岩面粗糙度定量表征方法与流程

本发明涉及隧道工程，尤其涉及一种岩面粗糙度定量表征方法。

背景技术：

1、在隧道中喷射混凝土起到降低围岩形变、防止围岩风化及降低围岩涌水改善隧道工作环境等作用喷射混凝土作为隧道及地下工程支护的主要形式之一，随着基础建设的进一步发展，喷射混凝土的用量随着工程项目的增加急剧增加。

2、岩面粗糙度系数是描述岩体结构面粗糙、起伏状态的力学参数，是控制地下硐室稳定性的关键因素。自然的岩体结构面往往具有千变万化的粗糙起伏特征，要想用简单的数学关系式准确描述它们是非常困难的。jrc（结构面粗糙度系数）为表征结构面的粗糙度提供了确定的几何参数，但jrc值是依照与10条典型粗糙度剖面线对比确定的，带有经验性，为摆脱经验局限性的束缚，仍需探索新的描述表征方法。分形几何作为一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，在粗糙度定量描述中得到应用。

3、近年来，众多学者提出喷射混凝土与隧道岩面的粘结力不仅是影响混凝土回弹量的主要因素，也是影响围岩-荷载共同作用，充分发挥围岩自承能力的前提。因此，在许多情况下，界面破坏会因岩石的矿物组成和结构特征、岩石表面粗糙度、界面处理、混凝土混合物及其喷射工艺等因素而有所不同。考虑这些影响对于改善喷射混凝土施工是很重要的。隧道岩面作为喷射混凝土的承载体，其粗糙程度一定影响着岩面-喷层界面间的粘结力，粗糙度是影响岩石表面力学行为的重要参数，岩面粗糙度-混凝土之间存在着相互作用影响。一般来说，表面粗糙度影响界面力学性能，特别是界面粘结力。

4、然而，岩面-喷层界面通常被认为是一个薄弱的结构区域，容易受到爆破、岩石变形或其他环境影响的破坏，如何精准定量表述光面爆破后岩面的形貌粗糙度成了一个难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种岩面粗糙度定量表征方法及装置，以解决现有技术无法精准定量表述光面爆破后岩面的形貌粗糙度的问题。

2、本发明提供一种岩面粗糙度定量表征方法，包括：

3、获取隧道的岩石结构面形貌数据；

4、根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，所述分形维数用于定量表征爆破后隧道周边岩面起伏粗糙特征；其中，所述分形量测方法为基于二维曲线的分形量测方法或直接量测结构面分形维数的分形量测方法；

5、所述基于二维曲线的分形量测方法为码尺法、变异函数分析法、均方根法、标准差纵横比法、节理分形模型法或者均方根坡角法；

6、所述直接量测结构面分形维数的分形量测方法为三角形棱柱表面积法、投影覆盖法或者立方体覆盖法。

7、可选的，根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，包括：

8、针对岩石节理轮廓线，采用不同的步长r对节理轮廓线进行量测，记录不同步长r时分割节理轮廓线的个数n，节理轮廓线的分形维数用式2-1表示：

9、                式2-1；

10、式中，d为分形维数，r为步长，n为步长r时分割节理轮廓线的个数。

11、可选的，根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，包括：

12、根据x轴相隔h，点xi和xi+h对应节理轮廓线上的点z（xi）和z（xi+h），按照式2-2计算变异函数值γ（h）；

13、       式2-2；

14、式中，γ（h）为变异函数值；n（h）为点对{z（xi），z（xi+h）}的个数；

15、当间隔h趋于无穷小时，有关系式2-3：

16、       式2-3；

17、式中，h为hurst指数；av为比例系数；

18、节理轮廓线分形维数按式2-4进行计算：

19、          式2-4；

20、式中，d为分形维数。

21、可选的，根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，包括：

22、以步长wi将节理轮廓线划分为nw等分，然后计算节理轮廓线上步长范围内各点与趋势线的偏移量的均方根s(w)；s(w)按式2-5进行计算；s(w)与w的关系见式2-6；节理轮廓线的分形维数由d=2－h获得；

23、式2-5；

24、式中，wi为步长；nw是步长为wi时，分割节理轮廓线的数量；mi是步长wi内节理轮廓线上的点数；zj是步长wi内节理轮廓线上j点与趋势线的偏移量；是步长wi内节理轮廓线上点偏移量均值，见式2-6：

25、     式2-6；

26、式中，h为hurst指数；a为比例系数。

27、可选的，根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，包括：

28、以步长r将节理轮廓线划分为n等分，在坐标系下分别计算分割点在x，y方向上的标准差sx，sv，用式2-7和式2-8表示：

29、      式2-7；

30、    式2-8；

31、式中，xi，yi为节理轮廓线上点pi的横纵坐标值；x，y分别为节理轮廓线上所有点横坐标均值、纵坐标均值；

32、在所研究的节理轮廓线上，sx，sy和l有如下关系，见式2-9和式2-10：

33、    式2-9；

34、    式2-10；

35、式中，cx，vx和cy，vy是比例系数，在双对数坐标下拟合获得，l=n×r；

36、由式2-9，式2-10可得式2-11：

37、       式2-11；

38、式中，h为hurst指数，0＜h＜1，c为比例系数；h=vy/vx，c=cy/(cx)h；粗糙度分形维数由d=2－h获得。

39、可选的，根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，包括：

40、根据广义kcoh曲线建立理论分形模型h-l模型，所述模型用来估计节理分形维数d，见式2-12：

41、      式2-12；

42、式中，l*和h*分别为粗糙轮廓线的平均基长和平均高度。

43、可选的，根据所述形貌数据，采用分形量测方法得到分形维数，包括：

44、计算节理轮廓线的均方根坡度角，见式2-13和式2-14：

45、       式2-13；

46、其中，  式2-14；

47、式中，θ(h)是步长为h时轮廓线的均方根坡度角；nw是步长为h时的节理轮廓线被划分单元总数；z(xi)，z(xi+h)分别是x轴相隔h的点xi和xi+h对应的节理轮廓线的高度；

48、改变步长h，获得一系列{θ(h)，h}点对，在双对数坐标下拟合{θ(h)，h}点对，其斜率记为β，则均方根坡角法确定的节理轮廓线分形维数，见式2-15：

49、     式2-15；

50、式中，d为分形维数。

51、本发明的有益效果如下：本发明的岩面粗糙度定量表征方法，提出了用超欠挖量、岩面粗糙度复合参数对光面爆破效果进行评价，两指标相互验证，共同反映出岩面整体超欠挖水平及岩面粗糙起伏程度。该方法避开了仅以超欠挖量作为评判依据，无法反映出岩面轮廓线的形貌、局部超欠挖的弊端，可以全面地掌握爆破效果及岩面形貌。其作用不仅可以及时准确地了解光面爆破效果，变更光面爆破参数、优化光面爆破施工、探寻光面爆破影响因素；还可以清晰地了解爆破后超欠挖量、岩面是否平整圆顺，可根据岩面粗糙度设计喷射混凝土，了解钢拱架密贴程度等，为后续初期支的施做提供依据。