基于三维裂隙网络的RQD尺寸效应与空间效应的研究

 岩石质量指标(RQD)是岩土工程与地质工程中的重要概念,在岩体性质分析中起到了重要作用,但RQD存在着明显的尺寸效应与空间效应,这在以后岩体工程设计计算中并没有引起充分的重视。为研究RQD的空间效应,采用三维裂隙网络模拟方法模拟现场真实岩体,并在模型中设立大量测线获取岩体中不同位置的RQD值。结果表明,岩体中不同位置的RQD值并不相同,存在明显的空间效应。为获取可整体代表岩体好坏程度的RQD值,需在大量RQD样本的基础上进行分析。另外,为更好地体现岩体的非均质性,研究不同阈值下的RQD范围,最终确定可充分反映待分析岩体的最佳阈值,为4 m。尺寸效应是RQD参数的重要性质,通过改变测线长度的方法探讨RQD在不同尺度下的变化情况。总结、提出RQD的计算模型与公式,即：A-A模型、T-T模型、A-A-S模型、Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式。分别研究与对比不同模型下RQD的尺寸效应,结果表明,采用A-A-S模型可充分减少尺寸效应带来的RQD的计算误差;当阈值较大时,Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式存在一定的误差,基于三维裂隙网络模拟的方法进行RQD的计算将会更为准确。     

结构面三维网络模拟计算RQD及精度对比研究

 以汶川映秀镇百花大桥边坡岩体为实例,运用结构面三维网络模拟法计算RQD值,具体步骤为：在概率统计结构面各项参数获取结构面模拟参数的基础上,利用Monte-Carlo法生成岩体节理三维网络,在边坡震时主滑平面、主滑横剖面、水平面上各方向布置测线模拟钻孔,获取54个钻孔岩石质量指标RQD值,以其期望值作为最终RQD。以结构面测量统计得到的等效钻探RQD为真值,对比体积RQD法和网络模拟法的相对误差(体积RQD法为24.6%;结构面三维网络模拟法仅为3.3%),证实结构面三维网络模拟法相对误差要小得多,精度显著提高。结构面三维网络模拟法是计算RQD的好方法,具有广泛的应用前景。     

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

 应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。     

窗口测线法获取岩体RQD

岩石质量指标RQD是评价岩体质量的一个重要指标，但这一传统的RQD完全取决于钻孔布置数量和方向。若钻孔数量有限，则误差较大，工程实际使用中受到限制。而采用在测量窗口中借助计算机布置测线的方法来计算RQD，可以减少误差，可综合反映岩体的各向异性特征，且可方便地获取大量的RQD，方法简便易行，适合于实际工程应用。     

基于岩芯图像深度学习的矿山岩体质量精细化评价

矿山工程为了获取准确的资源储量而进行的地质钻探往往会获取大量的岩芯图像,从中提取岩体结构信息进行岩体质量评价具有现实的工程意义。目前人工对钻孔岩芯进行岩石质量指标RQD的编录方法效率低下且受主观因素影响,为此首先使用Mask-RCNN深度学习实例分割网络从钻孔岩芯图像中自动识别出单排岩芯,进而从单排岩芯中识别出长度大于等于10 cm的岩芯段,进行RQD的计算;然后结合钻孔信息与地质模型,使用普通克里金插值得到可表征RQD非均匀性的块体模型,实现对岩体质量的精细化评价。乌山铜钼矿的应用结果表明深度学习方法可以准确地从岩芯图像中计算出RQD,同时地质统计学的使用可以有效地对岩体质量进行精细化表征,提出的方法在矿山工程中具有广泛的应用前景。     

基于裂隙网络模拟技术的结构面分布分维数计算

介绍了分形基本概念及工程岩体分形特性，结合裂隙网络模拟技术，分析了计算结构面分布分维数的方法，并给出了工程应用实例。讨论了计算裂隙分维数有效测度范围问题，对裂隙间距、迹长、交角和岩体RQD等影响因素与分维数的关系进行了初步分析，结果表明：间距对分维数影响最大，迹长和交角则相应次之。岩体裂隙分布分维数较RQD更能全面反映岩体的结构特征，用于对工程岩体进行质量评价是可行的，但对于测度尺寸和分维数与岩体工程性质关系等问题有待深入研究。     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

顶板诱导致裂的数字探测及其分形特征研究

为观测采空区顶板诱导崩落的实施效果,研究采动影响与人工爆破强制诱导耦合作用下顶板岩体内节理、裂隙等不连续结构面的发育与矿岩破裂失稳崩落的关系,采用数字式全景钻孔摄像系统对顶板诱导崩落预裂钻孔进行了探测。探测结果表明,在实施预裂爆破钻孔内预裂缝从爆破点直至孔底,宽度达到20～40 mm,炮孔处理后至今顶板平均跨落厚度为30～40 m,诱导效果显著。岩体内以高陡倾角、窄隙宽和短隙长的次生裂隙群发育为主,微裂隙群的扩展、贯通最终导致岩体由顶板底部向上逐步剥离冒落。耦合扰动与单一采动扰动岩体内裂隙的发育情况差异明显。采用分形理论对不同钻孔同一深度的裂隙发育特征进行描述,得出不同诱导作用下岩体内裂隙数分维值及关系曲线。分析表明,诱导作用下岩体内的裂隙产生及其演化具有自相似性,其分维值随着诱导步距的推进不断增大。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

