专利名称：岩体结构面粗糙度系数简易测量方法
技术领域：
本发明涉及岩体结构面粗糙度系数简易测量方法，适用于对取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线测量粗糙度系数JRCn值的场合。
背景技术：
在本发明作出之前，目前获得结构面粗糙度系数JRC的主要测量法是Barton(1982)提出的根据不同取样长度结构面表面轮廓曲线的幅度确定粗糙度系数JRCn的直边图法[3]，如附图1所示。目前分析修正直边法的物理意义及JRC的尺寸效应的基础上推导出了修正直边法的数学表达式(1)JRCn=49.2114e29L0450Lnarctan[8RyLn]---(1)]]>测量取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线粗糙度系数JRCn值的计算或估测技术为修正直边法数学公式计算法或修正直边法图解估测法修正直边法数学公式计算法是根据特定取样长度Ln的岩体结构面表面轮廓曲线上测量得到的凸齿幅度Ryn，利用公式JRCn=49.2114e29L0450Lnarctan[8RYnLn]]]>计算岩石结构面的粗糙度系数值JRCn，由于公式复杂，计算麻烦，一般需借助计算器或编制程序由计算机进行计算粗糙度系数JRCn值，这不适用于野外现场结构面粗糙度系数的测量；修正直边法图解估测法是根据特定取样长度Ln的岩石结构面表面轮廓曲线上测量得到的凸齿幅度Ryn，在L(横坐标)-Ry(纵坐标)关系图上找出Ln与Ryn的交点，并由该交点确定JRCn值，该技术手续更加繁琐，估测速度更慢。修正直边法数学公式计算法和修正直边法图解估测法均不便于具各质异性、各向异性和非均一性的岩石结构面粗糙度系数JRCn的统计测量。
发明内容本发明的任务是克服现有技术计算公式复杂、不便于口算或估测技术繁琐、估测量速度慢的缺点，提供一种形式简单，使用方便，测量速度快，使用效果好的岩体结构面粗糙度系数简易测量方法。
本发明的岩体结构面粗糙度系数简易测量方法包含以下步骤(1)测量取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线的凸齿幅度Ryn；(2)由公式RA=RYnLn]]>计算取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线的相对凸齿幅度值RA；(3)将RA代入公式JRCn＝400RA即得取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线粗糙度系数JRCn。
上述公式是从直边图的几何性质出发，推导出上述结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式。
为了描述方便及研究的统一需要，在研究Barton直边图之前作两点说明(1)为区别起见，将直边图上标识在齿凸幅度上的数据称为齿凸幅度的标识值，标识在轮廓曲线长度上的数据称为轮廓曲线长度的标识值，而标识值相对应的测量长度称为其刻度值；(2)将直边图中的齿凸幅度的标识值和轮廓曲线长度的标识值的单位均换算为cm。
直边图的基本特点如下(1)标识值不均匀无论是齿凸幅度的标识值还是轮廓曲线长度的标识值，在直边图中都显示出先疏后密的特征，例如，在图中，可以明显看出，齿凸幅度标识值0.1cm与标识值0.2cm的间距比标识值0.2cm与标识值0.3cm的间距长、轮廓曲线长度标识值100cm与标识值200cm的间距也比标识值200cm与标识值300cm的间距长，而且两者的疏密程度是基本一致的，若我们分别将齿凸幅度标识值0.01cm、轮廓曲线长度标识值10cm作为测量起点，通过直尺测量可得到齿凸幅度标识值(用Ry表示)与其刻度值(用y表示)的对应表1与轮廓曲线长度标识值(用Ln表示)与其刻度值(用x表示)的对应表2表1齿凸幅度标识值Ry与刻度值y的对应表
表2轮廓曲线长度标识值Ln与刻度值x的对应表
分析表1、表2，发现齿凸幅度标识值与其刻度值、轮廓曲线长度标识值与其刻度值之间存在一致的对数关系，为获得齿凸幅度标识值与其刻度值数学关系式，列出齿凸幅度标识值与其刻度值的数学关系式求解表3、为获得轮廓曲线长度标识值与其刻度值的数学关系式，列出轮廓曲线长度标识值与其刻度值的数学关系式求解表4。
表3齿凸幅度标识值与其刻度值的数学关系式求解表
表4轮廓曲线长度标识值与其刻度值的数学关系式求解表
从求解表3、表4得出齿凸幅度标识值Ry与齿凸幅度刻度值y的数学关系式(2)和轮廓曲线长度标识值Ln与轮廓曲线长度刻度值x的数学关系式(3)y＝2.8lg100Ry(2)x＝2.8lg0.1Ln(3)为考察(2)式表达齿凸幅度标识值Ry与齿凸幅度刻度值y的关系的准确性，列出同一齿凸幅度标识值下测量刻度值与计算刻度值的对比表5。为考察(3)式表达轮廓曲线长度标识值Ln与轮廓曲线长度刻度值x的数学关系的准确性，列出同一轮廓曲线长度标识值下测量刻度值与计算刻度值的对比表6。
表5同一齿凸幅度标识值下测量刻度值与计算刻度值的对比表
表6同一轮廓曲线长度标识值下测量刻度值与计算刻度值的对比表
分析表5、表6发现，无论是齿凸幅度还是轮廓曲线长度，同一标识值下的测量刻度值与计算刻度值吻合度高，经计算，误差范围都在2％以内，式(2)、式(3)分别来刻画齿凸幅度标识值与其刻度值的关系式和轮廓曲线长度标识值与其刻度值之间的关系式是相当精确的。
