岩体结构数字识别与力学参数表征

1、2022-5-92研究背景与现状研究背景与现状提 纲结构面数字摄影测量结构面数字摄影测量21岩体力学、水力学参数表征岩体力学、水力学参数表征3前景与展望前景与展望5范各庄应用实例范各庄应用实例431 1、研究背景与现状、研究背景与现状o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、裂不同规模的节理、裂隙、断层等结构面隙、断层等结构面41 1、研究背景与现状、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

2、括三级：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、风化裂隙等级：连接性极差的微小节理或隐微裂面级和级数量大、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 1、研究背景与现状、研究背景与现状61 1、研究背景与现状、研究背景与现状o岩体的力学特性完整岩石隧洞完整岩石隧洞连续介质连续介质模型连续介质模型节理岩石隧

3、洞节理岩石隧洞节理等效连续介质模型等效连续介质模型（各向同性或异性）（各向同性或异性）离散元模型离散元模型层状岩石隧洞层状岩石隧洞（岩层与节理）节理控制型结构面断层复杂岩石隧洞复杂岩石隧洞等效连续介质等效连续介质+接触接触（节理）单元（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o岩体渗流力学研究方法大结构大结构：主干裂隙系统主干裂隙系统 数量少、规模大、起主导控制作用数量少、规模大、起主导控制作用 采用离散网络方法采用离散网络方法小裂隙小裂隙：裂隙岩块系统裂隙岩块系统 数目多、分布广、提供较大渗流空间数目多、分布广、提供较大渗流空间 采用连续介

4、质方法采用连续介质方法从宏观上从宏观上来描述其对渗流场的贡献来描述其对渗流场的贡献采用张量分析计算方法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然后，通过两系统间的水量交换建立联系1 1、研究背景与现状、研究背景与现状81 1、研究背景与现状、研究背景与现状o岩体力学问题求解91 1、研究背景与现状、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：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测量和表征岩体结构面10o结构面测量现状精测线法

5、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 1、研究背景与现状、研究背景与现状11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 1、研究背景与现状、研究背景与现状12o岩体结构参数三维非接触测量系统3GSM数字摄影测量技术数字摄影测量技术jointmetrix3d成像系统shapemetrix3d成像系统1 1、研究背景与现状、研究背景与现状

6、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测量原理测量原理1516 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

7、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。1 1、研究背景与现状、研究背景与现状18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

8、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。202 2、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与三维形态重构o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 2、结构面数字摄影测量与三维形态

9、重构、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 2、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)23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 2、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与三维形态重构242 2、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

10、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 2、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与三维形态重构一组结构面的间距s和断距d的确定262 2、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与三维形态重构o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

11、空间分布的数字表征，利用可视化编程平台Visual C+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 2、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与三维形态重构生成的101010 m3三维裂隙内部分布生成的101010 m3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

12、盘模型，利用Mont-Carlo方法重构三维裂隙网络292 2、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与三维形态重构ABA-A剖面B-B剖面302 2、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与三维形态重构313 3、岩体力学、水力学参数表征、岩体力学、水力学参数表征o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

13、-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 3、岩体力学、水力学参数表征、岩体力学、水力学参数表征o岩体力学参数表征v 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v 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结构面（原生统计结构面）和级结构面（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

14、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smcbc33128/100expGSImmIb推广后的Hoek-Brown准则为：13cbmIm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。359/100-GSIexps5 . 00s200/65. 0GSI对于

15、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v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、三孔交叉压水试验应用广泛的是现场测试法和裂隙样本法39岩体渗透系数确定v裂隙样本法现场收集和统计研究岩区的裂隙网络的倾向、倾角、开度、分布、粗糙度、连通度等，然后依据单裂隙渗流理论和张量分析方法获得裂隙网络的渗透系数及主渗透方向等裂隙样本法在理论上己比较完善，不足之处是由于裂隙的隙宽、隙壁粗糙度、填充物以及连通度难以准确

16、测量而未能考虑这些因素的影响两者相结合，采用裂隙样本法确定岩体的渗透张量，并辅以现场测试法的数据进行修正，既能较好反映原位地质环境裂隙岩体渗透性又能消除压水试验尺寸效应，克服单孔压水试验不能反映渗透各向异性的不足该技术途径不但适合工程岩体宏观渗流分析的特点，而且能够较为深刻地认识裂隙渗流的本质。 40裂隙样本法确定渗透张量渗流区域裂隙网络示意图如图所示，二维渗流区域MN和MN为定水头边界，MM和NN 为零流量边界，由下式得其裂隙网络渗流数学模型为 0| 0, 11NNMMbNMbMNnHHHHHQAq域内式中，未知量为内节点和零流量边界节点的水头H；方程式中q包含有H项，其中第j线元的流量由单

