结构面粗糙度系数的三维分形表征.pdf

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1、第45卷第19期人民长江Vo1．45，No．192014年10月YangtzeRiverOct．，2014文章编号：1001—4179(2014)19—0063—05结构面粗糙度系数的三维分形表征游志诚，王亮清，-g云峰，杨艳霞2(1．中国地质大学工程学院，湖北武汉430074；2．西北综合勘察设计研究院，陕西西安710000)摘要：结构面粗糙度对结构面的抗剪强度有重要影响，进而影响工程岩体的变形破坏行为。基于高精度三维激光扫描技术，以贵州某水库拱坝基岩结构面为研究对象，现场采取泥质白云岩结构面、白云

2、岩结构面、泥质白云岩与白云岩接触面三类优势结构面并对各岩样结构面表面进行扫描，获取三维形貌数据，建立了数字高程模型。采用MATLAB软件编写立方体覆盖法程序，进而精确求取每个结构面的三维分形维数，同时采用均方根方法估算每个结构面的三维粗糙度系数，然后建立两者之间的关系式。研究结果为将结构面粗糙度系数表征方法从二维拓展到三雏提供了一种新思路。关键词：结构面粗糙度系数；结构面；分形维数；三维激光扫描仪中图法分类号：P642文献标志码：A结构面的粗糙度系数(JRC)是影响结构面抗剪强了用5个形貌参数来描述结

3、构面的三维粗糙特征，并度的重要因素，目前国内外报道的JRC确定方法有很得到了一定的认可，从三维的角度来研究结构面的多种，但是这些方法大多是基于某一条轮廓线来研究粗糙度已经成为该领域的研究趋势。结构面分形维数和粗糙度，而三维形貌特征是结构面由Mandelbrot发展起来的分形几何在岩体结构面的固有本性，用二维参数描述三维特征不可避免会出的粗糙度系数(JRC)研究中已日趋活跃，并且分形理现遗漏和局限⋯，与此同时，表面形貌数据无法精确论逐渐成为处理复杂系统的有力工具。杜时贵、获取是粗糙度研究的障碍，因此开展

4、基于三维激光扫Kulatilake等lo]、Xie等研究了结构面的粗糙度及描技术的三维分形维数与岩体结构面粗糙度系数关系其分形特征，但均是基于二维剖面线来研究结构面的研究具有十分重要的理论意义与工程应用价值。分形特征，而二维分形维数无法反映轮廓表面的三维自N．Barton和V．Choubey最早提出结构面粗糙分形特征¨。同时，结构面表面的分形维数是一个几度系数以来，JRC已成功应用到50多个工程当中，其何意义上的参数，由于计算机和数据采集技术不够成在工程岩体稳定性分析当中的作用已不能忽视。熟，已有成果

5、均是建立在经验估算的基础之上，不确定前人对二维JRC的研究已经取得了丰硕的成果，Bar-性很大。随着非接触式数据采集技术以及计算机技术ton的直边法、王岐的伸长率法[53、Turk的直接测量的高速发展，使得结构面三维形貌特征的进一步研究法等，虽然这些研究为相应的工程应用实践提供了成为了可能。已经有学者对结构面三维形态的分形特理论支撑，但是这些方法均着眼于结构面表面二维参征进行了研究，如投影覆盖法⋯、三角形棱柱表面积数，难以真实反映结构面表面三维形貌特征，基于此求法t3]和立方体覆盖法等。得的JRC”运

6、用到JRC—JCS模型中，获取的结构面抗国内外学者LeeH和谢和平等研究了JRC。。与剪强度也有所偏颇。G．Grasselli等提出从节理的三维D之间的关系，从分形维数角度定量地研究结构面的形貌分析出发描述结构面抗剪强度，Belem等提出粗糙度一度成为较为有效的方法。虽然这些成果中的收稿日期：2014—07—01基金项目：国家重点基础研究发展计划“973”项目资助(2011CB710604)；国家自然科学基金资助项目(41372310)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUG090104)作者

7、简介：游志诚，男，硕士研究生，从事岩土、工程地质等方面的研究。E—mail：youzhichengcug@163．corn第19期游志诚，等：结构面粗糙度系数的三维分形表征67(2)实现了立方体覆盖法和三维粗糙度系数计算665—668．的编程计算。[1O]KulatilakePHSW，BalasingamRparkJ，eta1．Naturalrockjointroughnessquantificationthroughfractaltechniques[J]．Geotechnical(3)建立了结构面

8、粗糙度系数和三维分形维数之andGeologicalEngineering，2006，(24)：1181—1202．间的关系式，给三维粗糙度研究提供了新思路。[11]XieHeping，WangJinan，XieWeihong．Fractalefectsofsurface(4)本文所选结构面岩样粗糙程度较为规则，无roughnessonthemechanicalbehaviorofrockjoints[J]．Chaos，Soli—法代表所有结构面类型，因