论文摘要
岩体由岩块和结构面共同组成,具有明显的结构特征。结构面（如层面、节理、断层、裂隙及不整合接触面等）受地球内外地质营力的共同作用,其力学性质远远低于岩块的力学性质,对工程岩体的变形、强度以及稳定性起到控制作用。结构面的剪切强度是结构面的重要力学性质之一,其受结构面的岩性、应力状态、结构面的粗糙度等众多影响因素的影响,其中粗糙度对于硬质无充填结构面的峰值剪切强度具有明显的控制作用。因此,定量评价结构面的粗糙度,进而有效评价结构面的峰值剪切强度,最终服务于生产实践中工程岩体的稳定性分析评价具有重要的理论意义和应用价值。然而现有粗糙度定量评价方法往往基于单一粗糙度参数进行,难以全面描述结构面形貌特征,导致存在难以全面反映结构面粗糙度对于剪切强度贡献的问题;同时,现有描述结构面粗糙度的参数往往忽略了结构面表面形貌中高频成分的贡献,从而造成结构面粗糙度和剪切强度定量评价结果的偏差。基于结构面剪切行为,从多角度选取粗糙度参数,深入分析结构面表面形貌的频谱特征,充分考虑高频成分对于结构面粗糙度和剪切强度的贡献,从而合理有效地定量评价结构面的粗糙度,进而完成结构面峰值剪切强度的定量评价,对岩体结构面剪切强度参数的选取具有重大意义。针对现有结构面粗糙度和结构面峰值剪切强度定量评价方法领域的研究现状和存在的主要问题,本文首先在广泛收集文献中己知结构面粗糙度系数（JRC）值结构面剖面线的基础上,基于因子分析获取了影响结构面粗糙度的起伏角度因子和起伏高度因子,采用支持向量回归（SVR）的方法训练得到了 JRC预测模型。考虑到所提取的起伏高度因子以及文献中常用的起伏高度参数难以有效反映结构面表面形貌中的高频成分对于结构面粗糙度的贡献,基于谱分析的方法在深入分析结构面剖面线频谱特征的基础上,提出了可以同时考虑结构面表面形貌低频和高频起伏成分的起伏高度指标,结合结构面起伏角度参数提出了新的粗糙度参数。基于天然结构面的表面形貌数据和室内常法向荷载下的直剪试验结果对所提出的粗糙度定量评价方法的具体应用以及评价效果进行了检验。进而,针对所提出的基于谱分析的结构面粗糙度参数进行了三维扩展,提出了三维JRC的定量计算方法,并以JRC-JCS剪切强度模型为基础,提出了可以同时考虑结构面表面形貌中高频成分和低频成分对于结构面剪切强度贡献的峰值剪切强度模型。最后,以如美水电站中坝址左岸坝肩岩质边坡为例,在室内小尺寸结构面表面形貌和现场平硐中大尺寸结构面表面形貌扫描的基础上,对研究区结构面的粗糙度进行了定量评价,并对其剪切强度参数进行了估算,结合研究区结构面的空间分布特征对于左岸坝肩边坡的稳定性进行了分析评价。现将本文的主要研究成果总结如下:（1）开展了天然结构面形貌数据的采集工作。分别应用室内和移动式激光扫描仪完成了室内小尺寸结构面的表面形貌数据和研究区现场大尺寸结构面表面形貌数据的采集工作。进而,基于Matlab和Geomagic软件完成了结构面形貌数据的去噪、建模以及三维形貌模型的旋转调平工作。其中,由于野外大尺寸结构面所采用的激光扫描仪精度低于室内激光扫描仪,同时野外现场所存在干扰因素多于室内环境,在对野外大尺寸结构面的形貌数据处理与建模的过程中还涉及高频噪音的滤波工作。（2）提出了基于因子分析和支持向量回归（SVR）的结构面粗糙度定量评价方法。在考虑结构面剪切行为的基础上,从结构面表面突起体的起伏角度、起伏高度以及两者的分布特征等方面入手选取了 8个统计参数用于结构面粗糙度的定量表征。进而,基于因子分析提取了“起伏角因子”和“起伏高度因子”两个公共因子用于JRC值的估算,通过提取公共因子有效避免了原始统计参数之间因彼此所存在的相关性而导致的信息冗余,有效避免了冗余信息对于JRC估算的影响。最后,基于所提取的两个公共因子,以及所收集的已知JRC的结构面剖面线数据库,完成了用于JRC预测的SVR模型的训练。通过与JRC试验反算值以及文献中现有方法的对比验证了所得到SVR模型的可靠性;同时,通过对于所采集的天然结构面样本不同剪切方向的剖面线的JRC的预测结果表明,所训练得到SVR模型同样可以有效反映结构面粗糙度的各向异性特征。（3）分析了现有结构面起伏高度参数无法有效考虑结构面形貌中高频成分的原因。基于单边功率谱密度函数（PSD*）对于Baron所提出的10条标准剖面线的频谱特征进行了分析,揭示了其起伏高度在不同频率成分中的分布特征。结果表明,构成结构面表面形貌的高频成分的起伏高度远远小于低频成分的起伏高度。