(2)从图中观察得出，当轮廓曲线长度标识值等于10cm(即实验室尺寸L0＝10cm)时，JRC0标识值恰是该轮廓曲线上的齿凸幅度标识值(单位是cm)的40倍(JRC0=40Ry0),]]>例如L0＝10cm，Ry0=0.3cm,]]>查图得JRC0＝12；(3)图中的所有斜线都平行且斜率为1；(4)同一斜线上的所有点的JRC标识值都相同，它们既是该斜线在Ln＝1000cm处的JRC标识值，同时也是该斜线在L0＝10cm处的齿凸幅度标识值Ry0的40倍。如果我们将图中底边轮廓曲线长度所在的边框(即轮廓曲线长度标识值L0＝10cm所在的直线)作为x轴，左边齿凸幅度所在的边框(即齿凸幅度标识值Ry0=0.01cm]]>所在的直线)作为y轴，建立基于刻度值的平面直角坐标系，那么斜线在y轴上的截距b(刻度值b)对应的标识值Ryb就是实验室尺寸L0＝10cm下的齿凸幅度标识值Ry0，为此通过截距b的斜线上所有点的JRC值都等于该齿凸幅度标识值Ry0的40倍。
通过以上分析，我们可以推导出结构面粗糙度系数Barton直边法的简明公式(I)基于刻度值的平面直角坐标系的建立以底边轮廓曲线长度所在的边框(即轮廓曲线长度标识值L0＝10cm所在的直线)作为x轴，左边齿凸幅度所在的边框(即齿凸幅度标识值Ry0=0.01cm]]>所在的直线)作为y轴，建立基于刻度值的平面直角坐标系(如图2)；
(II)交点坐标的标识值与刻度值的转换一般情形下，给定一组获得的轮廓曲线长度标识值Ln与齿凸幅度标识值Ry，则由Ln与Ry可确定一个交点A，利用式(2)和式(3)，得到交点的刻度值坐标为A(2.81g0.1Ln，2.81g100Ry)，例L0＝10cm，Ry＝0.01cm对应点刻度值坐标是(0，0)；(III)截距的求取过点A作一条斜率为1的直线，则这条直线的方程为y＝x+(2.81g100Ry-2.81g0.1Ln)，从而获得该斜线在y轴上的截距刻度值b，有b=2.81g100Ry-2.81g0.1Ln=2.81g(1000RyLn)---(4)]]>(IV)JRC值的获得设截距刻度值b的对应的齿凸幅度标识值为Ryb，则由式(2)得b=2.81g100Ryb---(5)]]>对照式(4)和式(5)得2.81g(1000RyLn)=2.81g100Ryb]]>化简整理后得到轮廓曲线长度标识值L0＝10cm时齿凸幅度标识值Ryb=10RyLn]]>由直边图的基本特点(4)得，对于给定的Ry与Ln，有JRCn=40Ryb=40×10RyLn=400×RyLn---(6)]]>
设相对幅度RA=RyLn,]]>从而Barton直边法的简明公式JRCn＝400RA(7)本发明的有益效果是形式简单，使用操作方便，测量速度快，不受人为因素影响且精度满足要求，而且测量结果已经体现了粗糙度系数的尺寸效应影响，同时为定量统计分析具各质异性、各向异性、非均一性和尺寸效应的岩石结构面粗糙度系数提供了有效的手段，便于心算，特别适用于野外现场的岩体结构面粗糙度系数测量，具有较大的实施价值和社会经济效益。
图1Barton的直边图法图2Barton直边法的简明公式的推导图具体实施方式
表7为本发明的实施例。根据临安大石谷凝灰岩节理不同取样长度的结构面表面轮廓曲线齿凸幅度Ryn的测量结果，不借助计算器或计算机就可以由公式RA=RYnLn]]>计算取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线的相对凸齿幅度值RA和公式JRCn＝400RA计算的取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线粗糙度系数JRCn，测量结果列于表7。表7即临安大石谷凝灰岩节理不同取样长度结构面的粗糙度系数值。检验结果表明，表1的粗糙度系数JRCn与修正直边法数学公式计算法或修正直边法图解估测法求得的结果是一致的。三种方法获得的JRC值非常相近，且误差在JRC测量允许范围之内，说明式(7)可用于岩体结构面粗糙度系数JRC的测量。
表7图解直边法、修正直边法数学表达和简明公式求得JRC
分析上述表7可归纳为以下结论(1)以大量试验为基础的Barton直边图使JRC的测量进入定量化研究的领域，它具有明确的物理意义，能客观反映表面形态的力学效应。此外，它还具有操作简便，测量直观，精度保证的优点，但测量速度较慢，不适合于大数据量的统计测量。
(2)修正直边图的数学表达是在物理力学机制的研究基础和大量小浪底工程实例中推导出来的，它准确地反映了直边图的JRC的数值求解，而且借助计算机可进行快速地统计测量，但形式上比较麻烦，不适合野外快速测量。
(3)Barton直边法的简明公式是以Barton直边图为研究基础，利用数学几何学性质进行严密推理得到的，通过实践检验是完全符合JRC的测量要求的，并在实际工程中进行了应用，而且该公式在形式上非常简明，无需使用计算器就可由心算处理，适合野外现场统计测量，是结构面粗糙度系数定向统计测量的理想工具。
权利要求
1.一种岩体结构面粗糙度系数简易测量方法，包含以下步骤(1)测量取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线的凸齿幅度Ryn；(2)由公式RA=RYnLn]]>计算取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线的相对凸齿幅度值RA；(3)将RA代入公式JRCn＝400RA即得取样长度为Ln的岩石结构面表面轮廓曲线粗糙度系数JRCn。
全文摘要
本发明涉及岩体结构面粗糙度系数简易测量方法，包含以下步骤(1)测量取样长度为L
文档编号G01B21/30GK101055175SQ20071006841
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者杜时贵, 胡晓飞 申请人:浙江建设职业技术学院