巖體結構數(shù)字的識別和力學參數(shù)表征

巖體結構數(shù)字的識別和力學參數(shù)表征第一頁，共七十一頁，2022年，8月28日研究背景與現(xiàn)狀提綱結構面數(shù)字攝影測量21巖體力學、水力學參數(shù)表征3前景與展望5范各莊應用實例42第二頁，共七十一頁，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀巖體的結構特性巖體是經過地質作用過的、由巖塊和地質

結構面（節(jié)理、裂隙、斷層等）所組成、

具有一定結構特征，賦存于一定地質環(huán)境

（地應力、地下水、地溫等）中的地質體。

不同規(guī)模的節(jié)理、裂隙、斷層等結構面3第三頁，共七十一頁，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀在結構面的五級分類方案中，采礦、水利及交通等工程巖體開挖過程中揭露并需要現(xiàn)場測量的結構面主要包括三級：Ⅲ級：小規(guī)模的次級斷層，規(guī)模較大，數(shù)量較少，和開挖臨空面相互交切組合，主要制約局部危巖體的崩落、滑動方式Ⅳ級：原生的具有一定分布規(guī)律和統(tǒng)計意義的節(jié)理面、卸荷裂隙、風化裂隙等Ⅴ級：連接性極差的微小節(jié)理或隱微裂面Ⅳ級和Ⅴ級數(shù)量大、隨機展布，主要弱化巖體的力學性質4第四頁，共七十一頁，2022年，8月28日不同級別的結構面的空間分布和成組特征，直接影響巖體的工程特性，導致了巖體工程特性參數(shù)如變形、滲透性、強度等的各向異性、非均勻性及離散性，節(jié)理巖體特性參數(shù)的確定一直是計算巖體力學的難點1、研究背景與現(xiàn)狀5第五頁，共七十一頁，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀巖體的力學特性完整巖石隧洞連續(xù)介質連續(xù)介質模型節(jié)理巖石隧洞節(jié)理等效連續(xù)介質模型（各向同性或異性）離散元模型層狀巖石隧洞（巖層與節(jié)理）節(jié)理控制型

結構面斷層復雜巖石隧洞等效連續(xù)介質+接觸

（節(jié)理）單元6第六頁，共七十一頁，2022年，8月28日

巖體滲流力學研究方法大結構：主干裂隙系統(tǒng)

數(shù)量少、規(guī)模大、起主導控制作用

采用離散網(wǎng)絡方法小裂隙：裂隙巖塊系統(tǒng)數(shù)目多、分布廣、提供較大滲流空間

采用連續(xù)介質方法從宏觀上來描述其對滲流場的貢獻采用張量分析計算方法然后，通過兩系統(tǒng)間的水量交換建立聯(lián)系1、研究背景與現(xiàn)狀7第七頁，共七十一頁，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀巖體力學、

水力學參數(shù)數(shù)學模型數(shù)值計算

方法求解結果巖體力學問題求解不可靠無論是哪種模型，其根本的問題是如何確定參數(shù)（張有天）

8第八頁，共七十一頁，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀數(shù)值計算在巖石工程應用中一直存在“聲譽高、信譽低”的問題，制約其在巖石工程應用的技術“瓶頸”問題為：

數(shù)據(jù)不完備的復雜地質系統(tǒng)與理論嚴密的力學模

型之間相互脫節(jié)，巖體結構地學描述的多尺度定

性方法與力學分析的精細定量方法銜接不好巖體參數(shù)和數(shù)值計算的可靠性取決于對

巖體結構面測量和表征的完備程度及數(shù)值模型中對控制結構面

的描述程度關鍵測量和表征巖體結構面9第九頁，共七十一頁，2022年，8月28日結構面測量現(xiàn)狀⑴精測線法和窗口法傳統(tǒng)方法：即通過皮尺和羅盤人工現(xiàn)場逐一接觸測量結構面信息

缺點：采集的信息有限，有些高陡巖體不可能全面接觸，使得測量數(shù)據(jù)的代表性受現(xiàn)場條件的限制.低效、費力、耗時，不安全、甚至難以接近實體和不能滿足現(xiàn)代快速施工的要求

1、研究背景與現(xiàn)狀10第十頁，共七十一頁，2022年，8月28日⑵鉆孔定向取芯技術和孔內照相技術缺點：獲取巖體結構面信息規(guī)模小、應用效果不佳，

