一种结构面粗糙度系数各向异性定量评价方法与流程

本发明涉及一种结构面粗糙度系数各向异性评价方法，特别的是本发明对结构面各个方向的粗糙度系数进行级比转换，级比转换的系数可用来表示结构面粗糙度系数各个方向分布的不均匀程度，对转换后的数据进行椭圆函数拟合可确定结构面粗糙度系数优势方向，实现了岩体结构面粗糙度系数各向异性的定量评价，本发明属于工程技术领域。

背景技术：

各向异性是岩体结构面的基本特征之一，结构面粗糙度各向异性程度决定了上、下两盘结构面接触程度，进而决定了结构面沿不同方向的抗剪强度及其内部的水力渗透传导机制。目前，为了研究结构面粗糙度各向异性特征，人们一般通过结构面表面不同方向测得的结构面粗糙度系数来体现粗糙度在各个方向上的差异性。在本发明之前，国内主要的研究结构面粗糙度各向异性方法简介如下：

(1)1993年，杜时贵、唐辉明根据不同成因断裂表面形态的定性分析结果，结合2180个不同方向粗糙度系数实测值的统计结果，系统研究了不同类型结构面的粗糙度系数及粗糙度系数尺寸效应的各向异性规律。

(2)1994年，李久林、唐辉明基于结构面断裂力学分类，结合结构面表面不同长度、不同方向粗糙度系数测试与室内结构面直剪实验，总结得到结构面粗糙度和抗剪强度具有各向异性的特点。

(3)2006年，杜时贵等人根据直剪试验方向的结构面抗剪强度提出了一种各向异性岩体结构面抗剪强度取值方法。

(4)2015年，陈世江等人在考虑岩体结构面的地质本质性特征的基础上，应用地质统计学原理，提出采用变异函数参数表示结构面粗糙度的方法，并采用提出的公式计算结构面上不同尺寸范围32个方向上的粗糙度值，分析结构面粗糙度各向异性及其尺寸效应特征。

在这些方法中，参数的各个方向上的不规则性均通过各向异性图直观表示，通过观察来确定结构面粗糙度优势方向，以及通过各向异性图上线条的光滑程度来判断各个方向上结构面粗糙度的差异性。然而，这种方法却很难定量确定结构面粗糙度系数各向异性的程度。

技术实现要素：

为了克服已有评价方法无法定量确定结构面粗糙度系数各向异性不足，本发明提供一种有效的结构面粗糙度系数各向异性定量评价方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种结构面粗糙度系数各向异性定量评价方法，所述定量评价方法包括如下步骤：

(1)选定所需分析的工程岩体结构面；

(2)在不同方向上均匀布置结构面测段；

(3)采用轮廓曲线仪绘制每一测段的轮廓曲线；

(4)采用图像处理方法提取轮廓曲线上的坐标数据，据此测量每个测段的结构面粗糙度系数；

(5)计算相同尺寸条件下各个方向上结构面的粗糙度系数的统计平均值，汇总后得到各个方向上的粗糙度系数数列r₀＝(r₀(1),r₀(2),…,r₀(t))，其中，t表示测试方向的数量，r₀(1)为第1个测试方向的粗糙度系数，r₀(2)为第2个测试方向的粗糙度系数，r₀(t)为第t个方向的粗糙度系数；

(6)采用对粗糙度系数数列中的每一项进行变换，m≥1，m为指数项，r₀(i)表示第i个方向的粗糙度系数，R₀(i)表示第i个方向粗糙度系数变换值，直到级比数列满足J∈[e^-2/(t+1),e^2/(t+1)]，此时m值记为m₀，m₀用来表示各个方向结构面粗糙度系数的光滑程度，称为粗糙度光滑系数；

(7)处理后的结构面粗糙度系数R₀＝(R₀(1),R₀(2),…,R₀(t))，采用各向异性椭圆进行拟合

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

这里x＝R₀cosθ，y＝R₀sinθ；θ表示测试方向；A，B，C，D，E和F是椭圆系数；

(8)通过下面这个式子即可确定各向异性椭圆的长轴a和短轴b，Θ则表示旋转方向：

长轴短轴的比值说明了各向异性椭圆上粗糙度系数最大值与最小值的差异性；而Θ则说明了结构面粗糙度发育的优势方向。

本发明的有益效果主要表现在：有效定量确定结构面粗糙度系数各向异性的程度。

附图说明

图1为结构面粗糙度系数各向异性图；

图2为级比转换系数m＝3时结构面粗糙度系数各向异性图；

图3为级比转换系数m＝5时结构面粗糙度系数各向异性图；

图4按粗糙度光滑系数转换后结构面粗糙度系数各向异性图及各向异性椭圆拟合。

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4，一种结构面粗糙度系数各向异性定量评价方法，所述定量评价方法包括如下步骤：

(1)选定所需分析的工程岩体结构面，判断潜在滑移方向；

(2)在不同方向上均匀布置结构面测段；

(3)采用轮廓曲线仪绘制每一测段的轮廓曲线；

(4)采用图像处理方法提取轮廓曲线上的坐标数据，据此测量每个测段的结构面粗糙度系数；

(5)计算相同尺寸条件下各个方向上结构面的粗糙度系数的统计平均值，汇总后得到各个方向上的粗糙度系数数列r₀＝(r₀(1),r₀(2),…,r₀(t))，其中，t表示测试方向的数量，r₀(1)为第1个测试方向的粗糙度系数，r₀(2)为第2个测试方向的粗糙度系数，r₀(t)为第t个方向的粗糙度系数；

(6)采用对粗糙度系数数列中的每一项进行变换，

m≥1m为指数项，r₀(i)表示第i个方向的粗糙度系数，R₀表示第i个方向粗糙度系数变换值，直到级比数列满足J∈[e^-2/(t+1),e^2/(t+1)]，此时m值记为m₀，m₀用来表示各个方向结构面粗糙度系数的光滑程度，称为粗糙度光滑系数；该参数体现了不同方向结构面粗糙度系数的差异性。

(7)处理后的结构面粗糙度系数R₀＝(R₀(1),R₀(2),…,R₀(t))，采用各向异性椭圆进行拟合

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

这里x＝R₀cosθ，y＝R₀sinθ；θ表示测试方向；A，B，C，D，E和F是椭圆系数；

(8)通过下面这个式子即可确定各向异性椭圆的长轴a和短轴b，Θ则表示旋转方向：

长轴短轴的比值说明了各向异性椭圆上粗糙度系数最大值与最小值的差异性；而Θ则说明了结构面粗糙度发育的优势方向。

实例：一种结构面粗糙度系数各向异性定量评价方法，过程如下：

首先，在野外现场测定具有代表性的花岗岩结构面，沿不同方向测定的结构面粗糙度系数如表1所示，各向异性图如图1所示，此时m值等于0；

表1

其次，由于粗糙度系数在各个方向差异较大，不能用椭圆方程直接进行拟合，采用级比分析方法对实验数据进行处理，当m值分别取3和5时，处理后的粗糙度系数在各个方向上的差异性显著降低，不规则形态逐渐趋于椭圆形态。但不满足级比分析条件，因此需要继续增大m值；

然后，当m值等于7.3时，处理后的粗糙度系数满足级比分析条件，即m₀＝7.3为该结构面的粗糙度光滑系数，可用于表示结构面粗糙度系数的各向异性程度。

最后，根据各向异性椭圆方程可求得长短轴之比为1.045，而结构面粗糙度系数的优势方向为63.88°。