本技術(shù)涉及巖體工程領(lǐng)域，具體涉及一種地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的定量評價方法、裝置以及處理設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、巖體參數(shù)對于巖體工程的開挖方式和支護結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化至關(guān)重要，巖體包含完整巖石和各種不連續(xù)面(結(jié)構(gòu)面)，如節(jié)理、斷層和剪切帶，這些不連續(xù)面是巖體非連續(xù)性和非均勻性的主要來源，也是巖體參數(shù)和完整巖石參數(shù)強度存在巨大差異的根源。

2、常規(guī)室內(nèi)試驗只能確定完整巖石或者結(jié)構(gòu)面的單一強度，無法直接用于巖體強度的測試。原位試驗是確定巖體強度參數(shù)的直接方法，但是原位試驗成本巨大，特別是對于深部地下工程而言，需要布置專門的探洞(地下隧道)進行試驗，對于大部分工程而言，原位試驗所需要的試驗成本和時間成本都是無法承受的。因此，建立一種間接評估巖體強度的方法至關(guān)重要。

3、目前，評價巖體強度參數(shù)主要通過降低完整巖石的強度參數(shù)來考慮不連續(xù)面的影響，例如，hoek-brown(h-b)準則是應(yīng)用最為廣泛的巖體強度準則。h-b準則中分別從巖體結(jié)構(gòu)和節(jié)理面狀況兩個方面確定地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)(geological?strength?index，gsi)，從而實現(xiàn)完整巖石強度參數(shù)到巖體強度參數(shù)的折減。但是，對應(yīng)提出的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)確定方法是基于定性描述的，導(dǎo)致結(jié)果存在較大的主觀性，從而導(dǎo)致巖體參數(shù)評估結(jié)果存在較大差異。又例如，還有基于節(jié)理條件因子(jcf)、巖體質(zhì)量評級(rmr)或者巖體波速來確定地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的方法。但是這些方法通常是基于經(jīng)驗公式定義的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)，或參數(shù)的確定仍然是經(jīng)驗性(例如rmr)的。

4、由此可見，對于地質(zhì)強度指標(biāo)的現(xiàn)有確定方法，受到明顯的人為主觀性的影響，帶來的不穩(wěn)定性不利于實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的定量評價方法、裝置以及處理設(shè)備，用于基于巖體工程涉及的節(jié)理形貌和節(jié)理強度參數(shù)，通過三維激光掃描、直接剪切試驗和單軸壓縮試驗的確定性結(jié)果，來對巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)進行高精度的定量評估，盡可能地消除人為主觀性的影響，具有較佳的應(yīng)用價值。

2、第一方面，本技術(shù)提供了一種地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的定量評價方法，方法包括：

3、針對巖體工程，對于現(xiàn)場鉆孔巖芯中獲取到的巖芯段，通過三維激光掃描儀進行掃描，得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面點云；

4、基于結(jié)構(gòu)面點云，計算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0；

5、對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0進行修正，得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn；

6、基于巖芯段展開直接剪切試驗和單軸壓縮試驗；

7、根據(jù)剪切試驗結(jié)果和壓縮試驗結(jié)果，計算殘余摩擦角φr；

8、基于現(xiàn)場鉆孔巖芯的取樣現(xiàn)場的拍攝圖像，計算節(jié)理存續(xù)系數(shù)p；

9、基于結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn、殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi。

10、結(jié)合本技術(shù)第一方面，在本技術(shù)第一方面第一種可能的實現(xiàn)方式中，基于結(jié)構(gòu)面點云，計算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc，包括：

11、基于結(jié)構(gòu)面點云，通過下式計算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc：

12、jrc＝32.2+32.47log(z2)，

13、

14、

15、其中，z2為中間量，xi為結(jié)構(gòu)面輪廓線上第i個點的水平坐標(biāo)，yi為結(jié)構(gòu)面輪廓線上第i個點的高度，δs為采樣間隔，n為點云的總數(shù)，l為結(jié)構(gòu)面輪廓線的長度。

16、結(jié)合本技術(shù)第一方面，在本技術(shù)第一方面第二種可能的實現(xiàn)方式中，對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0進行修正，得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn，包括：

17、通過下式對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0進行修正，得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn：

18、

19、其中，ln為巖芯段的節(jié)理長度，l0為巖芯段取樣現(xiàn)場與巖芯段同一個結(jié)構(gòu)面的巖體的節(jié)理長度。

20、結(jié)合本技術(shù)第一方面，在本技術(shù)第一方面第三種可能的實現(xiàn)方式中，根據(jù)剪切試驗結(jié)果和壓縮試驗結(jié)果，計算殘余摩擦角φr，包括：

21、根據(jù)剪切試驗結(jié)果和壓縮試驗結(jié)果，通過下式計算殘余摩擦角φr：

22、

23、其中，τj為剪切試驗結(jié)果中的結(jié)構(gòu)面抗剪強度，σn為剪切試驗結(jié)果中的法向應(yīng)力，jcs為壓縮試驗結(jié)果中的結(jié)構(gòu)面抗壓強度。