該方法可作為工程地質調查的輔助手段1、研究背景與現(xiàn)狀11第十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體結構參數(shù)三維非接觸測量系統(tǒng)3GSM⑶數(shù)字攝影測量技術從奧地利startup公司引進的一套3G軟件和測量產品JointMetriX3D和ShapeMetriX3D是一個全新的、代表當今最高水平的巖體幾何參數(shù)三維不接觸測量系統(tǒng)該系統(tǒng)由一個可以進行高分辨率立體攝像的照相機、進行三維圖像生成的模型重建軟件和對三維圖像進行交互式空間可視化分析的分析軟件包組成。

jointmetrix3d成像系統(tǒng)

shapemetrix3d成像系統(tǒng)

1、研究背景與現(xiàn)狀12第十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日通過標定的高分辨率的圖像照相掃描系統(tǒng)，獲取包括:巖體不連續(xù)面的幾何參數(shù)如間距、面的連通率和方向等信息。由此可推導出巖體的標識參數(shù)、所有的分析都是三維、不接觸并以出處的坐標給出。對該信息進行數(shù)字化建模，建立巖體三維力學模型，在聯(lián)想深騰1800并行計算機上進行滲流、應力等物理過程計算，得到結果導入GOCAD系統(tǒng)中，在我們購進的大型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中演示，有力的支撐了數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實過程研究，并使得該中心具有更好的工程應用前景。

13第十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日3GSM測量原理立體圖像合成原理：兩個圖像上相應點P(u,v)組成三維空間物體點P(x,y,z)（露天邊坡）

軟件系統(tǒng)對不同角度的圖像進行一系列的技術處理如基準標定、像素點匹配、圖像變形偏差糾正等，實現(xiàn)物體表面真三維模型重構，在計算機可視化屏幕上從任何方位觀察三維實體圖像14第十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日3GSM的軟件系統(tǒng)15第十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日

3GSM的軟件系統(tǒng)使用電腦鼠標進行交互式操作來實現(xiàn)每個結構面?zhèn)€體的識別、定位、擬合、追蹤以及幾何形態(tài)信息參數(shù)（產狀、跡長、間距、斷距等）的獲取，并進行紛繁復雜結構面的分級、分組、幾何參數(shù)統(tǒng)計。16第十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日數(shù)字攝影測量3GSM技術創(chuàng)建了一個實時的地質信息交流和反饋

環(huán)境，提高地質紀錄任務的效率，降低不完整信息和信息丟失

的可能性，大大的幫助地質工作者區(qū)分鑒定地質特征，在已完

成工作面節(jié)理圖像的基礎上預測沒完成工作面上弱面的位置和

方向。但是，該技術不和數(shù)值力學計算結合起來，其工作潛力

還遠遠沒有發(fā)揮出來。利用詳實的結構面信息，開展力學分析與計算1、研究背景與現(xiàn)狀17第十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日研究思路測量數(shù)據(jù)不完備的復雜巖體結構系統(tǒng)與理論嚴密的力學模型之間相互脫節(jié)是巖體力學應用的關鍵問題。18第十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日借助于先進的3GSM三維巖體不接觸測量技術，獲取一系列真實描述巖體宏觀結構的數(shù)字圖像，提取節(jié)理幾何形態(tài)空間分布信息；在此基礎上，對于級別較低的節(jié)理面，基于考慮節(jié)理統(tǒng)計分布的幾何損傷理論、Hoek-Brown系統(tǒng)和輔以現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)修正的裂隙樣本法，建立巖體力學、水力學參數(shù)表征方法；對級別較高的結構面按節(jié)理單元處理，實現(xiàn)巖體結構參數(shù)（幾何形態(tài)和力學性質）數(shù)字信息與力學分析的精細定量計算有機銜接，建立能反映控制結構面真實空間分布、充分考慮各級別結構面作用的三維巖體破壞過程分析數(shù)值模型，為巖體工程結構穩(wěn)定性分析和破壞機理研究提供更加真實、可靠的手段。研究思路19第十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構結構面數(shù)字攝影測量左視圖

基準點右視圖

基準點合成三維圖20第二十頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構邊坡巖體中節(jié)理分布情況第一組節(jié)理參數(shù)統(tǒng)計

