一种基于计算机图形学的岩石质量评级方法文献综述

 2022-10-25 12:10

文献综述（或调研报告）：

我们倾向于认为岩石工程是一门现代学科，然而，早在1773年，库仑就在巴黎法国学院之前的一篇论文中读到了波尔多岩石测试的结果。1920年，约瑟夫·斯蒂尼开始在维也纳技术大学教授“技术地质学”，在1958年去世之前，他发表了333篇论文和书籍。他创立了Geologie und Bauwesen期刊，这是当今岩石力学期刊的前身，可能是第一个强调结构不连续性对岩体工程重要性的刊物。 来自不同学科的其他着名科学家和工程师在本世纪初对岩石行为做了一些有趣的工作。1921年，格里菲斯提出了他的脆性材料失效理论，并于1931年开始使用离心机研究模拟重力荷载下矿井模型的失效。

这些人中没有一个人会将自己归类为岩石工程师或岩石力学工程师，但是他们所有人都对今天岩石力学的发展做出了重大贡献。岩石工程或岩石力学的正式发展可以追溯到20世纪60年代初期。

对于大裂缝岩体的稳定性评估通常使用不同的方法进行，从简单的极限平衡分析到更复杂的二维或三维数值模型。然而，在离散结构可能控制失效的情况下，单独使用岩体特性的分析可能是不合适的，离散裂缝网络（DFN）模型提供了正确的工具来明确考虑裂缝在控制岩体行为中的重要作用。在解决岩桥失效问题时，这一方面更为重要。岩桥分析对岩体边坡岩体破坏和地下洞室稳定性评价起着至关重要的作用。其他重要的应用是量化地下提取中的二次碎裂。简单来说，岩桥是完整岩石的一部分，被裂缝包围。岩石桥梁很重要，因为岩石破裂（由于自然原因或人类活动）可能会连接较大的现有不连续组，这反过来可能导致在形成较大的破坏面。现有不连续点的位置，大小，方向，空间布局和拓扑结构是分析岩桥的关键因素。拓扑解释了不连续性之间的相互联系，因此对岩桥的定义有帮助。其他因素如孔径和粗糙度同样重要，但在目前的岩桥分析中很少考虑。

Martin强调了解释完整岩石破坏的重要性，他指出，对于中等硬度岩石中高度超过300米的斜坡，低于10％的岩石桥梁的出现将提供足够的强度以避免失效。在过去的30年中，已经提出了几种概率极限平衡方法，其将步进路径分析结合到岩石边坡设计中。用于阶梯路径失效的联合聚结模式受到岩体织物的高度影响，其可以根据接缝的长度，重叠和间距来表征。显然，对于高度节理的岩体，岩桥的定义将成为几何，材料特性和应用场应力之间的复杂相互作用。传统上，专家评估裂缝数据以区分岩桥。工作流程包括绘制裂缝图，潜在路径的视觉检查（通常针对特定方向定制），测量所选裂缝之间的距离，起草路径及最终评估。虽然这个过程可能看起来很简单，但是，即使是一小部分断裂，定义所有可能的岩桥路径也可能是一个非常冗长的过程，受到人为错误和模型不确定性等因素的综合影响。由于缺乏对岩桥构成的明确定义以及在不干扰岩体的情况下直接在现场测量岩桥的不可能性，这些困难会进一步加大。

为了克服上述一些局限性，我们将从一个新颖的角度探索解决岩桥问题方法：岩体中的互锁程度。可以假设，对于裂缝岩体，越容易在现有的不连续处形成多条路径，岩石质量的连接和互锁程度越高，相反，可用的岩石桥梁数量越少。因此，我们的岩桥分析纯粹基于裂缝的几何属性及其拓扑进行，并且仅需要输入映射的不连续性数据。该解决方案可以有效地针对规模较大的问题。对于较大规模的模型，并非所有不连续性都可以明确表示，因此，重要的是要知道不能以离散方式建模的岩体部分的互锁程度。对于具有代表性的岩体体积，从根本上说，该方法可以识别裂隙岩体内的多个关键路径，然后用于确定岩体的互锁程度和阻塞特征。有了这些信息，就可以利用地质强度指数和岩体破坏准则等分类系统来确定岩桥对岩体强度的贡献。可选地，如果需要，然后可以在不同的加载条件下在地质力学不连续体或混合连续体/不连续代码中嵌入和测试关键路径。更好地研究任何各向异性效应。我们解决方案的核心是建立在智能利用图形理论工具的基础上，用于确定，观察，测量和分类岩桥。

在文献中，完整的岩石桥通常被定义为分离不连续表面的完整岩石的一部分。在Jennings和Einstein中，这个定义与关节持续性的概念有关，岩石桥被定义为不连续的关节表面积的分数，或者接合段的总长度（沿接合平面上的给定线测量）到给定线的总长度。更一般地，任何彼此不相交的直接邻近关节之间的任何间隙可以被认为是岩桥。类似地，岩石桥可以存在于预先存在的关节组之间。直观地，岩石桥的长度将是不同的，其他属性（例如取向）也是如此。因此，可以在尺寸和方向方面定义岩石桥，以确定在特定方向上的任何潜在的最佳路径。图1示出了二维断裂网络（例如，多组线）。

图1

对岩石桥梁的分析始于界定感兴趣的领域。域可以以各种格式定义，例如通过封装研究区域的两条平行线。在图1所示的示例中，域是由两个单元左右边缘限定的单位正方形区域。该过程通过检查所有可能的附近或更远的裂缝之间的所有可能的连接，完全组合，最终导致最佳路径。由于交叉裂缝形成簇，因此通过簇最佳地进行这些裂缝的连接评估。实际上，群集公式是裂缝的一般化版本，因为单个孤立的裂缝可以合法地归类为单一成员群。从上述工作流程中可以明显看出，连接评估的数量可能呈指数增长。

从传统的角度来看，对于非常小的裂缝网络，在视觉上确定岩桥是非常简单的。然而，即使是中等尺寸的裂缝网络，视觉方法也不可能立即进行。例如，找到图1所示的简单裂缝网络的最佳岩桥并不是一项简单的任务，此外，完成任务可能需要几个小时，并且还会包含许多错误（例如，缺少路径和距离测量中的错误）。电脑化（即自动化）方法将有助于解决所有这些困难。此外，它肯定有助于避免错误，因此可以产生更可靠的解决方案。基于我们在Matlab中的代码实现，非常小的计算时间，例如，从小到大（几万个大小）的裂缝网络的几分之二到几分钟是我们提案的另一个重要好处，甚至可以为分析开辟新的方面。

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