考虑结构面震动劣化效应的岩质边坡块体动力稳定性评价

为解决岩质边坡块体在地震作用下的动力稳定性评价问题,基于结构面的循环剪切数值试验研究结构面的震动劣化效应,从而构建结构面震动劣化数学模型;结合坐标投影原理提出考虑结构面强度震动劣化效应的块体动力稳定性系数计算方法;基于数值分析法研究地震波波动特性对岩质边坡块体稳定性的影响,并进一步基于突变理论提出位移动力响应放大系数突变判据,最后形成一套以块体动力稳定性系数时程曲线和位移动力响应放大系数共同评价块体动力稳定性的评价体系,拓展地震作用下块体动力稳定性评价新思路。研究表明,结构面震动劣化效应不仅受循环剪切幅值、循环剪切次数及相对运动速度影响,还与起伏角度密切相关;通过算例证实了考虑结构面震动劣化的块体动力稳定性系数计算方法的准确性,所提出的以块体动力稳定性系数时程曲线和位移动力响应放大系数的共同评价体系更加安全可靠,将促进块体动力稳定性理论的发展,对边坡地质灾害的防治具有重要的科学意义和应用价值。

岩体结构面循环剪切设备和剪切力学特性的研究现状及展望

总结了岩体结构面在循环荷载作用下的力学特性若干重要问题的研究进展,包括4个方面:(1)岩体结构面表面形态信息;(2)岩体结构面循环剪切试验设备;(3)循环剪切试验影响因素;(4)结构面力学特性的描述与表征。在对现有研究成果进行评述的基础上指出了需要解决的问题和今后的发展方向。目前,结构面粗糙度描述缺乏统一的评判标准,在单向剪切中足以模拟地震动荷载的剪切设备仍有待进一步研发,且法向循环加载试验,特别是切向和法向循环荷载耦合剪切试验还有待研究,此外针对循环加载试验,仍缺乏一个完备的理论能够综合考虑所有影响因素;结构面的变形和强度公式如何选择也是一个较难解决的问题。研发新的动态、多自由度循环剪切设备,进行完备的循环剪切变形和强度公式研究是岩体结构面动态剪切问题研究的必由之路。希望本文可为今后的相关工作提供一定的参考和依据。

基于钻孔摄像的岩体结构面参数快速提取研究

目的:岩体结构面决定着岩体强度和承载能力,直接影响着地下工程允许暴露面积和暴露时间。钻孔摄像是获取岩体深部结构面的重要方法。论文针对当前钻孔摄像获得岩体结构面参数自动提取难、精度差等问题开展研究。方法:分析了钻孔摄像中结构面的特征,研究了三维钻孔模型到二维平面展开过程中,钻孔图像中结构面与平面展开图上的节理轨迹的对应关系,提出了基于钻孔摄像图像信息反向重构三维空间钻孔和结构面的流程和参数提取方法。重点突破了基于钻孔图像信息的节理信息提取的坐标转换、结构面拟合和结构面倾向、倾角和迹宽等参数提取方法等三个关键技术(创新点),利用Python开发语言,基于PyCharm作为集成开发环境,使用PyQt5图形控件、Numpy数值计算库和SQLite数据库,开发了钻孔图像结构面参数自动提取软件,并成功应用于某矿山地下钻孔岩体结构面参数的提取。结果:应用结果表明本文设计的方法和开发的系统具有提取速度快、准确度高的特点。结论:本文研究为钻孔结构面参数快速提取提供了一套有益的方法。

岩体结构面对爆破块度的影响机制研究

结构面对爆破块度形成的影响一直是爆破工程中的热点问题,与工程的长期运行安全和经济效益关系密切。首先基于玉龙喀什水利枢纽开展级配料爆破原位试验,通过对比岩体天然块度与爆破块度的对应关系研究了结构面对爆破块度形成的影响特性,结果表明对于5 mm以下的小粒径块度,爆破荷载与岩石本身的动抗压强度起主要作用;对于中大粒径块度,应力波的扰动和结构面对原始岩体的切割是最重要的影响因素,试验结果表明结构面对级配形成影响具有明显的分区特性;进而采用LS-DYNA的二次开发技术开展爆破块度数值仿真,结果表明由于粉碎区的冲击波峰值大,结构面对小粒径块度的形成影响并不明显,但结构面的存在改变了应力波传播过程,对于中大粒径块度则有明显影响;数值仿真与原位试验相互印证。最后在传统的KUZ-RAM模型基础上,引入修正的小粒径级配预测方法,采用自学习的方式修正岩体参数项,提出了基于分区机制的岩体爆破块度预测模型,结合工程数据与已有的爆破块度预测模型进行验证,结果表明本文所提的爆破级配分区预测模型在预测精度方面有所提高。