第二組節(jié)理參數(shù)統(tǒng)計

兩組節(jié)理赤平極射投影

21第二十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構第一組結構面幾何參數(shù)(部分)第二組結構面幾何參數(shù)(部分)22第二十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日第一組第二組跡長(負指數(shù))傾向(正態(tài))傾角(對數(shù)正態(tài))跡長(對數(shù)正態(tài))傾向(正態(tài))傾角(正態(tài))2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構23第二十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構組別結構面幾何參數(shù)特征值傾向（°）傾角（°）跡長（m）間距（m）斷距（m）分布率均值標準差分布率均值標準差分布率均值標準差分布率均值標準差分布率均值標準差1正態(tài)256.385.3對數(shù)正態(tài)26.615.3負指數(shù)0.480.31負指數(shù)0.640.75均勻0.460.202正態(tài)19778.1正態(tài)62.517.2對數(shù)正態(tài)0.490.36負指數(shù)1.561.5均勻0.710.32結構面幾何參數(shù)概率模型24第二十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構一組結構面的間距s和斷距d的確定

25第二十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構三維形態(tài)重構在3GSM三維巖體不接觸測量數(shù)字圖像系統(tǒng)基礎上，對空間分布不同級別結構面的進行準確識別，實現(xiàn)巖體結構幾何形態(tài)空間分布的數(shù)字表征，利用可視化編程平臺VisualC++和AUTOCAD08系統(tǒng)開發(fā)結構面空間展布可視化三維模型（AUTOCAD格式），得到不同級別、組別結構面幾何形態(tài)參數(shù)。

26第二十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日

(a)隧道圍巖斷面1圖像

(b)斷面1節(jié)理分布

(c)多斷面組合形成三維節(jié)理展布

斷面1

斷面2

斷面3

模型重構

節(jié)理單元

密集節(jié)理構成等效實體單元

圍巖圖片

節(jié)理識別

大比例節(jié)理

小比例節(jié)理

27第二十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構生成的10×10×10m3三維裂隙內部分布

生成的10×10×10m3裂隙網(wǎng)絡

對于統(tǒng)計型節(jié)理，假定節(jié)理面形狀為圓盤狀，即Baecher圓盤模型，利用Mont-Carlo方法重構三維裂隙網(wǎng)絡28第二十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構ABA-A剖面B-B剖面29第二十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、結構面數(shù)字攝影測量與三維形態(tài)重構30第三十頁，共七十一頁，2022年，8月28日3、巖體力學、水力學參數(shù)表征巖體力學參數(shù)表征現(xiàn)場原位試驗法：獲得參數(shù)最為準確，但時間長、費用高等效折減法：對于工程巖體參數(shù)表征和力學分析計算，一般基于傳統(tǒng)的測線法采集巖體結構面信息數(shù)據(jù)，進行巖體參數(shù)的等效折減：采用巖體完整性系數(shù)修正法、費先科方法、Gergi方法、分形維理論、蒙特卡洛方法等統(tǒng)計方法并結合RMR系統(tǒng)、Q系統(tǒng)和Hoek-Brown系統(tǒng)，同時參考室內巖塊強度指標來確定巖體強度指標。31第三十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3、巖體力學、水力學參數(shù)表征巖體力學參數(shù)表征基于幾何損傷力學理論確定巖體的初始損傷張量，由此確定巖體初始彈性模量基于Hoek-Brown公式的m，s參數(shù)（反映巖體軟硬程度和結構面分布密度）和GSI（地質體強度指數(shù)），結合詳實的巖體結構測量信息，定量估計巖體強度對于Ⅳ結構面（原生統(tǒng)計結構面）和Ⅴ級結構面（開挖擾動次生結構面），其平均間距小于研究區(qū)域模型邊界尺寸的1/20時，按照等效連續(xù)介質考慮：32第三十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體初始彈性模量由幾何損傷張量理論，含節(jié)理巖體的初始損傷由下式計算：式中，l——節(jié)理面最小間距；

V——研究的含節(jié)理巖體體積；

N——節(jié)理的數(shù)量；

ak——第K條節(jié)理的面積；

nk——第K條節(jié)理的法矢量；通過上式計算三維條件下裂隙巖體損傷張量，根據(jù)式Em=（I-D）Er式中：Em——巖體初始彈性模量；

Er——巖塊彈性模量。33第三十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體強度定量估算推廣后的Hoek-Brown準則為：式中：——巖體破壞時的最大主應力

