一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法

摘要

本发明涉及工程岩体质量评价与分级领域，旨在提供一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法。该方法包括以下步骤：结构面产状测量；结构面分组；计算各组结构面的平均产状；现场RQD的测量；计算各条测线方向上的结构面线密度；计算各组结构面平均法向量上的结构面线密度；求代表性RQD及方向。本发明明确了最小RQD为代表性RQD，给出了根据已知几个方向上的RQD值计算任意方向上的RQD值的方法，从而消除了当前获取RQD方法的弊端；相比现有RQD的获取方法，本发明只需额外测一些结构面的产状，现场方便测得。

权利要求

1.一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)结构面产状测量

测量岩石结构面的产状，测量数据的数量应满足结构面分组的要求；

(2)结构面分组

对结构面产状的测量数据进行结构面分组，其组数记为N；

(3)计算各组结构面的平均产状

对于每一个结构组，分别采用式(7)计算其相应的平均产状：式中，i为结构面组号，δmi为第i组结构面的平均倾角，θmi为第i组结构面的平均倾向，(xri，yri，zri)是i组所有结构面的向上法向量的合向量，具体由式(8)确定：其中，δij和θij是第i组的第j个结构面的倾角和倾向，Ni是第i组的结构面数量；

(4)现场RQD的测量

在岩石的露头或开挖面上布设M条不同方向的测线，M≥N；测量相邻两个结构面与测线交点的长度lj，由式(9)计算每条测线的RQD值：其中，l′j为长度大于0.1m的lj，L为测线的总长度；J为长度大于0.1m的lj的总数量；

同时，用罗盘测量每条测线的倾伏角与倾伏向；

(5)计算各条测线方向上的结构面线密度将步骤(4)中计算得到的各条测线方向上的RQD值代入式(1)中，即可求出其相应的结构面线密度λ：RQD＝100e-0.1λ(0.1λ+1)   (1)(6)计算各组结构面平均法向量上的结构面线密度将步骤(5)中得到的各条测线方向上的结构面线密度λ代入式(6)中，得到由M个式子构成的方程组：其中，N为结构面组的个数；E(·)为函数的期望，λmi是沿结构面组平均法向量方向上的结构面线密度，ni是结构面法向量，nmi为结构面组的平均法向量方向；

若M＝N，则直接解出N组结构面组的平均法向量上的线密度；若M＞N，则利用最小二次误差法解出N组结构面组的平均法向量上的线密度；

(7)求代表性RQD及方向

将得到的结构面线密度再代入式(1)中，则得到每条测线上的RQD值；找出其中最小的RQD值即为代表性RQD值，其对应(α，β)即为代表性RQD方向。

说明书

一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工程岩体质量评价与分级(分类)领域，具体涉及一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法。

背景技术

[0002] 岩体工程涉及范围甚广，主要包括水利工程、采矿工程、土木工程、石油工程、交通工程、军事工程等。受长期地质作用，岩体本身具有复杂的几何特性和物理力学特性，加上赋存环境复杂，造成岩体工程评价和设计多依赖经验，难以把握。为此，依据规范的测试和试验，建立一种基础性岩体质量评价方法，实现工程岩体分级(分类)，并根据行业要求与经验提出支护措施，对提高岩体工程设计与施工的合理性具有重要的意义。现有的工程岩体质量评价与分级(分类)方法主要有RMR、MRMR、Q、SRM、BQ、GSI、SRMR、M-RMR、M-RMC、CCI等，这些分级方法除GSI和BQ方法外均涉及一个共同的输入参数RQD(Rock  quality designation，岩石质量指标)。由此可见RQD对岩体质量评价与分级非常重要。

[0003] 然而，很多工程师和研究人员意识到RQD有一大弊端——方向性，即不同方向上的RQD有不同的值。如图1所示，沿y轴方向上的RQD最小，值为85；沿x轴或z轴方向上的RQD最大，为100。当前若利用钻孔获取RQD时一般都取竖直方向，若利用测线法获得RQD值时一般都是取竖直方向或水平方向。这种做法致使针对同一工程岩体不同的人采用不同的方法得到的RQD值不一样，有较大的盲目性，获得RQD未必能反映出岩体的节理度，显然不合理。针对RQD的方向性这一问题，需要探寻出一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中获取RQD值方法的不足，提供一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法。

[0005] 为解决技术问题，本发明的解决方案是：

[0006] 提供一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法，包括以下步骤：

[0007] (1)结构面产状测量

[0008] 测量岩石结构面的产状，测量数据的数量应满足结构面分组的要求；

[0009] (2)结构面分组

[0010] 对结构面产状测量数据进行结构面分组，其组数记为N；

[0011] (3)计算各组结构面的平均产状

[0012] 对于每一个结构组，分别采用式(7)计算其相应的平均产状：

[0013]

[0014] 式中，i为结构面组号，δmi为第i组结构面的平均倾角，θmi为第i组结构面的平均倾向，(xri,yri,zri)是i组所有结构面的向上法向量的合向量，具体由式(8)确定：

