岩体结构数字识别与力学参数表征

2020/3/9岩体结构数字识别与力学参数表征于庆磊东北大学2研究背景与现状提纲结构面数字摄影测量21岩体力学、水力学参数表征3前景与展望5范各庄应用实例431、研究背景与现状岩体的结构特性岩体是经过地质作用过的、由岩块和地质结构面（节理、裂隙、断层等）所组成、具有一定结构特征，赋存于一定地质环境（地应力、地下水、地温等）中的地质体。不同规模的节理、裂隙、断层等结构面41、研究背景与现状在结构面的五级分类方案中，采矿、水利及交通等工程岩体开挖过程中揭露并需要现场测量的结构面主要包括三级：Ⅲ级：小规模的次级断层，规模较大，数量较少，和开挖临空面相互交切组合，主要制约局部危岩体的崩落、滑动方式Ⅳ级：原生的具有一定分布规律和统计意义的节理面、卸荷裂隙、风化裂隙等Ⅴ级：连接性极差的微小节理或隐微裂面Ⅳ级和Ⅴ级数量大、随机展布，主要弱化岩体的力学性质5不同级别的结构面的空间分布和成组特征，直接影响岩体的工程特性，导致了岩体工程特性参数如变形、渗透性、强度等的各向异性、非均匀性及离散性，节理岩体特性参数的确定一直是计算岩体力学的难点1、研究背景与现状61、研究背景与现状岩体的力学特性完整岩石隧洞连续介质连续介质模型节理岩石隧洞节理等效连续介质模型（各向同性或异性）离散元模型层状岩石隧洞（岩层与节理）节理控制型结构面断层复杂岩石隧洞等效连续介质+接触（节理）单元7断层断层大裂隙岩脉岩层面裂隙岩块断层断层大裂隙岩脉岩体渗流力学研究方法大结构：主干裂隙系统数量少、规模大、起主导控制作用采用离散网络方法小裂隙：裂隙岩块系统数目多、分布广、提供较大渗流空间采用连续介质方法从宏观上来描述其对渗流场的贡献采用张量分析计算方法然后，通过两系统间的水量交换建立联系1、研究背景与现状81、研究背景与现状岩体力学、水力学参数数学模型数值计算方法求解结果岩体力学问题求解不可靠无论是哪种模型，其根本的问题是如何确定参数（张有天）91、研究背景与现状数值计算在岩石工程应用中一直存在“声誉高、信誉低”的问题，制约其在岩石工程应用的技术“瓶颈”问题为：数据不完备的复杂地质系统与理论严密的力学模型之间相互脱节，岩体结构地学描述的多尺度定性方法与力学分析的精细定量方法衔接不好岩体参数和数值计算的可靠性取决于对岩体结构面测量和表征的完备程度及数值模型中对控制结构面的描述程度关键测量和表征岩体结构面10结构面测量现状⑴精测线法和窗口法传统方法：即通过皮尺和罗盘人工现场逐一接触测量结构面信息缺点：采集的信息有限，有些高陡岩体不可能全面接触，使得测量数据的代表性受现场条件的限制.低效、费力、耗时，不安全、甚至难以接近实体和不能满足现代快速施工的要求1、研究背景与现状11⑵钻孔定向取芯技术和孔内照相技术缺点：获取岩体结构面信息规模小、应用效果不佳，该方法可作为工程地质调查的辅助手段1、研究背景与现状12岩体结构参数三维非接触测量系统3GSM⑶数字摄影测量技术从奥地利startup公司引进的一套3G软件和测量产品JointMetriX3D和ShapeMetriX3D是一个全新的、代表当今最高水平的岩体几何参数三维不接触测量系统该系统由一个可以进行高分辨率立体摄像的照相机、进行三维图像生成的模型重建软件和对三维图像进行交互式空间可视化分析的分析软件包组成。jointmetrix3d成像系统shapemetrix3d成像系统1、研究背景与现状13通过标定的高分辨率的图像照相扫描系统，获取包括:岩体不连续面的几何参数如间距、面的连通率和方向等信息。由此可推导出岩体的标识参数、所有的分析都是三维、不接触并以出处的坐标给出。对该信息进行数字化建模，建立岩体三维力学模型，在联想深腾1800并行计算机上进行渗流、应力等物理过程计算，得到结果导入GOCAD系统中，在我们购进的大型虚拟现实系统中演示，有力的支撑了数值模拟和虚拟现实过程研究，并使得该中心具有更好的工程应用前景。