——巖體破壞時的最小主應力；

——組成巖體完整巖塊的單軸抗壓強度；

——巖體的Hoek-Brown常量；

——組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)。34第三十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日對于GSI>25的巖體：對于GSI<25的巖體：GSI為巖體的地質強度指標。巖體強度定量估算35第三十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體強度定量估算表1由巖石類型所決定的Hoek-Brown常量mI表2巖體結構特征定量描述的Jv表示36第三十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日37第三十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體滲透系數(shù)確定現(xiàn)場測試法單孔壓水試驗、三段壓水試驗、修正滲透張量壓水試驗、三孔交叉壓水試驗

由于裂隙巖體滲透性的離散程度大，現(xiàn)場測試法的結果具有尺寸效應單孔壓水試驗得出的滲透系數(shù)是無方向性的標量，其理論基礎是各向同性的孔隙介質，故所得K值不能反映裂隙巖體滲透性的非均勻性和各向異性三段壓水試驗、修正滲透張量的壓水試驗等方法，試驗成本較高且均具有自身的局限性應用廣泛的是現(xiàn)場測試法和裂隙樣本法38第三十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體滲透系數(shù)確定裂隙樣本法現(xiàn)場收集和統(tǒng)計研究巖區(qū)的裂隙網(wǎng)絡的傾向、傾角、開度、分布、粗糙度、連通度等，然后依據(jù)單裂隙滲流理論和張量分析方法獲得裂隙網(wǎng)絡的滲透系數(shù)及主滲透方向等

裂隙樣本法在理論上己比較完善，不足之處是由于裂隙的隙寬、隙壁粗糙度、填充物以及連通度難以準確測量而未能考慮這些因素的影響兩者相結合，采用裂隙樣本法確定巖體的滲透張量，并輔以現(xiàn)場測試法的數(shù)據(jù)進行修正，既能較好反映原位地質環(huán)境裂隙巖體滲透性又能消除壓水試驗尺寸效應，克服單孔壓水試驗不能反映滲透各向異性的不足該技術途徑不但適合工程巖體宏觀滲流分析的特點，而且能夠較為深刻地認識裂隙滲流的本質。

39第三十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日裂隙樣本法確定滲透張量滲流區(qū)域裂隙網(wǎng)絡示意圖如圖所示，二維滲流區(qū)域MN和M‘N’為定水頭邊界，MM‘和NN’為零流量邊界，由下式得其裂隙網(wǎng)絡滲流數(shù)學模型為式中，未知量為內節(jié)點和零流量邊界節(jié)點的水頭H；方程式中q包含有H項，其中第j線元的流量由單一裂隙滲流公式求得：MN，M'N'之間的等效滲透系數(shù)為：40第四十頁，共七十一頁，2022年，8月28日裂隙樣本法確定滲透張量對每隔15度方向的單元網(wǎng)絡施加上圖所示的水頭邊界條件，并用流量等效原則計算出水流流入（或流出）研究區(qū)域內的流量，由式可得網(wǎng)絡整體的滲透系數(shù)。據(jù)對稱性，一般選取6個方向的研究網(wǎng)絡，可得不同方向的滲透系數(shù)，進而求出網(wǎng)絡單元的滲透張量。完整裂隙網(wǎng)絡連通裂隙網(wǎng)絡滲透系數(shù)張量圖41第四十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日范各莊應用實例

開灤范各莊煤礦是我國自行設計、施工的一座大型現(xiàn)代化礦井，礦區(qū)的水文地質條件極其復雜。含煤地層屬石炭二疊系，主要可采煤層為下二疊統(tǒng)大苗莊組的5煤層、7煤層、9煤層和上石炭統(tǒng)的趙各莊組12煤層。其中12煤層位于本區(qū)煤系地層的下部，為復雜結構的厚煤層，煤層厚度1.05~8.32m，平均厚度為3.54m，在煤炭開采過程中底板砂巖破壞誘發(fā)突水事故頻繁。根據(jù)開灤范各莊煤礦的復雜地質條件，12煤底板含水砂巖層內含有平均壓力為2MPa的承壓水，精確查明該巖體的力學、水力學參數(shù)對于分析底板含水砂巖層破斷突水機理具有重要的科學意義。范各莊煤礦砂巖巖體條件42第四十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日巖體結構測量

本次采用3GSM設備于08年10月7日在-530m水平12煤底板砂巖巷道中進行。左視圖右視圖43第四十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日系統(tǒng)根據(jù)像素點對應合成得到掌子面三維表面圖