降雨作用下考虑结构面劣化的边坡块体稳定性评价

降雨是诱发边坡失稳,发生崩塌、落石、滑坡的一个主要诱因,降雨作用下结构面强度会发生劣化,导致边坡块体失稳塌落,引起地质灾害,对人民生命财产构成严重威胁。基于离散元数值分析方法,考虑降雨作用对结构面抗剪强度的影响,分析结构面强度参数劣化及孔隙水压力变化规律,建立抗剪强度劣化模型;结合坐标投影原理提出考虑降雨作用下结构面强度劣化效应的块体稳定性系数计算方法;基于有限元分析方法研究降雨强度与降雨历时对岩质边坡块体稳定性的影响,并进一步分析稳定性系数与降雨强度及降雨历时的关系,提出降雨作用下考虑结构面劣化的边坡块体稳定性评价方法。研究表明,不同含水率作用下结构面的抗剪强度劣化不仅受黏聚力和内摩擦角影响,还与孔隙水压力有关,针对单滑面和双滑面型块体构建了考虑结构面降雨劣化的稳定性分析数学模型,提出的以降雨时长、降雨强度和块体稳定性关系曲线的共同评价体系可为边坡块体稳定性评价提供科学依据,并推动边坡地质灾害防治和工程建设发展。

以光亮面积百分比表征岩石结构面粗糙度

为简化抗剪强度计算过程,通过光亮面积百分比(BAP)计算结构面三维粗糙度。该方法以天然板岩结构面为研究对象,选取起伏差异较大的表面形貌区域,分别提取4组不同取样对象的点云数据,复现Surfer和Matlab计算结构面BAP值的粗糙度提取原方法。结果表明,取样手段不同,各向异性分析结果存在一定差异,且该方法获取的精度和实现效率均较低。针对不同软件应用该方法进行灰度分析时的差异性,提出了一种Matlab一体式的BAP优化分析方法;进一步对比Matlab中配置的Shaderel和Surfer 2种函数条件下的光源模拟结果,发现前者灰度图更清晰,计算该光源条件下的BAP值并结合公式量化评价三维粗糙度JRC^(3D)值,对比分析4种试样形状下JRC3D和θ_(max)^(*)/(C+1)值的各向异性统计特征,验证该方法的适用性,对边坡稳定性评估具有重要意义。

黔西南赖子山背斜区成矿结构面特征及其对卡林型金矿控矿作用

赖子山背斜位于黔西南卡林型金矿矿集区中部,成矿条件优越。通过对赖子山背斜区内成矿结构面特征的归纳总结,对区内卡林型金矿的控矿作用进行剖析。结果表明:研究区主要发育原生成矿结构面和次生成矿结构面,成矿结构面对金矿的控制作用表现在对金矿体产出、规模、形态、厚度和品位的控制,并指出赖子山背斜区卡林型金矿成矿主要受次生成矿结构面控制。

基于数字摄影技术的岩体结构面质量调查

针对矿山开采过程中岩体结构面信息的获取,利用先进的ShapeMetrix 3D系统实现岩体结构面信息的准确、快速、大量获取。选择红岭铅锌矿755 m、705 m和666 m中段开拓巷道中60个测点的岩体结构面进行摄像测量,对测量结果进行分组与分析,得到各测点的结构面外观质量与几何参数信息,通过数理统计分析,得到各结构面几何参数的概率分布模型。结果表明,红岭铅锌矿矿岩节理状态中等,部分扫描点位置状态较差。其中,666 m中段整体节理状态表现最好,755 m中段次之,705 m中段最差。最终归纳分析确定红岭铅锌矿深部岩体结构面优势产状主要有两组,分别为279.44°∠51.09°和97.73°∠50.23°。

基于常时微动的单结构面危岩体损伤识别实验

危岩体的动力学参数能够表征危岩体与基岩之间结构面的损伤,实际工程中人工激励危岩体较为困难,因此,如何根据场地常时微动特征识别危岩体动力学参数仍是亟需解决的问题.本文将常时微动激励下的危岩体振动问题归为欠阻尼条件单自由度结构受迫振动问题,将危岩体频谱幅值与基岩频谱幅值之比作为相对幅值谱,通过相对幅值K>1的最大峰值点对应的频率得到危岩体的一阶固有频率.以宏观裂缝控制型危岩体(悬臂式和错断式危岩体)及微观裂隙控制型危岩体(滑移式危岩体)为研究对象,通过模型实验验证了常时微动条件下测量危岩体一阶固有频率的可行性,通过切割裂缝模拟悬臂式危岩体和错断式危岩体结构面损伤弱化,发现随着损伤程度加剧,一阶固有频率呈明显下降趋势;通过水溶胶冻结融化模拟滑移式危岩体结构面损伤弱化,随着损伤程度加剧,其一阶固有频率无明显变化,高频段的重心频率发生明显变化.实验结果表明对于宏观裂缝控制型危岩体结构面损伤可通过危岩体的一阶固有频率进行识别,对于微观裂隙控制型危岩体结构面损伤可通过危岩体高频段的重心频率变化进行识别,将两者综合起来对危岩体结构面损伤进行识别将更加有效.