然而现有用于反映结构面起伏高度的粗糙度参数均未考虑其构成成分的频率值的影响,因而导致在计算的过程中容易忽略高频成分对于结构面粗糙度的贡献。（4）提出了可以同时考虑结构面表面形貌中高频成分和低频成分的结构面粗糙度定量评价参数。首先,为了同时考虑结构面的高频成分和低频成分对于其粗糙度的贡献,在计算其起伏高度参数时同时考虑谐波成分的频率的影响,将结构面谐波成分的频率值作为一个权重参数,施加于每个频率离散区间的谐波成分对于结构面剖面线的平均功率的贡献值之中,提出了新的结构面起伏高度指标Pf。其次,为了反映剪切方向对于结构面粗糙度的影响,对Z2参数进行了修正,在计算Z2时仅仅考虑面向剪切方向的起伏角。同时,为了解决突起体起伏角为90°时Z2参数的计算问题,在Z2参数的计算过程中采用起伏角的正弦值替换其正切值。据此,提出了可以有效反映起伏角度和剪切方向对于结构面粗糙度的影响的经修正后的统计参数Z2*。最后,基于所提出的起伏高度指Pf和起伏角度指标Z2*,提出了新的粗糙度参数PZ。所提出的新的粗糙度参数PZ可以同时考虑结构面的起伏角度特征、起伏高度特征以及剪切方向对于粗糙度评价结果的影响,并通过Pf与剖面线投影长度的比值参数（Pf/Lp）考虑了结构面的尺寸对于其粗糙度的影响。（5）拟合得到了 JRC与粗糙度参数PZ之间的定量关系式。该关系式可以计算JRC的上下限以及其建议值,通过与室内直剪试验以及Z2法的计算结果的对比表明,基于PZ所计算得到JRC建议值的平均值对于砂岩结构面峰值剪切强度的估算误差较小,而基于Z2所计算得到JRC值的平均值对于砂岩结构面峰值剪切强度的估算偏低且误差较大。造成这种现象的主要原因是,本文所提出的粗糙度参数PZ同时考虑了结构面的起伏角度、起伏高度以及剪切方向对于粗糙度的影响,而Z2仅仅考虑了结构面的起伏角度特征。通过对于所采集的结构面样本不同剪切方向上的结构面剖面线的JRC值的计算结果表明,基于新粗糙度参数PZ和Z2法的计算结果均与剪切方向明显相关;因此,在对结构面的粗糙度进行定量分析时,应当确保分析方向与野外实际剪切方向相一致。此外,通过分析采样间距对室内尺寸（100mm）结构面粗糙度的影响,给出了室内尺寸结构面采样间距的建议值。（6）提出了可同时考虑结构面形貌中高频成分和低频成分的峰值剪切强度定量评价模型。为了同时反映结构面形貌中高频成分和低频成分对于剪切强度的影响,综合考虑三维形貌粗糙度对于结构面剪切强度的贡献,基于二维功率谱密度的原理完成了二维粗糙度参数PZ的三维拓展,获取了三维粗糙度参数PZ3D,并得到三维JRC值的计算方法。进而基于Barton所提出的JRC-JCS剪切强度模型得到了可同时考虑结构面表面形貌中高频成分和低频成分的峰值剪切强度定量评价模型:基于所采集的新鲜且吻合度良好的砂岩结构面的三维激光扫描形貌数据,采用所提出的结构面峰值剪切强度定量评价模型完成了砂岩结构面峰值剪切强度的估算。通过与室内直剪试验结果和文献中Grasselli所提出的峰值剪切强度模型对比研究发现,本文所提出的剪切强度模型对于砂岩结构面峰值剪切强度的估算效果良好,与试验值相对误差在0.74%～22.64%之间,相对误差平均值为7.58%;而采用Grasselli法对砂岩结构面样本峰值剪切强度的估算结果与试验结果的相对误差范围在20.14%～74.00%之间,个别样本误差较大,平均相对误差值为38.62%。（7）完成了如美水电站中坝址左坝肩边坡的稳定性分析。①完成了左岸坝肩边坡结构面粗糙度的定量评价。研究区所采集的小尺寸结构面的粗糙度评价结果表明,于研究区所采集的三块英安岩结构面样本的表面形貌均含有明显的高频起伏成分。限于小尺寸结构面样本的数量及尺寸,进一步结合研究区大尺寸结构面的形貌数据对研究区结构面的粗糙度进行了综合评价。基于现场激光扫描所采集的研究区未风化英安岩大尺寸结构面形貌数据（分别为L1,L2和L3）,对大尺寸结构面粗糙度的尺寸效应和各向异性进行了分析,在此基础上对所采集的大尺寸英安岩结构面的粗糙度进行了定量评价。结果显示研究区结构面粗糙度的有效尺寸为0.8m,所采集的三块大尺寸结构面的粗糙度均具有明显的各向异性特征,其JRC值在4～9之间,属平直稍粗糙硬质结构面,与现场地质调查结果相一致。②基于所提出的峰值剪切强度模型对于研究区英安岩结构面的剪切强度参数进行了估算。