17、一裂隙渗流公式求得：jjjjlhbq123MNHMMqKMN，MN之间的等效渗透系数为： 41裂隙样本法确定渗透张量对每隔15度方向的单元网络施加上图所示的水头边界条件，并用流量等效原则计算出水流流入（或流出）研究区域内的流量，由式可得网络整体的渗透系数。据对称性，一般选取6个方向的研究网络，可得不同方向的渗透系数，进而求出网络单元的渗透张量。完整裂隙网络连通裂隙网络渗透系数张量图42范各庄应用实例 开滦范各庄煤矿是我国自行设计、施工的一座大型现代化矿井，矿区的水文地质条件极其复杂。 含煤地层属石炭二叠系，主要可采煤层为下二叠统大苗庄组的5煤层、7煤层、9煤层和上石炭统的赵各庄组12煤层。其中

18、12煤层位于本区煤系地层的下部，为复杂结构的厚煤层，煤层厚度1.058.32m，平均厚度为3.54m，在煤炭开采过程中底板砂岩破坏诱发突水事故频繁。 根据开滦范各庄煤矿的复杂地质条件，12煤底板含水砂岩层内含有平均压力为2MPa的承压水，精确查明该岩体的力学、水力学参数对于分析底板含水砂岩层破断突水机理具有重要的科学意义。o范各庄煤矿砂岩岩体条件43岩体结构测量 本次采用3GSM设备于08年10月7日在-530m水平12煤底板砂岩巷道中进行。左视图右视图44系统根据像素点对应合成得到掌子面三维表面图1组节理2组节理 在合成的三维图上，根据主要的节理裂隙的分布情况，对其进行分组，不同颜色代表不同

19、的组，主要的裂隙分布有两组，即右图中的黄色组和红色组。岩体结构测量45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1294.543.76016.31.290.790.520.170.520.22266.918.3均匀57.111.90.750.49正态0.370.140.760.35倾伏角概率模型统计表组别分布率均值标准差1负指数4829.72正态1336.2节理面概率模型统计46 评价范各庄煤矿12煤底板突水危险性，需要分析砂岩岩体下部奥陶系灰岩层中承压水沿砂岩岩体垂直方向的裂隙向上渗透

20、，计算砂岩岩体垂直方向的渗透系数十分关键。所以，为了简化计算，建立砂岩岩体垂直方向二维X-Z方向裂隙网络模型，开展X-Z方向渗透张量分析研究。模拟生成裂隙网络的区域为16m16m选取测定渗透张量的区域边长分别为3m、5m、8m、9m、10m固定区域的中心点，逆时针旋转矩形，每隔15计算一次裂隙网络的渗透系数，最终求得的渗透张量范各庄砂岩裂隙网络模拟及渗透张量分析 47范各庄砂岩裂隙网络模拟及渗透张量分析 004545完整裂隙网络连通裂隙网络48渗透张量（10-6 m/s） 右图直观地反映出网络渗透特性受控于结构面几何分布规律。 计算结果表明，随着研究域的增大，渗透系数主值逐渐减小，当研究区域为

21、9m左右时，渗透张量的主值已很接近，9m与10m计算的各方向的渗透系数的最大误差为5.79%。可见，10m10m可作为渗透张量的表征单元体，得到的最大渗透系数Kmax=1.4210-6 m/s，最小渗透系数Kmin=6.6710-7 m/s，方向角为45，Kmax/Kmin=2.13。不同尺度时的裂隙渗透系数主值研究区域3m5m8m9m10m渗透系数主值（10-6m/s）最大1.921.791.511.461.42最小0.9820.8040.8020.7060.667范各庄砂岩裂隙网络模拟及渗透张量分析 49当用Hoek-Brown准则估计节理化岩体强度指标与力学参数时，需用3个基本参数(1) 组成岩体的完整岩块的单轴抗压强度c；(2) 组成岩体的完整岩块的Hoek-Brown常数m1（查表）(3) 岩体的地质强度指标GSI（查表）50完整岩块的单轴抗压强度=175MPa，掌子面面积6.2m2；节理条数：22；Jv=4，GSI=60，砂岩m1=19由 得 mb=4.55328/ )100(exp1GSImmb011744. 09/ )100(expGSIs5 . 0摩擦角 40.195；内聚力 c=10.148MPa岩体的单轴抗拉强度 tm= -0.451MPa节理化岩