比例的收缩或扩展下，才表现出统计上的相似性。这些发现说明通过部分来评价整体岩体结构面粗糙度的可能性是存在的，因为岩体结构面剖面线在一定条件下符合分形几何的特征；但是同时也说明单单由某一个独立部分来评价整体粗糙度是行不通，因为岩体结构面剖面线并不是严格数学意义上的自相似分形图形。因此，由单个独立部分岩体结构面粗糙度来评价整体岩体结构面粗糙度往往存在尺寸效应，造成评价结果偏差，不能够真实反映粗糙度情况。本发明的评价方法虽然是基于部分岩体结构面粗糙度，但并不是基于单个独立的部分，而是基于一定数量的部分岩体结构面粗糙度，不需要通过增加测量仪器量程，而是通过增加测量的数量来有效地消除尺寸效应引入的误差，得到合理粗糙度结果。
本发明的一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法具有的有益效果是：
(1)、本发明通过测量一定数量的部分岩体结构面粗糙度来评价整体岩体结构面粗糙度，评价结果真实可靠，具有较高的精度。
(2)、本发明的方法由于不需要对大尺寸的岩体结构面进行全部数据采集，工作量得到降低，提高了工作效率；并且能够利用现有的小量程测量仪器，克服了使用大量程测量仪器所造成的技术难题，具有较高的可行性，同时测量评价成本合理，便于推广。
(3)、本发明的方法可用于与粗糙度相关的岩石力学与工程地质领域，如根据粗糙度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，可广泛用于水利水电、交通运输、采矿等行业中的岩体稳定性评价。
附图说明
图1为本发明选择的长度为L的大尺寸岩体结构面的剖面示意图。
图2为本发明中在大尺寸剖面中采集得到的其中1条长度为l的小尺寸剖面示意图。
图3为本发明中选择的大尺寸岩体结构面第1条剖面线L1示意图。
图4为本发明中选择的大尺寸岩体结构面第2条剖面线L2示意图。
图5为本发明中选择的大尺寸岩体结构面第3条剖面线L3示意图。
图6为本发明中3条大尺寸剖面线在不同K值下的相对误差曲线示意图。
图7为本发明分形维数D与采集数量n的变化关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详述。
实施例1：本发明提供的一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，按如下步骤操作：
步骤一、选取具有代表性的剖面；如图1所示。
(1)、对于野外一个大范围的岩体结构面进行粗糙度评价，要求选择没有受到人类活动扰动的天然岩体结构面，如爆破、开挖形成的岩体结构面不在考虑范围之内，并且表面无植被覆盖，便于测量。
(2)、在该岩体结构面上选取具有代表性的大尺寸剖面，要求剖面走向与潜在岩体滑动方向或地下水渗流方向一致，这样粗糙度评价结果对岩体稳定性分析才具有借鉴作用。
(3)、对选定的剖面进行标示，可以采用软皮尺固定在剖面的两端，假设需要评价粗糙度的剖面长度为L=12m，用于岩体结构面粗糙度测量仪器的最大量程为l=0.104m，L>l，如图1。
步骤二、沿着选定的长度为L的剖面上架设测量仪器，测量仪器的具体位置随机确定，不必要求进行连续不间隔采集，只需要保证仪器测量的剖面，即长度为l的那段位于剖面长度为L中的一段，是剖面L的一部分即可，按照此步骤，在长度为L的大尺寸剖面上采集得到n条长度为l的小尺寸剖面。
步骤三、根据公式
计算出有效采集数量ne，需要采集的数量n应该大于等于有效采集数量ne，
其中，K取值选为1，由上式计算出的结果为ne=(12/0.104)×1=115.38，则ne取115+1=116。这样保证尽可能多地获取岩体结构面部分粗糙度信息，降低误差。
步骤四、设获取n=116条长度为l=0.104m的二维剖面后，进行数字化，将每条二维剖面离散为大量的点数据，坐标形式为（x,y），其中x表示剖面线水平长度信息，y表示剖面线高低起伏信息，点与点之间的水平间距保持一致，所有二维剖面离散后的水平间距也要保持一致，如图2所示。
步骤五、基于分形理论计算n=116条长度为l的剖面线的分形维数D，采用变量图法(variogram)计算剖面的分形维数D，116条长度为l的剖面经计算得到116个分形维数D值；
步骤六、将116个分形维数D值进行平均，由公式
计算，获得的分形维数平均值
便可以用来描述所选择长度为L的大尺寸剖面的粗糙度。实现了由部分小尺寸岩体结构面粗糙度来表征整体大尺寸岩体结构面粗糙度的目的，并且消除了尺寸效应带来的误差。
