基于3 d联合测定表面粗糙度统计形态学特征

文摘

粗糙度显著影响岩石节理的剪切行为,广泛遇到的岩土工程。因为现有的计算方法对节理粗糙度系数(JRC)未能获得足够准确的联合研究中心的价值,提出了一种新的测定方法在这项研究中,三维激光扫描技术和休闲Python代码,以及统计参数的方法,应用。然后,有节的岩石的抗剪强度是评价通过巴顿的模型,因此,全面对比计算结果和实验结果被处决。最终,粗糙度轮廓提取的影响因素的准确性JRC价值,如测点间隔,档案号码,和测量方向,进行调查。结果表明,(1)配备了三维激光扫描技术,粗糙度概要文件可以准确地提取通过休闲Python代码,(2)一个优秀的一致性之间的剪切强度可以观察到计算值和实验结果,验证了该方法的有效性和准确性,和(3)一个较小的测点间隔可以产生更精确的数字档案和更准确的联合研究中心的价值。在某种程度上,样本数量的资料,联合研究中心的价值越小。

1。介绍

岩石节理岩石广泛存在于工程(1- - - - - -4]。岩石节理的力学性能是岩体工程稳定性的控制因素(5- - - - - -8]。以前的研究已经表明粗糙度显著影响摩擦角、剪切扩张,裂隙岩体的峰值抗剪强度9- - - - - -13]。通过考虑粗糙度联合(JRC)和10个标准联合等值线,巴顿和Choubey14)建立了JRC-JCS抗剪强度模型,这是受欢迎的在岩土工程评价岩体稳定性。尽管授权的显著功效裂隙岩体的抗剪强度计算,它带来了一些争论关于联合粗糙的量化,促进追求广泛的联合研究中心近年来的测定方法15- - - - - -17]。例如,谢霆锋et al。15]研究了11个关节参数和联合研究中心的价值之间的关系。Gadelmawla et al。1859]枚举参数描述关节表面形态。李等人。19]规范化许多共同的符号参数和优化这些参数和联合研究中心之间的计算公式。其他一些学者[20.- - - - - -22]介绍了分形理论在岩石力学评估,联合研究中心和取得预期成果。

测量联合地表起伏形态测量学通常是通过针执行概要梳理(23- - - - - -25],它忽略了波动特征小于测量间隔和额外的原始档案的特征(26]。实验证据(27)显示不同的JRC是4时波动的测量误差是1毫米。在这种情况下,其他一些可选的方法,如统计参数、直尺、伸长,和几何分形方法,开发了定量确定的价值,联合研究中心(16,17,28- - - - - -30.]。然而,直尺法只能考虑联合的大波动,伸长方法完全忽略了波动的影响,以及分形理论描述的粗糙度明显接头样品的不同而变化。基于严格的数学计算,统计参数方法股足够精度测量联合地表起伏形态测量学,可以避免主观因素造成的误差,方便计算联合研究中心的价值。几乎所有的统计参数方法只用于在2 d联合研究中心的描述,这在实际应用可能会导致失真。由于信息量的限制,参数值有大的偏差和局限性。因此,必须开发3 d联合研究中心的资料占粗糙度概要文件在3 d空间的变化31日]。

在这项研究中,一种新方法的基础上,提出了三维扫描技术和Python代码精确描述关节的粗糙度。特别是,节理面分为若干矩形区域。对于每个区域,三维扫描技术应用于获得三维坐标数据,提取使用的Python代码是粗糙度轮廓,联合研究中心的价值是通过统计参数计算方法,Z₂(一阶导数的均方根粗糙度概要文件),结构函数(科幻小说,代表表面纹理的变化),和R_p(长度比的痕迹线直线)。然后,联合研究中心的算术平均所有地区解决了代表接缝表面的粗糙度,表示联合研究中心_p,避免了主观的估计。获得准确的JRC的价值观,剪切方向也被认为是(32]。此外,联合研究中心的计算_p嵌入在当前接头的抗剪强度公式,并提出了联合研究中心的计算结果_p测定方法与测试结果,呈现出显著的一致性,验证了该方法的有效性和准确性。最后,粗糙度轮廓提取的影响因素联合研究中心的准确性_p测点间隔等档案号码,和测量方向,进行调查。

