结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种结构面粗趟度系数概率统计模型，具体来说，本发明提供了一种 考虑结构面尺寸效应的试样粗趟度系数概率密度函数模型的构建方法。适用于根据粗趟度 系数测量统计规律分析，估计系列尺寸结构面抗剪强度的场合。
【背景技术】
[0002] 在本发明作出之前，目前尚没有关于结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模 型的报道。结构面抗剪强度是工程岩体稳定性分析和加固处理设计的关键参数。室内和现 场直剪试验是确定该一参数的基本方法，然而进行各种尺寸的结构面试验往往不太可行。 早在上世纪80年代，N.Barton等学者通过结构面抗剪强度的直剪试验研究表明，结构面的 壁岩强度和表面起伏形态是决定抗剪强度的主要因素，并提出了著名的JRC-JCS经验估算 模型，该方法具有成本低、速度快、简便易行等显著优点。由于岩体结构面表面形态具有各 质异性、各向异性和非均一性等特征。在结构面表面粗趟度系数定向测量时，各测量段的结 构面表面形态也存在差异。因此，如何对系列尺寸条件下结构面粗趟度系数进行估计显得 尤为重要。在本发明之前，研究者们对结构面粗趟度系数概率统计分析进行了初步探索，有 关结构面粗趟度系数统计测量的代表性研究成果如下：
[0003] (1)2004年，公开号为CN1779414A的中国专利申请《岩体结构面粗趟度系数确定 方法》中，提出了有关岩体结构面粗趟度系数的统计确定方法，具体采用轮廓仪测试出露岩 体结构面表面长度10cm的多个测段，根据每个测段的粗趟度系数统计规律确定结构面粗 趟度系数的数学期望。
[0004] (2)2006年，公开号为CN1779458A的中国专利申请《岩体结构面抗剪强度经验估 算方法》中，提出了根据每个结构面表面取样长度为10cm、30cm测段不同的粗趟度系数，计 算对应长度的结构面粗趟度系数。
[0005] (3)2013年，黄曼、罗战友、杜时贵在《岩石模型结构面的取样代表性试验研究》一 文中，对取样尺寸为10cm的18组岩石结构面粗趟度系数（JRC)的测量和统计分析，得到了 该尺寸基于正态分布规律的结构面粗趟度系数概率密度函数。
[0006] 研究表明，结构面抗剪强度粗趟度系数分布规律与结构面取样尺寸相关；试样尺 寸越小，试样抗剪强度的差异性越显著；粗趟度系数平均值随着试样取样长度的增大而减 小。然而，上述研究工作只考虑了某一尺寸下结构面粗趟度系数的概率统计规律，并没有建 立结构面粗趟度系数概率统计规律与取样尺寸的函数关系，更没有提出考虑尺寸效应的结 构面粗趟度系数概率密度函数模型。因此，现有的结构面粗趟度系数统计模型存在局限性， 不能直接用于系列尺寸结构面抗剪强度的估计。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有结构面粗趟度系数统计模型的不能直接用于系列尺寸结构面抗剪 强度的估计的不足，本发明提供一种结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建 方法，能够准确描述尺寸效应对结构面粗趟度系数统计规律的影响，从而能够方便、快速地 估计系列尺寸结构面的抗剪强度。
[000引本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009] 一种结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建方法，包括W下步骤：
[0010] 1)根据结构面轮廓线定向测量结果，采用大型扫描仪将记录结构面轮廓线的图纸 进行扫描，并转换成图片格式文本；
[0011] 2)根据结构面试样的表面坐标信息，采Barton直边法简明公式计算系列试样的 粗趟度系数；
[0012] 3)基于唯像学和显著性检验，分别对各尺寸样本数据的总体分布进行Weibull概 率密度函数拟合：
[001引
…
[0014] 其中，f(x|a,b)为Weibull概率密度函数，a为Weibull分布中的尺度参数，b为 Weibull分布中的形状参数，X为一维实随机变量；
[0015] 4)探索Weibull分布中尺度参数a、形状参数b与试样尺寸1的函数关系，进而可 构建结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模型：
[0016]
[0017] 其中，f(x|a(l)，b(l))为结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数，a(l)为尺度 参数a关于试样尺寸1的函数，b(1)为形状参数b关于试样尺寸1的函数。
[0018] 进一步，所述构建方法还包括如下步骤：
[0019] 5)依据结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数，取概率密度函数最大值作为该 尺寸条件下结构面粗趟度估计值JRC。；
[0020] 6)将系列尺寸结构面粗趟度估计值带入结构面抗剪强度经验估计公式（3)，即可 计算系列尺寸结构面抗剪强度参数估计值Tp
[0021]
(3)
[0022] 其中，0。为作用于结构面的法向应力，4b为结构面基本摩擦角，JRC。为取样长度 为L。的结构面粗趟度系数，JCS。为取样长度为L。的壁岩强度。
[0023] 本发明的有益效果主要表现在；能够准确描述尺寸效应对结构面粗趟度系数统计 规律的影响，从而能够方便、快速地估计系列尺寸结构面的抗剪强度。
【附图说明】： 图1是Weibull分布中尺度参数a与试样尺寸1的函数关系图。 图2是Weibull分布中形状参数b与试样尺寸1的函数关系图。
【具体实施方式】
[0024] 下面对本发明作进一步描述。
[0025] 一种结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建方法，包括W下步骤：
[0026] 1)根据结构面轮廓线定向测量结果，采用大型扫描仪将记录结构面轮廓线的图纸 进行扫描，并转换成图片格式文本；
[0027] 2)根据结构面试样的表面坐标信息，采Barton直边法简明公式计算系列试样的 粗趟度系数；
[0028] 3)基于唯像学和显著性检验，分别对各尺寸样本数据的总体分布进行Weibull概 率密度函数拟合：