因为现有测量仪器很难采集到长度大于1m的完整岩体结构面剖面线，为了验证本发明方法的合理性，利用分形随机函数产生3条大尺寸剖面线，如图3、4、5所示，其编号分别为L1、L2、L3，相应长度为5m、10m、15m。按照本发明方法的操作步骤，采用量程为0.1m的测量仪器去采集剖面线数据，分别计算出有效系数K=0.8、0.9、1.0情况下的剖面分形维数平均值计算结果详见表1所示。可以看出，与实际分形维数D相比，结果十分吻合。
表1 3条大尺寸岩体结构面剖面线分形维数计算结果
进一步根据公式
计算相对误差e，计算结果如图6所示，
所有相对误差均小于1%，说明计算结果真实可靠，并且整体上相对误差随K值增加而减小，换一句话说，随着采集数量的增加，获取的岩体结构面粗糙度更接近真实情况。
同时，以剖面L1为例，长度为5m，仪器测量量程仍为0.1m，有效系数K取0.8。研究分形维数D与采集数量n的变化关系，在此例中，n的取值范围是[1,50]。图7说明，随着采集数量n的不断增加，分形维数D也在不断增加，但是当n达到一定数量时，分形维数D便会在某一固定值上下作小幅度摆动，发生较小变化。按照本发明的方法操作，L1剖面的有效采集数量ne=40，见图中ne=40的竖直线所示。当采集数量n≥ne，分形维数D趋于平稳，此时的分形维数D可以认为是消除尺寸效应后的真实粗糙度。更重要的是，对于长度为L的大尺寸岩体结构面，我们采用小量程l的仪器进行测量时，没必要进行全部采集，即进行L/l次采集，只要采集数量大于等于有效采集数量ne即可，工作量得到了降低，试验周期也会相应缩短。
本发明的一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，由于不需要对大尺寸的岩体结构面进行全部数据采集，工作量得到降低，提高了工作效率；并且能够利用现有的小量程测量仪器，克服了使用大量程测量仪器所造成的技术难题，具有较高的可行性，同时测量评价成本合理，便于推广，可广泛用于水利水电、交通运输、采矿等行业中的岩体稳定性评价。
Claims (2)
1.一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，其特征在于：按如下步骤操作：
步骤一、选取具有代表性的剖面：
(1)、对于野外一个大范围的岩体结构面进行粗糙度评价，要求选择没有受到人类活动扰动的天然岩体结构面，并且表面无植被覆盖；
(2)、对选定的剖面进行标示，采用软皮尺固定在剖面的两端，设需要评价粗糙度的剖面长度为L，用以岩体结构面粗糙度测量仪器的最大量程为l，其中L>l；
步骤二、沿着选定的剖面架设测量仪器，架设测量仪器的位置随机确定，但要保证仪器测量的剖面l位于长度为L的大尺寸剖面中，在大尺寸剖面中采集得到n条长度为l的小尺寸剖面；
步骤三、采集的数量n必须大于等于有效采集数量ne，有效采集数量ne根据公式
获得，其中，K为有效系数，取值范围为0.8～1，与岩体结构面的粗糙程度有关，粗糙度越大K值越大，当没有经验参考时，K取值为1；当计算ne得到的结果带小数部分时则采取向上取整原则，即取大于计算数值的最小整数；
步骤四、对获取的n条长度为l的二维剖面进行数字化，将每条二维剖面离散为大量的点数据，且保持点与点之间的水平间距一致，所有二维剖面离散后的水平间距也保持一致，坐标形式（x,y），其中x为剖面线水平长度信息，y为剖面线高低起伏信息；
步骤五、基于分形理论计算n条长度为l的剖面线的分形维数D，采用变量图法计算剖面的分形维数D，n条长度为l的剖面线经计算得到n个分形维数D值；
步骤六、将n个分形维数D值进行平均，按公式
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来描述所选择长度为L的大尺寸剖面的粗糙度，实现以小尺寸岩体结构面粗糙度来表征整体大尺寸岩体结构面粗糙度，并且消除了尺寸效应带来的误差。
2.根据权利要求1所述的一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，其特征在于：步骤一中所述选择没有受到人类活动扰动的天然岩体结构面，是指没有受到爆破、开挖的天然岩体结构面，所述在岩体结构面上选取具有代表性的剖面，要求剖面走向与潜在岩体滑动方向或地下水渗流方向一致。
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