改进的区域生长算法在三维激光点云识别岩体结构面中的应用

交错分布的结构面构成了岩体中的薄弱部位,准确高效的岩体结构面识别和特征信息提取可为岩体稳定性评价提供重要依据。三维激光扫描技术可以极大地提高结构面勘测效率和精度,但目前主流的点云分析算法存在结构面边缘识别模糊、点云分割准确性不能满足结构面特征信息提取精度等问题。因此,考虑岩体结构面点云位置与其邻域的空间关系,利用KD-tree数据结构进行最邻近搜索的体素下采样,在稳健随机Hough变换的基础上改进了区域生长算法,通过多特征值对区域生长分割参数进行修正,依据点云法向量差值和特征终值进行结构面分割,实现了结构面产状、间距、延展度信息的提取。研究结果表明:与传统的主成分分析法和随机抽样一致法相比,在室内块体模型组成的24个结构面中,该方法在相同区域具有更高的识别率和准确率,既能在复杂变化的平面区域保证数据的完整识别,也能在平面的尖锐位置较好地分割边缘点云。利用该方法可以将24个结构面分为6组,并在识别数据中获取对应的结构面特征信息,与实际测量结果相比,角度信息误差约为1°,距离信息误差1cm以内。利用该方法在长江干流蟒蛇寨斜坡岩体中成功识别出3组结构面同时计算各组结构面间距与延展度信息,并采用赤平投影图分析不同结构面组对斜坡稳定性的影响。所提出的方法在室内模型及现场斜坡验证效果良好,可以为岩体结构面识别分割提供稳定且有效的技术支撑。

基于高斯过程回归的岩体结构面粗糙度系数预测模型

岩体结构面粗糙度系数(JRC)的估算是岩体力学性质评价的重要环节,由于单一统计参数法难以全面表征岩体结构面的复杂粗糙形貌,单一统计参数法建立的JRC计算模型精度较低。选取表征结构面粗糙形态的8种统计参数,结合主成分分析法(PCA)和高斯过程回归(GPR)算法,构建基于多参数融合的JRC预测模型。以公开的112条岩体结构面剖面线数据集(其中95条作为训练样本,17条为验证样本)为例进行分析研究,最后将预测所得JRC与实测值对比并分析预测效果。结果表明:由高斯过程回归构建的JRC预测模型决定系数(R^(2))高达0.972,均方根误差(MSE)为0.517,反映出高斯过程回归方法在小样本条件下构建多统计参数与JRC值隐式关系的适用性,为今后人工智能在JRC指标预测方面实现合理预测提供了思路。

北山沙枣园花岗岩体随机结构面的空间分布

北山沙枣园是我国高放废物处置库的备选场址,该区域中广泛分布的随机结构面是控制岩体变形和核素迁移的关键因素.选取600 m×600 m×600 m沙枣园岩体为研究对象,采用露头节理调查和钻孔裂隙编录的方法,探究岩体随机结构面的空间分布规律.首先开展随机结构面的产状分析,并运用基于粒子群的K-means算法开展产状聚类,岩体中主要发育倾角大于65°,走向为NNE向、EW向和NW向的随机结构面,其中钻孔裂隙优势组为295.4°∠68.3°、189.5°∠71.2°、235.6°∠69.2°和66.0°∠33.0°,露头节理优势组为320°∠79°、180°∠77°、282°∠80°和231°∠67°,两者呈现相似特征;其次开展露头节理平面分析,采用Voronoi法剖分岩体,计算节理平均迹长值和中点面密度值表征剖分后的岩体节理发育特征,岩体东北部的平均迹长值约为西南部的一半,而中点面密度在岩体中部最大.据优势组拆分露头的节理参数值,相对于其他优势组,NE向与NNE向优势组的平均迹长更长,中点面密度值更大;最后开展钻孔裂隙的位置分析,据产状聚类分析结果,绘制不同优势组的走向、倾角深度分布图,裂隙呈现深度不均匀的分布特征,平均线密度为0.11 m^(–1),在[–150 m,–160 m]区间达到最大值0.60 m^(–1),在[–310 m,–370 m]区间密集发育NNE向裂隙.研究结果可以为沙枣园区域的高放废物处置提供参考依据.

