[发明专利]一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，尤其适用于所采用仪器量程小于有效测量长度的场合，能消除尺寸效应引入的误差，实现岩体结构面粗糙度精确评价。

背景技术

自然界的岩体是一个及其复杂的地质体，其本身不是一个均质的各项同性的完整物体，内部发育有众多结构面，如断层、层面、节理、片理、裂隙等。这些软弱结构面的存在，大大降低了岩体的完整性，对岩体的破坏起到控制性作用。因此，开展岩体结构面研究对理解岩体破坏机理、评价岩体稳定性显得格外重要。

描述岩体结构面的参数很多，常见的有力学与几何参数两种。粗糙度作为岩体结构面的几何参数之一，直接决定着结构面的其他大部分力学与几何参数，对岩体的力学性质、变形机理以及水力学特征具有重大影响。目前针对岩体结构面粗糙度评价方法，一般都是选取结构面上具有代表性的二维剖面，采用经验取值、数理统计、分形几何三类方法中的一种进行评价。经验取值法通过视觉对比Barton十条标准曲线获取表征粗糙度的JRC值，该法需要依据个人经验，带有强烈的主观因素，容易产生误差；数理统计法虽然对经验取值法进行了改善，采用定量的方式描述岩体结构面粗糙度，但是学者们使用的指标各不相同，并且大都是基于数理统计规律建立关系，缺乏必要的理论基础。上述两种方法都不能全面精确地描述岩体结构面表面形态的粗糙情况。而由科学家Mandelbrot提出的分形几何学，为一种研究非规则几何形状的新兴学科，可很好地描述岩体结构面无规则、杂乱无章的表面形态，用分形维数D来定量地表征岩体结构面粗糙程度已被广泛应用，分形维数D越大表明岩体结构面越粗糙。

同时岩体结构面粗糙度具有尺寸效应。粗糙度与采样尺寸密切相关，并且会随着采样尺寸的不断增加而减小，当采样尺寸增加到某一水平时（此时的采样尺寸称为有效尺寸），粗糙度不再继续减小而趋于稳定，保持不变。研究显示，要想精确获取某一大尺寸岩体结构面粗糙度，采样尺寸应该大于或等于其有效尺寸。

原理上讲只要采集尺寸足够大，就可得到所研究岩体结构面的真实粗糙度。但是，以这种传统方法来消除或减少由于尺寸效应带来的误差，可行性不强，仍存在一些问题：

1、有效尺寸与岩体结构面粗糙程度相关，表面越光滑，有效尺寸越小，反之表面越粗糙，有效尺寸也会随之越来越大。当粗糙度达到一定程度时，有效尺寸会变得很大很大。对于有效尺寸特别大的岩体结构面，就需要设计大量程的测量仪器，则仪器制造、携带使用、试验成本、测量时间、工作强度也会大增，显然不是很现实。

2、虽然目前三维激光测量技术可实现大面积岩体结构面粗糙度数据采集工作，但是该技术易受外界因素影响（温度、湿度、电磁干扰、车震等），并且成本极其昂贵。

3、目前普遍采用的测量仪器量程大都在1m以内，主要原因是方便携带以及降低成本。岩体结构面粗糙度测量是在野外现场进行，外观几何尺寸大的测量仪器很不方便携带。

综合上述各因素，小型测量仪器仍存在很强的使用价值，短时间内不会被三维激光扫描仪等大范围测量仪器所代替。因而在目前的小量程测量仪器与大尺寸岩体结构面两者并存的条件下，寻找出一种适当的方法，能够很好地克服尺寸效应引入的误差，获取较真实的岩体结构面粗糙度极有必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术对大面积岩体结构面粗糙度测量存在的问题，而提供了一种采用小量程测量仪器，通过增加测量次数来弥补测量尺寸上的不足，以分形维数D为评价指标来定量描述岩体结构面的粗糙度，能克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供的一种克服尺寸效应的岩体结构面粗糙度评价方法，按如下步骤操作：

步骤一、选取具有代表性的剖面：

(1)、对于野外一个大范围的岩体结构面进行粗糙度评价，要求选择没有受到人类活动扰动的天然岩体结构面，并且表面无植被覆盖；

(2)、对选定的剖面进行标示，采用软皮尺固定在剖面的两端，设需要评价粗糙度的剖面长度为L，用以岩体结构面粗糙度测量仪器的最大量程为l，其中L>l；

步骤二、沿着选定的剖面架设测量仪器，架设测量仪器的位置随机确定，但要保证仪器测量的剖面l位于长度为L的大尺寸剖面中，在大尺寸剖面中采集得到n条长度为l的小尺寸剖面；