结果表明基于大尺寸结构面样本L1,L2和L3所估算得到的剪切强度参数与现场大剪试验所得到的硬性结构面的剪切强度参数相一致,反映了本文所提出的峰值剪切强度模型的有效性;③完成了左岸坝肩边坡局部破坏模式分析。选取左岸坝轴线附近的平硐进行了结构面空间分布特征的调查,结合前述研究所得到的结构面的剪切强度参数,对左岸坝肩边坡平硐附近局部边坡的破坏模式进行了分析。分析结果表明:研究边坡在2900m高程以下平硐附近局部边坡可能存在倾倒破坏、平面破坏以及楔形体破坏三种破坏模式,而在2900m高程以上边坡仅在PDZ09附近局部存在倾倒破坏的可能,无其他两种破坏模式。④基于离散元软件UDEC完成了左岸坝肩边坡整体稳定性评价。边坡附近所发育的地表断层、长大裂隙以及平硐内所揭示的小断层等确定性结构面的不利组合对于边坡的整体稳定性起到控制作用,而随机结构面主要影响岩体的力学参数。据此,以左岸坝轴线剖面为例,采用UDEC对于左岸坝肩边坡的整体稳定性进行了计算分析。计算结果表明:坝肩边坡开挖前主要存在两处潜在滑动区域,分别为以PDZ13平硐或PDZ09平硐中所揭露的陡倾断层fP12为后缘,以C6为底滑面所构成的潜在滑动区域H1,和以PDZ07揭露的陡倾断层为后缘,以fj70、fj71或fj72断层为底滑面所构成的潜在滑动区域H2;由于开挖边坡的切脚效应,边坡开挖后主要存在潜在滑动区域H1,潜在滑动区域H2由于坡顶卸载的影响转为稳定区域。依据强度折减法计算得到了各个工况下边坡的稳定性系数,通过与《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）所给出的1级边坡在不同工况下的抗滑稳定安全系数标准的对比可知,天然工况下坝肩边坡在开挖前后均处于稳定状态;在暴雨和地震工况下边坡开挖前处于稳定状态,而边坡在开挖后虽处于临界稳定状态,但其稳定性系数低于抗滑稳定安全系数标准值,需进一步进行支护工作。基于上述研究成果,本论文的主要创新成果可以总结为如下三个方面:（1）提出了基于因子分析和支持向量回归（SVR）的结构面粗糙度定量评价方法。该评价方法基于结构面的剪切行为,在选择具有代表性统计参数的基础上,通过因子分析提取公共因子,进而基于所提取的公共因子完成了 SVR模型的训练,得到了 JRC的非线性确定方法。该方法有效避免了单一统计参数因对结构面形貌特征描述的片面性所带来的粗糙度评价结果偏差,同时通过提取公共因子有效降低了原始参数间因相关性所带来的信息冗余对JRC计算的影响;并且,采用SVR训练得到JRC的非线性确定方法可以克服传统回归分析因计算复杂而无法有效应用的问题。（2）提出了基于谱分析的结构面粗糙度定量评价方法。该评价方法在深入分析结构面形貌频谱特征的基础上,通过考虑结构面形貌中谐波成分频率的影响,提出了可以同时考虑结构面形貌中高频成分和低频成分的起伏高度指标,并结合结构面的起伏角度参数,在考虑剪切方向影响的基础上提出了新的粗糙度参数PZ,进而拟合得到了 JRC与参数PZ之间的相关关系式。该方法考虑了结构面起伏高度、起伏角和剪切方向对粗糙度的影响,克服了传统用于反映结构面起伏高度的参数无法有效体现结构面形貌中高频成分对于粗糙度贡献的困难。（3）提出了可同时考虑结构面形貌中高频成分和低频成分峰值剪切强度定量评价模型。该模型是在对粗糙度参数PZ进行三维拓展的基础上,结合Barton所提出的JRC-JCS剪切强度模型所提出的。该模型形式简洁、易于应用,可同时考虑结构面形貌中高频成分和低频成分以及三维形貌粗糙度对剪切强度的贡献。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王昌硕
导师: 王亮清
关键词: 岩体结构面粗糙度,峰值剪切强度,因子分析,支持向量回归,谱分析
来源: 中国地质大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 中国地质大学
分类号: TU45
DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000136
总页数: 176
文件大小: 13974K
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标签：岩体结构面粗糙度论文; 峰值剪切强度论文; 因子分析论文; 支持向量回归论文; 谱分析论文;