2。关节表面形态收购

2.1。准备样品

四个灰浆样品(100毫米×100毫米×100毫米大小)与45°锯齿准备,和失败的表面通过直接剪切试验在四个不同的正常的压力,因此,选择为研究对象(见图1)。为了方便起见,失败的表面法向应力,编号升序排序,对应样本1∼4。产生的样本根据白水泥的比例:细砂:水= 1.5:1.5:0.8,保持在标准条件下28天。标本后治愈,巴西可以执行分割试验和单轴压缩试验。样本的大小在巴西使用分割测试是一个圆柱体的25毫米×50毫米(高×直径)和测试样品的表面平面度0.02毫米的范围。圆柱端部分是垂直于试样的轴线,公差为±0.25°。在测试开始之前,需要粘钢杆在圆柱形的结束部分进行压应力。在测试期间,载荷加载在一个0.5毫米/分钟的小位移。当径向拉伸断裂的样品,材料的抗拉强度可以根据实验获得的数据记录和实验曲线。样本的大小使用的单轴抗压强度试验是100毫米×50毫米的圆柱(高×直径),样品有相同的宽容作为巴西了磁盘测试(33,34),压缩荷载为400 N / S。样品的单轴抗压强度为18.97 MPa,和巴西分裂的抗拉强度测量测试为1.64 MPa。进行了直剪试验的正常压力0.8 MPa, 1.2 MPa, 1.6 MPa,分别和2.0 MPa。剪切框大小是100 mm×100 mm×100 mm,剪切应变率是1毫米/分钟直接剪切试验。

2.2。试验装置

在这项研究中使用的仪器是HL-3DC颜色3 d扫描仪,这是主要由计算机、控制单元、激光扫描装置和数据采集软件。激光扫描装置的核心设备,由一个中央投影单元传感器头和两个电荷耦合器件(CCD)相机。在扫描仪操作期间,中央一系列连续的光栅条纹投影单元项目与不同的节理面宽度,和两个CCD相机记录相关的扫描信息从两个不同角度并将其集成到测量头表面确定坐标数据对象(见图1)。表面的细节可以被激光测量由于引入高数据密度。短暂,扫描仪扫描速度和非凡的扫描精度高。

2.3。程序提取粗糙度概要文件

粗糙度的程序概要提取失败的表面表达详细如下:(1)失败的表面粘贴标记点:目标表面应该分成部分,因为激光扫描投影三维激光扫描仪不能覆盖整个破坏面在一次时间。标记点必须贴在表面未能准确拼接每个部分(参见图的扫描数据1(a))。(2)扫描失败表面:接下来,失败表面上扫描扫描平台、旋转或移动每次扫描,以确保整个失败后表面扫描(见图1(b))。(3)点云处理:内置的软件自动拼接扫描数据获取整个表面的点云数据基于标记点(见图1(c))。(4)数字建模的破坏面:点云数据处理得到数字模型的破坏面,和每一个扫描点的三维坐标可以根据所需的精度(参见图输出1(d))。(5)提取失败表面的粗糙度概要:处理3 d坐标基于休闲Python代码,失败的粗糙度的表面,可以提炼出(见图1(e))。

3所示。测定表面粗糙度

3.1。描述统计粗糙度参数配置文件

在先前的研究的研究中,已经有大量的统计参数,如表面的均方根高度联合的中心线的平均值,平均粗糙度、平均粗糙度角度,和粗糙度的标准偏差的角度,提出了描述剪切表面的粗糙度特征(35- - - - - -37]。然而,在这项研究中,粗糙度是由统计特征参数Z₂科幻小说,R_p。具体地说,Z₂是均值√概要文件的一阶导数,如方程所示(1),这是广泛用于表面粗糙度的分析,首次提出测量金属表面的光散射特性(15]。结构函数(SF)用于表示表面纹理的变化,可以计算使用方程(2)。此外,El-Soudani [38)建议跟踪直线长度(长度的比值R_p)可以用于表示对象的线性粗糙度的表面,如方程所示(3)。更大的价值R_p是,粗糙的概要文件。由于常数的关系 ,R_p−1研究通常采用方便。

粗糙度概要图所示1。x_我沿剖面代表水平坐标,y_我对应的垂直坐标x_我配置文件,l代表这个概要文件的水平长度,n计量点的总数的概要文件。的统计参数Z₂科幻小说,R_p−1对应于每个概要提取可以计算根据方程(1)- (3)。张成泽和康39]研究了10个标准JRC巴顿曲线通过使用一个精确的数字化技术和获得之间的关系的统计参数Z₂科幻小说,R_p−1,联合研究中心的关节,表示如下:

获得节理表面粗糙度,几个配置文件被沿一定方向的关节,关节表面划分成几个矩形区域(见图2)。Δx是两个配置文件之间的时间间隔。AB和CDΔ时无限接近对方x是足够小,在这种情况下,粗糙度AB和CD可以被认为是近似的。因此,矩形区域的粗糙度ABCD可以表示为概要文件的平均粗糙度AB和CD。同样,粗糙度的算术平均的矩形区域可以被假定为整个接缝表面的粗糙度。关节的表面粗糙度得到该方法和联合研究中心的表示_p,米矩形区域的数量,计算方法如下所示:

3.2。基于联合研究中心的剪切强度的联合_p

为了验证该方法的有效性和准确性,联合研究中心的计算_p是嵌入到巴顿剪切的剪切强度计算公式关节,如方程所示(8),综合比较之间的抗剪强度计算结果和试验结果进行了研究。 在哪里τ是关节的峰值抗剪强度,是正常的压力,联合研究中心的_p的粗糙系数联合剪切方向平行,和JCS的单轴抗压强度。未风化的剪切面,JCS可以用单轴抗压强度,也就是18.97 MPa如前所述。提出的方法夏和太阳40采用]获得岩石的基本摩擦角通过平节理直剪试验。平面关节在不同的剪切stress-shear位移曲线正常应力如图3。

注意轻微凝聚力出现剪切表面自上层块直接投在块生产样品时,导致出现的峰值剪切stress-shear位移曲线。因此,选择稳定后的抗剪强度计算的基本摩擦角。正应力和剪切强度之间的关系图4,这表明一个基本摩擦角33.82°,支撑莫尔-库仑准则(41,42]。后来,关节的理论抗剪强度计算与方程(8),如表所示1。

先前的研究表明,二次剪试验得到的抗剪强度的联合的残余强度基本上接近第一剪切试验在相同的加载条件下(43]。因此,在这项研究中,残余强度的剪切试验被认为是相当于二级剪切试验的抗剪强度。剪切stress-shear位移曲线如图5。选择剪切强度的相对误差来评估拟议的联合研究中心的可行性_p,可以计算如下:

由方程(剪切强度计算8)与剪切强度测试,如表所示1。相对误差越小,计算值越接近试验值。很明显在桌子上1通过联合研究中心的剪切强度计算_p与试验结果吻合较好,证明该方法是可靠确定接头的表面粗糙度。为了清楚起见,测试结果和计算结果绘制在图6直观地评估他们的一致性,存在一些差异的计算结果和测试结果,特别是对于计算的抗剪强度粗糙度统计参数R_p−1。因此,联合粗糙度的测定方法R_p−1建议。

3.3。粗糙度轮廓提取的影响因素

先前描述的粗糙度战略决心在这个研究表明,真正的挑战来获得一个精确的值,联合研究中心的联合成为提取合适的粗糙度概要文件,由主观因素相当敏感。因此,测点间距的影响因素和档案号码,以及轮廓提取方向,进一步调查。

3.4。测点间距对轮廓粗糙度的影响

调查的影响轮廓粗糙度测点间隔,一个概要文件是由Python代码数字化的测点的间隔0.5毫米,1.5毫米,2.5毫米,分别(见图7)。显然,类似的形状和数字档案的一般波动趋势获得在不同测点的间隔可以观察到。与测点间隔的增加,然而,测量点数的数量减少和本地配置文件很容易被忽略的细节,伴随着数字化资料的失真。具体地说,数字的描述精度最高的形象出现,当测点间隔为0.5毫米,而数字剖面测点的1.5毫米的间隔是扭曲的。部分地方细节可以不再被测点2.5毫米的间隔。相比之下,数字档案与更大的测点间隔比与一个较小的测点平滑时间间隔。尽管剪切表面的形态可以反映使用时测点的间隔0.5毫米,1.5毫米,2.5毫米,这个概要文件,理论上一个较小的区间可以产生更精确的联合剪切面。因此,建议采用测点间隔尽可能小的时候提取概要文件。

3.5。影响档案数量的统计参数和联合研究中心_p

如前所述,关节表面由配置文件划分为若干个矩形区域,和联合的算术平均粗糙度是由这些地区的粗糙度。在这种情况下,概要文件的数量是否会影响联合粗糙度应该调查的决心。4号样品的剪切面,也就是说,通过剪切试验获得的表面的法向应力下2.0 MPa,被选为研究对象,在剪切方向和不同数量的配置文件中提取,如图8为配置文件数量的影响的调查统计参数和联合研究中心_p。本研究资料的数量是设置为4,6,8,10,12。相应的统计参数和联合研究中心_p如表所示2。