[0029]
…
[0030] 其中，f(x|a,b)为Weibull概率密度函数，a为Weibull分布中的尺度参数，b为 Weibull分布中的形状参数，X为一维实随机变量；
[0031] 4)探索Weibull分布中尺度参数a、形状参数b与试样尺寸1的函数关系，进而可 构建结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模型：
[0032]
[0033] 其中，f(x|a(l)，b(l))为结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数，a(l)为尺度 参数a与试样尺寸1的函数，b(1)为形状参数b与试样尺寸1的函数。
[0034] 进一步，所述构建方法还包括如下步骤：
[0035] 5)依据结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数，取概率密度函数最大值作为该 尺寸条件下结构面粗趟度估计值JRC。；
[0036]6)将系列尺寸结构面粗趟度估计值带入结构面抗剪强度经验估计公式（3)，即可 计算系列尺寸结构面抗剪强度参数估计值Tp
[0037]
(3)
[003引其中，0。为作用于结构面的法向应力，4b为结构面基本摩擦角，JRC。为取样长度 为L。的结构面粗趟度系数，JCS。为取样长度为L。的壁岩强度。
[0039] 本实施例选取浙江省常山县出露条件良好的典型板岩结构面作为研究对象，系列 尺寸结构面的抗剪强度的测量过程如下：
[0040] 1)采用轮廓曲线仪定向测量100cm尺寸范围的结构面轮廓线；
[0041] 2)采用大型扫描仪将记录结构面轮廓线的图纸进行扫描，并转换成图片格式文 本；
[0042] 3)采用Matl油软件对结构面轮廓线扫描图件按灰度值进行提取和处理，提取系 列尺寸结构面试样的表面坐标信息；
[0043] 4)根据结构面试样的表面坐标信息，采用Barton直边法简明公式计算系列试样 的粗趟度系数；
[0044] 巧基于唯像学和显著性检验，分别对尺寸为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、 70cm、80cm、90cm样本数据的总体分布进行Weibull概率密度函数拟合，统计结果如表1所 /J、- 〇
[0045]
[0047] 表 1
[0048] 6)分析Weibull分布中尺度参数a、形状参数b与试样尺寸1的函数关系，如图1、 图2所示，进而通过函数拟合可分别获得尺度参数与试样尺寸的函数关系a(l)、形状参数 与试样尺寸的函数关系b(l)。构建结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数模型：
[0051] 7)依据结构面粗趟度系数尺寸效应概率密度函数，代入结构面试样研究尺寸r， 计算概率密度函数最大值，将其作为该尺寸条件下结构面粗趟度估计值JRC。。
[0052] 8)将系列尺寸结构面粗趟度估计值带入结构面抗剪强度经验估计公式，即可计算 系列尺寸结构面抗剪强度参数估计值。
[0化3]
(3)〇
【主权项】
1. 一种结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建方法，其特征在于：所述 构建方法包括以下步骤： 1) 根据结构面轮廓线定向测量结果，采用大型扫描仪将记录结构面轮廓线的图纸进行 扫描，并转换成图片格式文本； 2) 根据结构面试样的表面坐标信息，采Barton直边法简明公式计算系列试样的粗糙 度系数； 3) 基于唯像学和显著性检验，分别对各尺寸样本数据的总体分布进行Weibull概率密 度函数拟合：其中，f(x I a，b)为Weibull概率密度函数，a为Weibull分布中的尺度参数，b为 Weibull分布中的形状参数，X为一维实随机变量； 4) 探索Weibull分布中尺度参数a、形状参数b与试样尺寸1的函数关系，进而可构建 结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数模型：其中，f(x|a(l)，b(l))为结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数，a(l)为尺度参数 a关于试样尺寸1的函数，b (1)为形状参数b关于试样尺寸1的函数。2. 如权利要求1所述的一种结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建方 法，其特征在于：所述构建方法还包括如下步骤： 5) 依据结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数，取概率密度函数最大值作为该尺寸 条件下结构面粗糙度估计值JRCn; 6) 将系列尺寸结构面粗糙度估计值带入结构面抗剪强度经验估计公式（3)，即可计算 系列尺寸结构面抗剪强度参数估计值τρ其中，〇"为作用于结构面的法向应力，Φ 结构面基本摩擦角，JRCn为取样长度为Ln 的结构面粗糙度系数，JCSn为取样长度为Ln的壁岩强度。
【专利摘要】一种结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数模型的构建方法，包括以下步骤：根据结构面轮廓线定向测量结果，采用大型扫描仪将记录结构面轮廓线的图纸进行扫描，并转换成图片格式文本；根据结构面试样的表面坐标信息，采Barton直边法简明公式计算系列试样的粗糙度系数；基于唯像学和显著性检验，分别对各尺寸样本数据的总体分布进行Weibull概率密度函数拟合(1)；探索Weibull分布中尺度参数a、形状参数b与试样尺寸l的函数关系，进而可构建结构面粗糙度系数尺寸效应概率密度函数模型(2)。本发明能能够准确描述尺寸效应对结构面粗糙度系数统计规律的影响，从而能够方便、快速地估计系列尺寸结构面的抗剪强度。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN104881564
【申请号】CN201510101573
【发明人】雍睿, 杜时贵, 黄曼, 梁奇锋, 罗战友, 胡云进, 钟振
【申请人】绍兴文理学院
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年3月9日