143GSM测量原理立体图像合成原理：两个图像上相应点P(u,v)组成三维空间物体点P(x,y,z)（露天边坡）软件系统对不同角度的图像进行一系列的技术处理如基准标定、像素点匹配、图像变形偏差纠正等，实现物体表面真三维模型重构，在计算机可视化屏幕上从任何方位观察三维实体图像153GSM的软件系统163GSM的软件系统使用电脑鼠标进行交互式操作来实现每个结构面个体的识别、定位、拟合、追踪以及几何形态信息参数（产状、迹长、间距、断距等）的获取，并进行纷繁复杂结构面的分级、分组、几何参数统计。17数字摄影测量3GSM技术创建了一个实时的地质信息交流和反馈环境，提高地质纪录任务的效率，降低不完整信息和信息丢失的可能性，大大的帮助地质工作者区分鉴定地质特征，在已完成工作面节理图像的基础上预测没完成工作面上弱面的位置和方向。但是，该技术不和数值力学计算结合起来，其工作潜力还远远没有发挥出来。利用详实的结构面信息，开展力学分析与计算1、研究背景与现状18研究思路针对具体工程实例，通过数值模拟分析与现场观测对比，验证、修正表征方法利用RG井下电视系统采集钻孔数据，标定岩体内部控制型节理空间位置JointMetrix3D系统围岩表面三维形态重构及节理识别、定位、拟合、追踪ShopMetrix3D系统现场岩体结构面测量结构面分级、分组及几何形态参数统计节理展布三维可视化几何模型应用岩体工程特性参数表征REV研究主要考虑IV与V级结构面作用基于几何损伤理论和Hoek-Brown准则的岩体力学参数确定基于裂隙样体法和单孔压水试验的裂隙岩体渗透张量确定依据REV的存在性或依据分组节理平均间距与工程范围尺度的比值（1/20）大比例结构面按节理单元处理，建立能反映控制结构面真实空间形态的三维数值模型参数输入○3连续介质计算方法岩体水力学大规模并行计算②①验证、修正测量数据不完备的复杂岩体结构系统与理论严密的力学模型之间相互脱节是岩体力学应用的关键问题。19借助于先进的3GSM三维岩体不接触测量技术，获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像，提取节理几何形态空间分布信息；在此基础上，对于级别较低的节理面，基于考虑节理统计分布的几何损伤理论、Hoek-Brown系统和辅以现场试验数据修正的裂隙样本法，建立岩体力学、水力学参数表征方法；对级别较高的结构面按节理单元处理，实现岩体结构参数（几何形态和力学性质）数字信息与力学分析的精细定量计算有机衔接，建立能反映控制结构面真实空间分布、充分考虑各级别结构面作用的三维岩体破坏过程分析数值模型，为岩体工程结构稳定性分析和破坏机理研究提供更加真实、可靠的手段。研究思路202、结构面数字摄影测量与三维形态重构结构面数字摄影测量左视图基准点右视图基准点合成三维图212、结构面数字摄影测量与三维形态重构边坡岩体中节理分布情况第一组节理参数统计第二组节理参数统计两组节理赤平极射投影222、结构面数字摄影测量与三维形态重构第一组结构面几何参数(部分)第二组结构面几何参数(部分)2305101520250.10.20.30.40.50.60.70.80.91迹长/m%1.102468101214161820210220230240250260270280290300310320330340350倾向/°%36005101520255101520253035404550倾角/°%550510152025300.10.20.30.40.50.60.70.80.9迹长/m%1051015202530180190200210220230240250260倾向/°%27002468101214161820303540455055606570758085倾角/°%第一组第二组迹长(负指数)倾向(正态)倾角(对数正态)迹长(对数正态)倾向(正态)倾角(正态)2、结构面数字摄影测量与三维形态重构242、结构面数字摄影测量与三维形态重构组别结构面几何参数特征值倾向（