砂岩-混凝土结构面剪切特性试验研究及离散元模拟

为从宏、细观角度揭示常法向刚度(Constant Normal Stiffness,CNS)条件下锯齿状砂岩-混凝土结构面剪切机制,首先采用湖南大学自主改造的CNS岩石直剪仪开展3组砂岩-混凝土结构面室内剪切试验.在此基础上,采用刚性墙替代法建立与室内试验相应的离散元数值模型,并引入3个显式运动学方程控制砂岩试样运动轨迹从而实现CNS条件加载,将数值模拟与试验结果对比验证了模型的合理性.随后,开展16个工况的数值剪切试验,通过观察剪切裂纹扩展和力链演化形态,从细观角度揭示结构面破坏模式和荷载传递机制,并从宏观角度分析锯齿几何尺寸(半波长λ、起伏角θ)和加载边界条件(初始法向应力σn0、法向刚度K)对剪切强度和法向膨胀的影响.结果表明:剪切裂纹按照“平稳增加—急剧增加—增幅减小”的发展趋势由结构面区域逐渐向岩石内部扩展,结构面破坏模式随起伏角的增大由滑移磨损向剪断破坏过渡,剪切强度随λ、θ、σn0和K的增加呈指数函数型增加.

基于结构面粗糙度随机场表征的抗剪强度变异性

岩体结构面抗剪强度参数具有变异性是客观事实,而受限于室内外直剪试验成本而导致抗剪强度变异性指标获取困难是目前制约岩质边坡可靠度评价发展的主要原因之一。鉴于此,提出了一种利用少量实测结构面粗糙度曲线样本和岩块物理力学参数,结合JRC-JCS(joint roughness coefficient-joint compressive strength)剪切强度模型、随机场理论和非侵入式离散元数值试验,获取结构面抗剪强度参数变异性指标的方法。将此方法应用于某隧道进口段岩质边坡可靠度评价中,研究发现:(1)该岩质边坡主控结构面粗糙度纵坐标方差为0.012 5 cm2,相关距离为0.75 cm,生成的随机粗糙度曲线与实测样本相似;(2)结构面黏聚力和内摩擦角均值分别为0.427 MPa和54.9°,标准差分别为0.229 MPa和4.47°,变异系数分别为53.63%和8.14%;(3)此边坡稳定性系数服从正态分布,失稳概率为2.8%,可靠度为1.52。

软弱结构面参数对顺层岩质边坡动力响应的影响研究

为了探究地震作用下软弱结构面对岩质边坡动力响应特征的影响。以云南省某露天矿山边坡为研究背景,利用有限差分软件中的非线性动力分析法对顺层岩质边坡进行动力计算,通过控制变量法设计了一系列的数值实验,探究了软弱结构面参数的改变对岩质边坡动力响应的影响规律,再基于正交试验以及极差分析法对影响岩质边坡动力响应的结构面参数进行了敏感性分析。结果表明:结构面参数的改变对于顺层边坡的动力响应有较大影响;各影响因子对顺层岩质边坡动力响应影响程度大小排序为结构面黏聚力>结构面倾角>结构面内摩擦角>结构面厚度。动力响应的研究可为地处地震频发区域的顺层岩质边坡提供抗震依据。

基于t-SNE的多参数岩体结构面分步聚类方法

结构面聚类是进行岩体稳定性评价的重要步骤。常用聚类方法多以产状作为分组依据,忽略了结构面物理特性指标对岩体稳定性的影响。针对分组依据单一化的不足,综合考虑结构面倾向、倾角、迹长、张开度、填充状态和粗糙度的影响,提出一种基于学生分布随机邻近嵌入(student-distributed stochastic neighbor embedding,简称t-SNE)的多参数岩体结构面分步聚类方法。首先,利用t-SNE算法对除产状外的结构面特征进行数据降维;进而利用模拟退火算法搜索K-means算法的全局最优初始值,并采用分步聚类思想完成聚类。研究表明:所提方法有效地解决了高维空间样本稀疏的问题,同时保留了数据的局部结构与全局结构。新方法相比于传统方法能对空间分布相似区内结构面的物理特性进行精确划分,分组精度更高,且在避免复杂权重值计算的条件下,能有效区分产状与物理特性参数对岩体稳定性的影响差异。最后,将所提方法应用于中国新疆某露天矿坡结构面实测数据分析中,所得分组结果合理可靠,进一步证明该方法在实际工程中的有效性。研究方法可为多参数岩体结构面的分步聚类提供参考。