1組節(jié)理2組節(jié)理在合成的三維圖上，根據(jù)主要的節(jié)理裂隙的分布情況，對其進行分組，不同顏色代表不同的組，主要的裂隙分布有兩組，即右圖中的黃色組和紅色組。巖體結構測量44第四十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日組別結構面幾何參數(shù)特征值傾向（°）傾角（°）跡長（m）間距（m）斷距（m）分布率均值標準差分布率均值標準差分布率均值標準差分布率均值標準差分布率均值標準差1294.543.76016.31.290.790.520.170.520.22266.918.3均勻57.111.90.750.49正態(tài)0.370.140.760.35傾伏角概率模型統(tǒng)計表組別分布率均值標準差1負指數(shù)4829.72正態(tài)1336.2節(jié)理面概率模型統(tǒng)計45第四十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日

評價范各莊煤礦12煤底板突水危險性，需要分析砂巖巖體下部奧陶系灰?guī)r層中承壓水沿砂巖巖體垂直方向的裂隙向上滲透，計算砂巖巖體垂直方向的滲透系數(shù)十分關鍵。所以，為了簡化計算，建立砂巖巖體垂直方向二維X-Z方向裂隙網(wǎng)絡模型，開展X-Z方向滲透張量分析研究。模擬生成裂隙網(wǎng)絡的區(qū)域為16m×16m選取測定滲透張量的區(qū)域邊長分別為

3m、5m、8m、9m、10m固定區(qū)域的中心點，逆時針旋轉矩形，每隔15°計算一次裂隙網(wǎng)絡的滲透系數(shù)，最終求得的滲透張量范各莊砂巖裂隙網(wǎng)絡模擬及滲透張量分析46第四十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日范各莊砂巖裂隙網(wǎng)絡模擬及滲透張量分析∠0°∠0°∠45°∠45°完整裂隙網(wǎng)絡連通裂隙網(wǎng)絡47第四十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

滲透張量（×10-6m/s）

右圖直觀地反映出網(wǎng)絡滲透特性受控于結構面幾何分布規(guī)律。計算結果表明，隨著研究域的增大，滲透系數(shù)主值逐漸減小，當研究區(qū)域為9m左右時，滲透張量的主值已很接近，9m與10m計算的各方向的滲透系數(shù)的最大誤差為5.79%。可見，10m×10m可作為滲透張量的表征單元體，得到的最大滲透系數(shù)Kmax=1.42×10-6m/s，最小滲透系數(shù)Kmin=6.67×10-7m/s，方向角為45°，Kmax/Kmin=2.13。不同尺度時的裂隙滲透系數(shù)主值研究區(qū)域3m5m8m9m10m滲透系數(shù)主值（×10-6m/s）最大1.921.791.511.461.42最小0.9820.8040.8020.7060.667范各莊砂巖裂隙網(wǎng)絡模擬及滲透張量分析48第四十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日當用Hoek-Brown準則估計節(jié)理化巖體強度指標與力學參數(shù)時，需用3個基本參數(shù)(1)組成巖體的完整巖塊的單軸抗壓強度σc

；(2)組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)m1（查表）(3)巖體的地質強度指標GSI（查表）范各莊煤礦砂巖節(jié)理化巖體強度計算49第四十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日完整巖塊的單軸抗壓強度=175MPa，掌子面面積6.2m2；節(jié)理條數(shù)：22；Jv=4，GSI=60，砂巖m1=19由得mb=4.553摩擦角 φ＝40.195；內聚力 c=10.148MPa巖體的單軸抗拉強度σtm=-0.451MPa節(jié)理化巖體抗壓強度σcm=43.717MPa范各莊煤礦砂巖節(jié)理化巖體強度計算最終求得：50第五十頁，共七十一頁，2022年，8月28日滲流場計算煤層底板上覆巖層載荷6MPa整個模型由泥巖、12煤、隔水泥巖層、含水砂巖層、奧陶系灰?guī)r層組成。

51第五十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日滲流場計算52第五十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日滲流場計算θ=0°水壓力和速度場矢量θ=18°水壓力和速度場矢量53第五十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日滲流場計算θ=90°水壓力和速度場矢量θ=144°水壓力和速度場矢量54第五十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日5、前景與展望巖體參數(shù)和數(shù)值計算的可靠性取決于對巖體結構面測量和表征