°）倾角（°）迹长（m）间距（m）断距（m）分布率均值标准差分布率均值标准差分布率均值标准差分布率均值标准差分布率均值标准差1正态256.385.3对数正态26.615.3负指数0.480.31负指数0.640.75均匀0.460.202正态19778.1正态62.517.2对数正态0.490.36负指数1.561.5均匀0.710.32结构面几何参数概率模型252、结构面数字摄影测量与三维形态重构一组结构面的间距s和断距d的确定262、结构面数字摄影测量与三维形态重构三维形态重构在3GSM三维岩体不接触测量数字图像系统基础上，对空间分布不同级别结构面的进行准确识别，实现岩体结构几何形态空间分布的数字表征，利用可视化编程平台VisualC++和AUTOCAD08系统开发结构面空间展布可视化三维模型（AUTOCAD格式），得到不同级别、组别结构面几何形态参数。27(a)隧道围岩断面1图像(b)断面1节理分布(c)多断面组合形成三维节理展布断面1断面2断面3模型重构节理单元密集节理构成等效实体单元围岩图片节理识别大比例节理小比例节理282、结构面数字摄影测量与三维形态重构生成的10×10×10m3三维裂隙内部分布生成的10×10×10m3裂隙网络对于统计型节理，假定节理面形状为圆盘状，即Baecher圆盘模型，利用Mont-Carlo方法重构三维裂隙网络292、结构面数字摄影测量与三维形态重构ABA-A剖面B-B剖面302、结构面数字摄影测量与三维形态重构313、岩体力学、水力学参数表征岩体力学参数表征现场原位试验法：获得参数最为准确，但时间长、费用高等效折减法：对于工程岩体参数表征和力学分析计算，一般基于传统的测线法采集岩体结构面信息数据，进行岩体参数的等效折减：采用岩体完整性系数修正法、费先科方法、Gergi方法、分形维理论、蒙特卡洛方法等统计方法并结合RMR系统、Q系统和Hoek-Brown系统，同时参考室内岩块强度指标来确定岩体强度指标。323、岩体力学、水力学参数表征岩体力学参数表征基于几何损伤力学理论确定岩体的初始损伤张量，由此确定岩体初始弹性模量基于Hoek-Brown公式的m，s参数（反映岩体软硬程度和结构面分布密度）和GSI（地质体强度指数），结合详实的岩体结构测量信息，定量估计岩体强度对于Ⅳ结构面（原生统计结构面）和Ⅴ级结构面（开挖扰动次生结构面），其平均间距小于研究区域模型边界尺寸的1/20时，按照等效连续介质考虑：33岩体初始弹性模量由几何损伤张量理论，含节理岩体的初始损伤由下式计算：NkkkknnaVlD1)(式中，l——节理面最小间距；V——研究的含节理岩体体积；N——节理的数量；ak——第K条节理的面积；nk——第K条节理的法矢量；通过上式计算三维条件下裂隙岩体损伤张量，根据式Em=（I-D）Er式中：Em——岩体初始弹性模量；Er——岩块弹性模量。34岩体强度定量估算smcbc33128/100expGSImmIb推广后的Hoek-Brown准则为：13cbmIm式中：——岩体破坏时的最大主应力——岩体破坏时的最小主应力；——组成岩体完整岩块的单轴抗压强度；——岩体的Hoek-Brown常量；——组成岩体的完整岩块的Hoek-Brown常数。359/100-GSIexps5.00s200/65.0GSI对于GSI25的岩体：对于GSI25的岩体：GSI为岩体的地质强度指标。岩体强度定量估算36岩体强度定量估算表1由岩石类型所决定的Hoek-Brown常量mI表2岩体结构特征定量描述的Jv表示3738岩体渗透系数确定现场测试法单孔压水试验、三段压水试验、修正渗透张量压水试验、三孔交叉压水试验由于裂隙岩体渗透性的离散程度大，现场测试法的结果具有尺寸效应单孔压水试验得出的渗透系数是无方向性的标量，其理论基础是各向同性的孔隙介质，故所得K值不能反映裂隙岩体渗透性的非均匀性和各向异性三段压水试验、修正渗透张量的压水试验等方法，试验成本较高且均具有自身的