[0015]

[0016] 其中，δij和θij是第i组的第j个结构面的倾角和倾向，Ni是第i组的结构面数量；

[0017] (4)现场RQD的测量

[0018] 在岩石的露头或开挖面上布设M条不同方向的测线，M≥N；测量相邻两个结构面与测线交点的长度lj，由式(9)计算每条测线的RQD值：

[0019]

[0020] 其中，l′j为长度大于0.1m的lj，L为测线的总长度，J为长度大于0.1m的lj的总数量；

[0021] 同时，用罗盘测量每条测线的倾伏角与倾伏向；

[0022] (5)计算各条测线方向上的结构面线密度

[0023] 将步骤(4)中计算得到的各条测线方向上的RQD值代入式(1)中，即可求出其相应的结构面线密度λ：

[0024] RQD＝100e-0.1λ(0.1λ+1)   (1)

[0025] (6)计算各组结构面平均法向量上的结构面线密度

[0026] 将步骤(5)中得到的各条测线方向上的结构面线密度λ代入式(6)中，得到由M个式子构成的方程组：

[0027]

[0028] 其中，N为结构面组的个数；

[0029] 若M＝N，则直接解出N组结构面组的平均法向量上的线密度；若M>N，则利用最小二次误差法解出N组结构面组的平均法向量上的线密度；

[0030] (7)求代表性RQD及方向

[0031] 将得到的结构面线密度再代入式(1)中，则得到每条测线上的RQD值；找出其中最小的RQD值即为代表性RQD值，其对应(α，β)即为代表性RQD方向。

[0032] 本发明中，所述步骤(4)中，在现场采集不同测线方向上的RQD值，且测线数量应大于或等结构面组数量。

[0033] 本发明中，所述步骤(6)中，利用结构面的产状和测线方向上的线密度求得平均法向量上的结构面线密度。

[0034] 本发明中，所述步骤(7)中，将最小RQD选为代表性RQD值，其方向选为代表性方向。

[0035] 本发明中，所述步骤(1)中，测量结构面的产状是利用地质罗盘的接触手段，或摄影测量、三维激光扫描的非接触手段实现的。所述步骤(2)中，对结构面分组的方法是节理玫瑰花图分析法、极点等密度图分析法、聚类分析法或多参数聚类分析法。所述步骤(7)中，若将不同产状方向上的RQD绘制到赤平投影图中，再作等值线则得到典型的分析结果。

[0036] 发明原理描述：

[0037] 本发明提出的获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法，其主要包括：

[0038] (1)如何选定代表性RQD的方向；

[0039] (2)根据已知几个方向上的RQD值，如何计算任意方向上的RQD值；

[0040] (3)如何确定代表性RQD的值。

[0041] 代表性RQD的方向的选择原理：如图1中的岩体A在沿y轴方向上的RQD值最小(等于85)，沿x轴或z轴方向上的RQD值最大(等于100)；如图2中的岩体B在沿y轴方向上的RQD值最小(等于60)，沿x轴或z轴方向上的RQD值最大(等于100)。假如将x或z方向选为代表性RQD方向，则岩体A和B的RQD值相等，这样不能反映这两个岩体的节理度的差别；假如将y方向选为代表性RQD方向，则岩体A和B之间有最大的RQD差值(等于25)，这样能够最大程度地反映出这两个岩体的节理度的差别。因此，将RQD值达到最小值的方向选为RQD的代表性方向，在这个方向的RQD值(即最小值)即为代表性RQD值。

[0042] 任意方向上的RQD值计算方法：RQD与结构面线密度λ之间的关系式如下：

[0043] RQD＝100e-0.1λ(0.1λ+1)   (1)

[0044] 假设结构面为有限尺寸的圆盘且均匀分布在空间，若仅考虑一组(记为i)结构面，则结构面体密度λvi与沿测线l方向上的线密度λli有如下关系式(根据图3)：

[0045]

[0046] 其中，E(·)为函数的期望，l是沿测线l的向量，Di是结构面的直径，ni是结构面法向量。若有两条测线l1和l2，由式(2)有：

[0047]

[0048] 进而有：

[0049]

[0050] 若将结构面组的平均法向量方向nmi赋予l2，某测线方向l赋予l1，则式(4)变为：

[0051]

[0052] 其中λmi是沿结构面组平均法向量方向上的结构面线密度。利用叠加原理，由式(5)可得考虑多组结构面时，沿某测线方向l上的结构面线密度与结构面组平均法向量上的结构面线密度之间的关系时如下：

[0053]

[0054] 其中N为结构面组的个数。若测得M(M≥N)个不同方向上的RQD值，由式(1)可求得M个不同方向上的结构面线密度，将M个线密度代入式(6)，则可得到M个方程。若M等于N，则可以直接解出N组结构面组的平均法向量上的线密度；若M>N，则可以利用最小二次误差法解出N组结构面组的平均法向量上的线密度。从而根据式(6)可求得任意方向上的线密度，进而利用式(1)可求得任意方向上的RQD。

