岩体结构数字的识别和力学参数表征

岩体结构数字的识别和力学参数表征第一页，共七十一页，2022年，8月28日研究背景与现状提纲结构面数字摄影测量21岩体力学、水力学参数表征3前景与展望5范各庄应用实例42第二页，共七十一页，2022年，8月28日1、研究背景与现状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、裂隙、断层等结构面3第三页，共七十一页，2022年，8月28日1、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括三级：Ⅲ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Ⅳ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Ⅴ级：连接性极差的微小节理或隐微裂面Ⅳ级和Ⅴ级数量大、随机展布，主要弱化岩体的力学性质4第四页，共七十一页，2022年，8月28日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、研究背景与现状5第五页，共七十一页，2022年，8月28日1、研究背景与现状岩体的力学特性完整岩石隧洞连续介质连续介质模型节理岩石隧洞节理等效连续介质模型（各向同性或异性）离散元模型层状岩石隧洞（岩层与节理）节理控制型

结构面断层复杂岩石隧洞等效连续介质+接触

（节理）单元6第六页，共七十一页，2022年，8月28日

岩体渗流力学研究方法大结构：主干裂隙系统

数量少、规模大、起主导控制作用

采用离散网络方法小裂隙：裂隙岩块系统数目多、分布广、提供较大渗流空间

采用连续介质方法从宏观上来描述其对渗流场的贡献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1、研究背景与现状7第七页，共七十一页，2022年，8月28日1、研究背景与现状岩体力学、

水力学参数数学模型数值计算

方法求解结果岩体力学问题求解不可靠无论是哪种模型，其根本的问题是如何确定参数（张有天）

8第八页，共七十一页，2022年，8月28日1、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：

数据不完备的复杂地质系统与理论严密的力学模

型之间相互脱节，岩体结构地学描述的多尺度定

性方法与力学分析的精细定量方法衔接不好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9第九页，共七十一页，2022年，8月28日结构面测量现状⑴精测线法和窗口法传统方法：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、研究背景与现状10第十页，共七十一页，2022年，8月28日⑵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、研究背景与现状11第十一页，共七十一页，2022年，8月28日岩体结构参数三维非接触测量系统3GSM⑶数字摄影测量技术从奥地利startup公司引进的一套3G软件和测量产品JointMetriX3D和ShapeMetriX3D是一个全新的、代表当今最高水平的岩体几何参数三维不接触测量系统该系统由一个可以进行高分辨率立体摄像的照相机、进行三维图像生成的模型重建软件和对三维图像进行交互式空间可视化分析的分析软件包组成。

jointmetrix3d成像系统

shapemetrix3d成像系统

1、研究背景与现状12第十二页，共七十一页，2022年，8月28日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。

13第十三页，共七十一页，2022年，8月28日3GSM测量原理立体图像合成原理：两个图像上相应点P(u,v)组成三维空间物体点P(x,y,z)（露天边坡）

软件系统对不同角度的图像进行一系列的技术处理如基准标定、像素点匹配、图像变形偏差纠正等，实现物体表面真三维模型重构，在计算机可视化屏幕上从任何方位观察三维实体图像14第十四页，共七十一页，2022年，8月28日3GSM的软件系统15第十五页，共七十一页，2022年，8月28日

3GSM的软件系统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，并进行纷繁复杂结构面的分级、分组、几何参数统计。16第十六页，共七十一页，2022年，8月28日数字摄影测量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。利用详实的结构面信息，开展力学分析与计算1、研究背景与现状17第十七页，共七十一页，2022年，8月28日研究思路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。18第十八页，共七十一页，2022年，8月28日借助于先进的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。研究思路19第十九页，共七十一页，2022年，8月28日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左视图

基准点右视图

基准点合成三维图20第二十页，共七十一页，2022年，8月28日2、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

21第二十一页，共七十一页，2022年，8月28日2、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)22第二十二页，共七十一页，2022年，8月28日第一组第二组迹长(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、结构面数字摄影测量与三维形态重构23第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日2、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24第二十四页，共七十一页，2022年，8月28日2、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

25第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日2、结构面数字摄影测量与三维形态重构三维形态重构在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空间分布的数字表征，利用可视化编程平台VisualC++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。

26第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日

(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

27第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日2、结构面数字摄影测量与三维形态重构生成的10×10×10m3三维裂隙内部分布

生成的10×10×10m3裂隙网络

对于统计型节理，假定节理面形状为圆盘状，即Baecher圆盘模型，利用Mont-Carlo方法重构三维裂隙网络28第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日2、结构面数字摄影测量与三维形态重构ABA-A剖面B-B剖面29第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日2、结构面数字摄影测量与三维形态重构30第三十页，共七十一页，2022年，8月28日3、岩体力学、水力学参数表征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-Brown系统，同时参考室内岩块强度指标来确定岩体强度指标。31第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日3、岩体力学、水力学参数表征岩体力学参数表征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Ⅳ结构面（原生统计结构面）和Ⅴ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：32第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日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：式中，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。33第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日岩体强度定量估算推广后的Hoek-Brown准则为：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。34第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日对于GSI>25的岩体：对于GSI<25的岩体：GSI为岩体的地质强度指标。岩体强度定量估算35第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日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36第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日37第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日岩体渗透系数确定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

由于裂隙岩体渗透性的离散程度大，现场测试法的结果具有尺寸效应单孔压水试验得出的渗透系数是无方向性的标量，其理论基础是各向同性的孔隙介质，故所得K值不能反映裂隙岩体渗透性的非均匀性和各向异性三段压水试验、修正渗透张量的压水试验等方法，试验成本较高且均具有自身的局限性应用广泛的是现场测试法和裂隙样本法38第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日岩体渗透系数确定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。

39第三十九页，共七十一页，2022年，8月28日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M‘N’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线元的流量由单一裂隙渗流公式求得：MN，M'N'之间的等效渗透系数为：40第四十页，共七十一页，2022年，8月28日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41第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日范各庄应用实例

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1.05~8.32m，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。范各庄煤矿砂岩岩体条件42第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日岩体结构测量

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43第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日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44第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日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45第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日

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，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16m×16m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46第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日范各庄砂岩裂隙网络模拟及渗透张量分析∠0°∠0°∠45°∠45°完整裂隙网络连通裂隙网络47第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日

渗透张量（×10-6m/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，10m×10m可作为渗透张量的表征单元体，得到的最大渗透系数Kmax=1.42×10-6m/s，最小渗透系数Kmin=6.67×10-7m/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48第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日当用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σc

；(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）范各庄煤矿砂岩节理化岩体强度计算49第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日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=4.553摩擦角 φ＝40.195；内聚力 c=10.148MPa岩体的单轴抗拉强度σtm=-0.451MPa节理化岩体抗压强度σcm=43.717MPa范各庄煤矿砂岩节理化岩体强度计算最终求得：50第五十页，共七十一页，2022年，8月28日渗流场计算煤层底板上覆岩层载荷6MPa整个模型由泥岩、12煤、隔水泥岩层、含水砂岩层、奥陶系灰岩层组成。

51第五十一页，共七十一页，2022年，8月28日渗流场计算52第五十二页，共七十一页，2022年，8月28日渗流场计算θ=0°水压力和速度场矢量θ=18°水压力和速度场矢量53第五十三页，共七十一页，2022年，8月28日渗流场计算θ=90°水压力和速度场矢量θ=144°水压力和速度场矢量54第五十四页，共七十一页，2022年，8月28日5、前景与展望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