一种描述结构面剖面线粗糙度的新方法.docx

1、一种描述结构面剖面线粗糙度的新方法唐志成®宋英龙®(同济大学岩土及地卜,工程教育部重点实验室上海200092)(同济大学地下建筑与工程系上海2()0092)摘要采用法向矢量单位圆描述结构面削面线粗糙度,从各微分段的角度关系阐述粗糙度，进而将二维何题转化为-维向题处理并提出“角度粗糙度”的概念。考虑到各微分段的实际K度对粗糙度的页献，采用加权均值与加权方差定量描述角度粗糙度；角度粗糙度越大表明该剖面越粗糙。对规则剖面线与不规则剖面线采用“角度粗糙度”进行描述，所得结果跟巳有的剖面线粗糙性表征方法相比，二者具有较好的一致性，表明新方法评价的正确性与可行性。关键词结构面粗糙度兑度

2、粗糙度中图分类号:TU45文献标识码:ANEWMETHODFORASSESSINGROCKDISCONTINUITYROUGHNESSONLINEARPROFILESTANGZhicheng"SONGYinglong盼(KeyLaboratoryofGeo-TechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092)(DepartmentofGeo-TechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092)Abstract

3、Anewmethodwithuseofnormalvectorunitcycletoassessrockfractureroughnessonlinearprofilesisproposed.Anewconceptoforientationroughnessisputforwardtoreducedatadimensionfrom2DtoID.Theroughnessquantitativedescriptiontakestheformofweightmeanvalueandweightvarianceoforientation.Thetwoparameterscanreflectcontri

4、butionofeachdifferentiallength.Thebiggertheorientationroughness,therougherthelinearprofile.Thenewmethodwithotherexitingmethods,areusedtoassessseveralregularandirregularlinearprofiles.Theresultsshowgooduniformity,whichindicatesthenewmethodisrightandcanbeusedtoassessrockfractureroughness.KeywordsRockf

5、racture,Roughness,Orientationroughness收稿日期：2010-08-09；收到修改稿日期：2010-10-18.第一作者简介:唐志成.主要从事岩体力学、地质灾害防治等方面的研究工作.Email：tangzhichengok1引言Barton,：通过典型粗糙起伏面建立起粗糙度等级评定标准，并定义了JRC介于020的10种典型曲线,该方法被国际岩石力学学会(ISRM)推荐作为结构面粗糙度的表示方法。由于最初值的确定是通过与典型曲线对比获得的，该方法存在过多的主观因索，难以获得统一的答案。因此，寻求客观又具有代表性的结构面的定量化描述方法成为众多学者的研究目标。定量

6、化描述方法主要有统计参数法与分形分析法。至今常用的统计参数公式是Tse&Cruden建立起JRC与坡度均方根Z2之间的统计关系式：JRC=32.2+32.471ogZ2(1)但4对取样间距的敏感性较大；所提出的经验公式对光滑节理面而言(JRC<8)不甚适用。近年来，许多学者利用Mandelbort发展的分形几何描述结构面的粗糙性并试图建立与分维数。之间的函数关系4-6o不同学者采用不同的分数维量测方法，研究成果不尽相同，对同一个结构面描述所得结果甚至相差甚大；分数维定量:化描述表面粗糙性的区分度也过小，对粗糙性差别很大的结构面所得分数维也比较接近(表1)。表1不同方法确定的分数维

7、。值对比Table1ValuesoffractaldimensionI)detenninedbydifferentmethodsJRC剖面。值N.Turk等Y.H.Lee等J.P.Seidel和C.M.HaberfieldOdling0-21.00001.0004461.000091.502-41.00191.0016871.000541.54461.00271.0028051.00072一6-81.00491.0039741.001408-101.00541.()044131.001801.3010121.00451.0056411.004001.1712-141.00771.0071091

8、.005301.2014-161.00701.0080051.008101.1516181.01041.0095841.009601.2518201.01701.0134351.01200粗糙度等级评定与分析的目的是为获得岩体结构面强度提供参数，对结构面粗糙等级进行定量评判是岩体节理力学研究的重点；岩体结构面的几何构成复杂多变又表明定量描述结构面粗糙特性是研究的难点。研究表明:结构面坡度起伏是影响抗剪强度的主要因素。因此，本文从结构面不规则起伏形态出发,借鉴节理统计玫瑰花图的特点,分析剖面线各微分段方位角，采用法向矢枇单位圆描述结构面剖面线的粗糙性，从角度观点出发，将二维问题转化为一维问题处理

9、，提出结构面“角度粗糙度”的概念；同时认为剖面线长度对粗糙度也是有贡献的,故对二者进行加权处理，采用加权均值与加权方差描述“角度粗糙度”。采用“角度粗糙度”评价结构面粗糙性的基础是:平直剖面线所有微元的外法线方向是相互平行且指向与其基准线外法线方向一致；当偏离平直状态时，外法线分布将打破相互平行的状态而呈离散状，结构面越粗糙，离散度越大。本文将剖面线微元段外法线与基准线外法线的夹角定义为方位角，规定左偏夹角为正，右偏夹角为负。2法向矢量单位圆介绍对剖面基准线的外法线指向截取单位长度做圆并定义外法线与圆周的交点坐标为(0,1)；各微元段方位角指向均与该圆周相交,交点为该微元段外法线的矢量:。矢址