[0055] 确定代表性RQD的值：记测线的倾伏角为α，倾伏向为β，α的取值范围为[0，90°]，β的取值范围为[0，360°)。将[0，90°]平均分为r份，[0，360°)平均分为q份，从而可得到(r+1)q组(α，β)。对于每一组(α，β)分别求出相应的RQD值，找出其中最小的RQD值即为代表性RQD值，其对应(α，β)即为代表性RQD方向。

[0056] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0057] 1、本发明明确了最小RQD为代表性RQD，给出了根据已知几个方向上的RQD值计算任意方向上的RQD值的方法，从而消除了当前获取RQD方法的弊端；

[0058] 2、相比现有RQD的获取方法，本发明只需额外测一些结构面的产状，现场方便测得。

附图说明

[0059] 图1是介绍RQD方向性弊端的一个实例示意图和介绍RQD代表性方向选择原理的说明实例一示意图(单位：m)；

[0060] 图2是介绍RQD代表性方向选择原理的说明实例二示意图(单位：m)；

[0061] 图3是结构面体密度λvi与沿测线l方向上的线密度λli关系推导原理图；

[0062] 图4是结构面涉及到的几个几何参数示意图(位置、倾向、倾角、尺寸)；

[0063] 图5是本发明一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法的执行流程图；

[0064] 图6是露头或开挖面上测线布设示意图；

[0065] 图7是是一个算例的RQD分析结果等值线图。

具体实施方式

[0066] 下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。以下的具体实施步骤可以使本专业领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0067] 如图5所示，本发明一种获取和计算工程岩体代表性RQD值的方法包括以下步骤：

[0068] 1.结构面产状测量

[0069] 利用接触(如地质罗盘)或非接触(如摄影测量、三维激光扫描等)手段测量岩石结构面的产状，对于数量没有特别的要求，满足一般的结构面分组要求即可。

[0070] 2.结构面分组

[0071] 本发明对结构面分组没有特别的要求，可以采用传统分组方法(如依据节理玫瑰花图或极点等密度图等进行分析)，也可采用近年来新发展的分组方法(如聚类分析法、多参数聚类分析法等)，最终获得的结构面组数记为N。

[0072] 3.各组结构面平均产状的计算

[0073] 对于每一个结构组，可分别采用以下公式计算其相应的平均产状：

[0074]

[0075] 其中i为结构面组号，δmi为第i组结构面的平均倾角，θmi为第i组结构面的平均倾向，(xri,yri,zri)是i组所有结构面的向上法向量的合向量，可由下式确定：

[0076]

[0077] 其中δij和θij是第i组的第j个结构面的倾角和倾向，Ni是第i组的结构面数量。

[0078] 4.现场RQD的测量

[0079] 如图6所示，在露头或开挖面上布设M条不同方向的测线(M≥N)，通过测量相邻两个结构面与测线交点的长度lj(如图6中Pj和Pj+1两个交点长度)，由下式计算每条测线的RQD值：

[0080]

[0081] 其中，l′j为长度大于0.1m的lj，L为测线的总长度，J为长度大于0.1m的lj的总数量。同时用罗盘测量每条测线的倾伏角与倾伏向。

[0082] 5.计算各条测线方向上的结构面线密度

[0083] 将步骤4中计算得到的各条测线方向上的RQD值代入式(1)中，即可求出其相应的结构面线密度。

[0084] 6.计算各组结构面平均法向量上的结构面线密度

[0085] 将步骤5中得到的各条测线方向上的结构面线密度代入式(6)中可得到由M个式子构成的方程组，若M＝N，则可以直接解出N组结构面组的平均法向量上的线密度；若M>N，则可以利用最小二次误差法解出N组结构面组的平均法向量上的线密度。例如，若M＝6和N＝4，则4组结构面平均法向量上的结果面线密度λm1、λm2、λm3、λm4可由以下式子确定：

[0086]

[0087] 其中：

[0088]

[0089] 7.求代表性RQD及方向

[0090] 将测线的倾伏角α的取值范围[0，90°]平均分为r份，将测线的倾伏向β的取值范围[0，360°)平均分为q份，从而可得到(r+1)q组(α，β)。例如，若r取18，q取72，则共得到(18+1)×72＝1368条测线，这些测线的产状分别为(0°,0°)、(0°,5°)、….、(0°,355°)、(5°,0°)、….、(85°,355°)、(90°,355°)。将这些值分别代入式(6)中可得到每条测线上的结构面线密度，再将得到的结构面线密度代入式(1)中则可得到每条测线上的RQD值，找出其中最小的RQD值即为代表性RQD值，其对应(α，β)即为代表性RQD方向。若将不同产状方向上的RQD绘制到赤平投影图中，再作等值线可得到典型的分析结果见图7。

[0091] 注意：本发明的实际范围不仅包括上述所公开的具体实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。