算术平均的统计参数Z₂科幻小说,R_p−1表2分别计算。统计参数和配置文件的数量之间的关系绘制在图9。明显,平均的值Z₂科幻小说,R_p−1分享类似的趋势,减少配置文件数量的增加4 - 12所示。其中,下降率更大Z₂和科幻小说可以观察到的比R_p从4到8概要文件数量增加时,减速之后。然而,下降率的转折点R_p发现位于配置文件数量的10。根据上述现象,避免关节表面的粗糙度参数的高估和不必要的工作量,10 - 12概要文件被认为是适当的。

图10描述了联合研究中心的变化趋势_p(Z₂),联合研究中心_p(SF)和联合研究中心_p(R_p−1)概要文件时增加从4到12。联合研究中心_p(Z₂),联合研究中心_p(SF)和联合研究中心_p(R_p−1)基本上是类似的相同的概要文件数量,尤其是对联合研究中心_p(Z₂)和联合研究中心_p(SF),显示一个下降趋势的增加数量的配置文件。因此,联合研究中心的结论_p下降速度放缓概要文件数量的增加可以推导出。请注意,联合研究中心的价值_p当概要文件的数量达到10变得稳定。结合分析概要文件数量的影响的统计参数,10的剪切面提出了联合研究中心的计算。

3.6。联合研究中心的确定_p在平行和垂直剪切方向

资料提取的等距距离平行剪切方向(y方向)和垂直于剪切方向(x方向)在图8。粗糙度统计参数和联合研究中心之间的区别_p沿着两个方向进行了研究,提供了一个依据合理的粗糙度和管接头的剪切强度测定。在这项研究中,10个概要文件的提取x和y方向的剪切表面图8。两个配置文件采用之间的间距10毫米,每个概要和测点间距为0.5毫米。的值Z₂科幻小说,R_p确定方程(1)- (3),如表所示3。每个概要文件的粗糙度与方程可以计算(4)- (6),联合研究中心_p关节的表面可以得到基于配置文件的粗糙度和方程(4)- (6)。

联合研究中心_p(Z₂),联合研究中心_p(SF)和联合研究中心_p(R_p−1)计算x和y四方向剪切表面绘制在图11。独特的差异之间存在联合研究中心的价值_p获得通过提取资料x和y方向,这表明方向的异质性。联合研究中心_p(Z₂),联合研究中心_p(SF)和联合研究中心_p(R_p−1)获得通过提取配置文件中y方向略大于那些获得通过提取配置文件中x方向。这种现象可以归因于旋转和张力的影响剪切时剪切破坏,从而导致更大的失败表面粗糙度沿着剪切方向。

与此同时,图11说明联合研究中心的价值_p(Z₂),联合研究中心_p(SF)和联合研究中心_p(R_p−1)减少随着法向应力的增加。具体来说,联合研究中心_p(Z₂通过提取档案的)获得x方向为例进行分析。联合研究中心_p(Z₂)逐渐减少时,正常的压力从0.8 MPa提高到2.0 MPa,表明联合表面变得平滑。这欠的剪切破坏和磨锯齿与法向应力的增加,导致粗糙度的降低,剪切面也更加流畅。

4所示。结论

方面的困难,准确地确定粗糙度3 d联合的价值,也就是说,联合研究中心,一个新的测定方法,基于三维激光扫描技术和休闲Python代码以及统计参数的方法,并提出了研究。得到了以下结论:(1)联合被划分为若干个矩形区域粗糙度概要文件,和联合研究中心联合承担的算术平均JRC的概要文件,它克服了传统的2 d联合研究中心的确定方法的缺点,为计算提供一定的理论指导3 d联合研究中心。(2)配备了三维激光扫描技术,关节表面的精确的三维坐标数据容易获得,因此,通过休闲Python代码被处理的数据,提取精确的粗糙度的联合。联合研究中心的每个粗糙度轮廓的价值是通过统计参数计算方法,统计参数Z₂科幻小说,R_p被选中。(3)有节的岩石的抗剪强度是通过JRC-JCS评估模型,因此,全面对比计算结果和实验结果被处决,这提供了一个良好的一致性之间的抗剪强度计算值和实验结果,验证了该方法的有效性和准确性。(4)粗糙度轮廓提取的影响因素,联合研究中心的准确性,如测点间隔,概要文件数量和方向,进行调查。较小的测点间隔可以产生更精确的数字档案。在某种程度上,概要文件的数量越多,联合研究中心的价值越小。这个概要文件的数量10在本研究建议。最后,JRC是定向的决心,导致不同的值在平行和垂直方向的剪切。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究的资金来自国家自然科学基金项目(51774322)支持中国湖南省级重点研究和发展项目(2022 sk2082)和项目(2018 jj2500)得到湖南省自然科学基金的支持。作者要感谢这些支持。

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