基于V.RQD值与Hoek-Brown准则的破碎岩体强度研究

被多组贯通结构面切割后产生的大体积破碎岩体在不同围压下仍具有一定的强度,但通过Hoek-Brown准则对其进行强度评价时,因对岩体结构划分缺乏定量描述,使得参数m与s的取值很难准确确定。在传统RQD值不足的基础上,引入不同阈值下的三维体积V.RQD值概念,建立破碎岩体质量指标V.RQD值计算机模拟方法,结合RMR评分标准和Hoek-Brown强度准则,通过探讨三维体积V.RQD值的取值范围,得到不同阈值时岩体质量参数m,s值与Hoek-Brown强度包络线以及岩体变形模量E0等之间的一些变化规律,定量化表述V.RQD值对破碎岩体强度的影响。结果表明,V.RQD值作为岩体质量指标之一,可为破碎岩体的强度估计提供新的实用途径。     

Determination and applications of rock quality designation(RQD)

Characterization of rock masses and evaluation of their mechanical properties are important and challenging tasks in rock mechanics and rock engineering.Since in many cases rock quality designation(RQD)is the only rock mass classification index available,this paper outlines the key aspects on determination of RQD and evaluates the empirical methods based on RQD for determining the deformation modulus and unconfined compressive strength of rock masses.First,various methods for determining RQD are presented and the effects of different factors on determination of RQD are highlighted.Then,the empirical methods based on RQD for determining the deformation modulus and unconfined compressive strength of rock masses are briefly reviewed.Finally,the empirical methods based on RQD are used to determine the deformation modulus and unconfined compressive strength of rock masses at five different sites including 13 cases,and the results are compared with those obtained by other empirical methods based on rock mass classification indices such as rock mass rating(RMR),Q-system(Q) and geological strength index(GSI).It is shown that the empirical methods based on RQD tend to give deformation modulus values close to the lower bound(conservative) and unconfined compressive strength values in the middle of the corresponding values from different empirical methods based on RMR,Q and GSI.The empirical methods based on RQD provide a convenient way for estimating the mechanical properties of rock masses but,whenever possible,they should be used together with other empirical methods based on RMR,Q and GSI.     

基于钻进过程指数定量评价岩体完整性原位试验研究

钻孔过程中钻具实时响应特征蕴藏着大量工程地质信息,通过解译钻进数据定量评价岩体完整性,可为快速获取工程岩体的地质特征提供新途径。采用高精度数字液压、扭矩、转速和激光位移传感器监测地质钻机传动部位,搭建了新型地质钻机数字钻进监测系统。开展了均质材料和裂隙岩体原位钻进试验,根据实时、连续及同步获取的钻具响应特征参数,建立了钻进压力、钻进扭矩、钻头转速和钻进速度的函数关系。在此基础上,滤除钻机机械参数对钻进速度的影响,提出了用于表达岩体完整性的新指标——钻进过程指数。研究发现,钻进过程指数的数字变化趋势能综合反映岩体的破碎程度,能通过信息化方法和数据运算获取岩体完整性,削减了人工统计RQD和编纂岩芯柱状素描图等繁杂的工序,还降低了人为主观因素的不利影响。     

Using multivariate adaptive regression splines to develop relationship between rock quality designation and permeability

The assessment of in situ permeability of rock mass is challenging for large-scale projects such as reservoirs created by dams, where water tightness issues are of prime importance. The in situ permeability is strongly related to the frequency and distribution of discontinuities in the rock mass and quantified by rock quality designation (RQD). This paper analyzes the data of hydraulic conductivity and discontinuities sampled at different depths during the borehole investigations in the limestone and sandstone formations for the construction of hydraulic structures in Oman. Cores recovered from boreholes provide RQD data, and in situ Lugeon tests elucidate the permeability. A modern technique of multivariate adaptive regression splines (MARS) assisted in correlating permeability and RQD along with the depth. In situ permeability shows a declining trend with increasing RQD, and the depth of investigation is within 50 m. This type of relationship can be developed based on detailed initial investigations at the site where the hydraulic conductivity of discontinuous rocks is required to be delineated. The relationship can approximate the permeability by only measuring the RQD in later investigations on the same site, thus saving the time and cost of the site investigations. The applicability of the relationship developed in this study to another location requires a lithological similarity of the rock mass that can be verified through preliminary investigation at the site.     

岩体结构面网络模拟在滑坡中的应用

通过结构面网络模拟研究滑坡的岩体结构特征 ,进而利用岩体质量指标 (RQD)进行岩体分类、估计岩体强度。此方法在赵树岭滑坡的研究中得到了很好的应用。     

不连续面三维网络在RQD中的应用研究

RQD作为工程实际中评价岩体性质的方法，应用已相当广泛，并已列入有关规范，然而，由于传统Deere定义的RQD在实际应用中存在很多问题，所以引入了不同阈值下的广义RQD的概念，并与不连续面三维网络模拟技术相结合，应用于岩体的稳定性评价，取得了较好的效果。     

Assessment of deformation modulus of weak rock masses from pressuremeter tests and seismic surveys

The deformation modulus of intact rock can be determined through standardized laboratory tests for heavily jointed rock masses but this is very difficult, while in situ tests are time-consuming and expensive. In this study, the deformation modulus of selected heavily jointed, sheared and/or blocky, weathered, weak greywacke, andesite and claystone were assessed, based on pressuremeter tests, geo-engineering characterization and seismic surveys. Empirical equations based on GSI and RMR values are proposed to indirectly estimate the deformation modulus of the greywackes. For the andesites, the spacing of the discontinuities is greater than the length of the pressuremeter probe hence the intact rather than rock mass deformation modulus is obtained. The pressuremeter test results from the claystones could not be correlated with the field data; the relationship between the ratio of rock mass modulus to intact rock modulus and RQD appears to give a better estimation of the deformation modulus.