动荷载作用下不同应力波透射性结构面围岩层裂特性

煤矿巷道的力学性质由围岩结构决定,结构面位置、抗拉强度等特征显著影响应力波在围岩中的传播规律。以青砂岩为研究对象,通过室内试验分析了含低应力波透射性结构面围岩破坏特征,借助ABAQUS/Explicit建立含高应力波透射性结构面围岩数值模型,并结合室内试验结果验证模型合理性,同时对不同高透射性结构面抗拉强度、位置、入射波幅值等条件下整体巷道围岩破坏特征进行研究。研究结果表明:随着结构面抗拉强度的增加,低应力波透射性结构面围岩层裂体长度逐渐缩短,高应力波透射性结构面的层裂体长度则与结构面抗拉强度无关。高应力波透射性结构面围岩在应力波作用下围岩先于结构面破坏,低应力波透射性结构面围岩中结构面先于围岩破坏。巷道围岩中高应力波透射性结构面距自由端较远时不影响围岩层裂位置,距自由端较近时仅结构面破坏。随着应力波幅值的增加,高应力波透射性结构面围岩破坏模式依次为:整体未破坏、围岩完整–结构面拉伸破坏、围岩层裂破坏–结构面拉伸破坏。研究结果可为巷道的稳定性评价提供参考。

岩石单结构面剪切变形渗透性演化规律

为了研究剪切作用下单裂隙渗透性的演化规律,在Comsol中采用Weierstrass随机分形函数来生成单裂隙,调整2个裂隙面的相对位移来模拟剪切作用,通过分析不同剪切位移条件下裂隙隙宽的变化以及不同流量下的非线性效应发生的界定范围,并绘制散点图与函数曲线拟合确定剪切过程影响裂隙渗透率的因素,给出定量关系。结果表明:未发生剪切时,隙宽的概率密度分布满足标准的高斯分布,而随着剪切过程的发生,隙宽的高斯分布被破坏,仅体现标准高斯分布的部分特征;发生剪切时,渗透率先有一个减小的过程,然后在一定范围内波动;当Re>9.6时,流体开始从线性向非线性发展。对岩石单结构面剪切变形过程中裂隙孔径变化对流体渗流特性的影响进行模拟,可为分析地质体中结构面变形对地热变化的影响提供参考。

岩石结构面Grasselli二维粗糙度指标优化及其JRC估算

采用只考虑迎剪侧表观倾角而忽略内部起伏角的Grasselli二维形貌参数θ_(G)来估算结构面粗糙度系数JRC仍有待改进。从θ_(G)的物理意义出发,发现爬坡区内部凸起高度对粗糙度的贡献可表示为其在总爬坡水平距离上的坡角,所有爬坡区提供的坡角之和定义为结构面内部起伏体粗糙贡献,将结构面迎剪侧表观平均倾角θ_(G)和爬坡区内部平均坡角θ_(H)叠加,提出岩石结构面粗糙度新指标θ_(C)。通过获取十条标准JRC剖面线的θ_(C),分析其与JRC之间的关系,建立基于θ_(C)的JRC估算式。计算不同采样间距和不同采样方向下的新指标θ_(C),结果显示θ_(C)具有分形特征且能够反映结构面形貌各向异性。进一步将JRC估算式应用于JRC-JCS模型,通过对比已有研究得到的试验结果以及不同抗剪强度模型的预测效果,验证基于新指标θ_(C)估算的JRC可以准确预测结构面峰值抗剪强度。最后,对二维指标θ_(C)进行三维拓展,提出三维粗糙度新指标(θ_(C))_(3D),并通过结构面形貌各向异性表征验证了其合理性。

数字钻孔图像岩体结构面自动化识别方法

数字钻孔摄像技术能准确获取钻孔中岩体结构面特征信息,针对现有数字钻孔图像分析人力需求量大、主观性强、计算量大的不足,研究提出方案实现数字钻孔摄像技术采集的钻孔内壁图像自动识别。首先,用二维伽马函数光照自适应矫算法对图像进行光照均匀处理,利用经过预训练的DexiNed网络对矫正后图像边缘进行特征提取;其次,提出Epremoval方法处理边缘点噪声提取感兴趣区域;最后,根据正弦曲线泰勒展开式对图像中的表征数据进行多项式拟合。通过对得到曲线进行计算、空间变换和数理变换得到岩体结构面参数。以某隧道工程的数字钻孔图像为例,研究提出的算法结果优于人工辅助判读结果。