10、单位圆反映了各微元段的角度关系，对一个平直结构面而言,剖面线微元段所有外法线的方位是相互平行的并与基准线的外法线保持一致(图1),反映在矢量单位圆中就表现为方位线相互重合；当结构面偏离平直状态后，剖面线微元的方位图1剖面线方位角分布图Fig.1Distributionofprofilelineazimutha.平直结构面(各微元外法线指向相同)；b.般状态结构面(各微元外法线指向互异)角不尽相同（图】b）,剖面越粗糙，方位角离散程度越大C3角度粗糙度2D问题的解析解若。为第i段微元对应的方位角，根据统计学有：1*6十礼_小涪代3,-。）2式中，。、仇分别为平均方位角、方位角方差。采用平均方位角

11、与方位角方差描述剖面线粗糙度，同时考虑每一方位角对应的微元段实际长度对粗糙度的影响，定义“角度粗糙度四”如式（4）所示；Or=而/康（4）式中，A为加权系数，反映微元段长度对角度粗糙度的影响；4、L,分别为剖面线微元段长度、剖面线实际K度。联立式（2）-（5）则“角度粗糙度。的完整形式为：外=/土1晶5+泠根据式（6）：图la所示的结构面角度粗糙度侃=0;图lb所示的结构面角度粗糙度缶=0.416（n,、几2的方位角偏角为30。,沔54的方位角偏角为15。）。对5种剖面线进行了角度粗糙度计算，其结果见表2。可以看出：表面越粗糙，外越大；表面越光滑，缶越小。4种结构面粗糙性表征方法具有很好的一致

12、性:结构面越粗糙，计算值越大。但是区分度却有很大的不同。分形分析在粗糙表面描述中应用广泛，但是所得结果对剖面线粗糙性描述的区分度最低，往往差别很大的粗糙剖面线，所得分形维数却很小，在小数点后34位才有变化,难以直接建立起分维数与粗糙度等级的一一对应关系；采用ec值区分剖面粗糙性,能获得较好的区分度，但是对同一剖面采用不同方法计算所得结果差别很大（表2）。引入角度粗糙度的概念,从粗糙表面微元方位角的离散程度分析粗糙表面并建立定量化评价关系表2粗糙性表征计算结果一览表Table2Resultsofroughnessbydifferentmethods剖面几何形状剖面几何形状237»7ct

13、n5Z7cint-7cmT-DJRCe&Ps»ra她孔&CnxJrn&R1.05316.01424.450.60431.02911.44120.770.48M1.0239.95719.80.42951.0188.79917.310.3斜51.0137.0%13.630.30211.05316.01424.450.60431.02911.44120.770.48M1.0239.95719.80.42951.0188.79917.310.3斜51.0137.0%13.630.3021式，是对结构面定量化表征的很好补充。4对典型剖面线的分析对Barton提出的10条

14、典型剖面线（图2）采用角度粗糙度进行分析。首先将Barton的典型剖面扫描输入电脑，通过CA1）的“光栅图形参照”功能描绘剖面线；然后采样获取剖面线微元段方位角、长度等数据信息。本文采样水平间隔为Immc根据上节所述的计算方法，10条典型剖面线的角度粗糙度与JRC之间的关系如图2所示。图2角度粗糙度与的关系Fig.2RelationbetweenorientationroughnessandJRC从图2中可以看出：不同的JRC值对应不同的角度粗糙度；10条剖面线的角度粗糙度并不是单调递增的关系，第46条剖面线对应的角度粗槌度略呈微递减；总体趋势是MC值越大，角度粗糙度也越大；对粗糙剖面的区分较

15、为明显。4结论根据结构面形态起伏不同而引起互异的各微分段方位角，采用法向单位圆描述结构面粗糙性。从角度的观点出发，将剖面线2D粗糙性问题转化为1D问题，提出“角度粗糙度”的概念；对规则与不规则剖面线采用“角度粗糙度”分析，认为“角度粗糙度,'具有较好的区分性，可以用来描述粗糙度的大小。本文主要是针对剖面线的起伏形态(2D问题)进行研究，但是真实的结构面是一个3D问题，如何将线的粗糙度问题拓展到面的粗糙度问题，将是进一步研究的重点。参考文献1BartonNRtChoubeyV.Theshearstrengthofrockjointsintheoryandpractice；J.RockMe

16、chanicst1977,10(2)：152.2TseR,CmdenDM.Estimatingjointroughne%coefficientJ.Int.J.Rock.Meeh.Min.Sci.&Geomrch.Abstr.1979,16；303307.3YuX,VayssadeB.Jointprofileandtheirroughnessjtaran)eler»J.Int.J.RuckMtxh.Sci.&Geoniech.Abstra,1991,28(4)：333336.4LeeYII,HarJR,BarsDJ,etal.Thefra<*taldimensio

17、nasameasureoflheroughnessofrwkdiscontinuilyprofilesJ.Int.J.RockMeeh.Min.Sci.&Gcomrch.Abstr.,1990,27:453464.5 SeidelJP,Ha)x?rfieldCM.TowardanunderstandingofjointroughnessJj.RockMeeh.KockEng.1995.28：6992.6 TurkN.CroigMJ.DearmanWR,etal.CharaclrrizeofrockjointsurfacesbyfractaldimensionA.In：Proceedingofthe28,hSymposiumonRockMechanicsC.Tucson,1987,12231236.7JYangZY,DiYY,YenKC.TheeffectofasperityorderontheroughnessofrockjointsJ,int.J.RockMeeh.Min.Sci.,2001,38：745-752.(81夏才初，孙宗硕.工程岩体节理力学M.上海：同济大学出版社，2000.X