24、結(jié)合本技術(shù)第一方面，在本技術(shù)第一方面第四種可能的實現(xiàn)方式中，基于現(xiàn)場鉆孔巖芯的取樣現(xiàn)場的拍攝圖像，計算節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，包括：

25、基于現(xiàn)場鉆孔巖芯的取樣現(xiàn)場的拍攝圖像，識別相應(yīng)參數(shù)；

26、在相應(yīng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過下式計算節(jié)理存續(xù)系數(shù)p：

27、

28、其中，在拍攝圖像中設(shè)置長度為1m*1m的網(wǎng)格中，包含結(jié)構(gòu)面的為含結(jié)構(gòu)面巖體，含結(jié)構(gòu)面巖體的網(wǎng)格數(shù)量為nj，不包含結(jié)構(gòu)面的為完整巖石，完整巖石的網(wǎng)格數(shù)量為ni。

29、結(jié)合本技術(shù)第一方面，在本技術(shù)第一方面第五種可能的實現(xiàn)方式中，基于結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn、殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi，包括：

30、基于殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，通過下式計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi：

31、

32、其中，φj為jrcn與φr的和。

33、結(jié)合本技術(shù)第一方面第五種可能的實現(xiàn)方式，在本技術(shù)第一方面第六種可能的實現(xiàn)方式中，基于結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn、殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi之后，方法還包括：

34、使用貝葉斯理論衡量不確定性，在地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi的計算公式的基礎(chǔ)上，引入模型誤差項∈，轉(zhuǎn)換得到：

35、

36、其中，w0至w5為待確定模型參數(shù)；

37、假定模型誤差項∈服從正態(tài)分布，假定模型誤差項∈的均值為0，標(biāo)準差為σ∈，模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈對應(yīng)貝葉斯理論的先驗分布為：

38、

39、其中，w為模型參數(shù)w0,w1,…,w5，γ(α,β)是伽馬分布，為模型誤差項∈的先驗分布，α為形狀參數(shù)，β為速率參數(shù)，為模型參數(shù)w0,w1,…,w5的先驗分布，upperwi和lowerwi是對應(yīng)模型參數(shù)w0,w1,…,w5的均勻分布的上界和下界，

40、假定每次測量的結(jié)果都是獨立的，測量誤差符合獨立同分布假定，假定計算的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi符合正態(tài)分布，則有以下的貝葉斯理論的似然函數(shù)：

41、

42、此時，評價地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi的概率模型的后驗分布有：

43、

44、使用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法從后驗分布的的公式中進行抽樣，得到模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈的樣本xi，然后，分別根據(jù)下式計算樣本的均值和標(biāo)準差：

45、

46、

47、其中，樣本xi對應(yīng)模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈的樣本值；

48、基于模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈的概率分布，得到衡量地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi不確定性的關(guān)系式：

49、

50、其中，gsi～normal(y)表示地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi服從y的分布，表示以為均值、以σ∈為標(biāo)準差的正態(tài)分布。

51、第二方面，本技術(shù)提供了一種地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的定量評價裝置，裝置包括：

52、掃描單元，用于針對巖體工程，對于現(xiàn)場鉆孔巖芯中獲取到的巖芯段，通過三維激光掃描儀進行掃描，得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面點云；

53、第一計算單元，用于基于結(jié)構(gòu)面點云，計算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0；

54、修正單元，用于對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0進行修正，得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn；

55、試驗單元，用于基于巖芯段展開直接剪切試驗和單軸壓縮試驗；

56、第二計算單元，用于根據(jù)剪切試驗結(jié)果和壓縮試驗結(jié)果，計算殘余摩擦角φr；

57、第三計算單元，用于基于現(xiàn)場鉆孔巖芯的取樣現(xiàn)場的拍攝圖像，計算節(jié)理存續(xù)系數(shù)p；

58、第四計算單元，用于基于結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn、殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi。

59、結(jié)合本技術(shù)第二方面，在本技術(shù)第二方面第一種可能的實現(xiàn)方式中，第一計算單元，具體用于：

60、基于結(jié)構(gòu)面點云，通過下式計算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc：

61、jrc＝32.2+32.47log(z2)，

62、

63、

64、其中，z2為中間量，xi為結(jié)構(gòu)面輪廓線上第i個點的水平坐標(biāo)，yi為結(jié)構(gòu)面輪廓線上第i個點的高度，δs為采樣間隔，n為點云的總數(shù)，l為結(jié)構(gòu)面輪廓線的長度。

65、結(jié)合本技術(shù)第二方面，在本技術(shù)第二方面第二種可能的實現(xiàn)方式中，修正單元，具體用于：

66、通過下式對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0進行修正，得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn：

67、

68、其中，ln為巖芯段的節(jié)理長度，l0為巖芯段取樣現(xiàn)場與巖芯段同一個結(jié)構(gòu)面的巖體的節(jié)理長度。

69、結(jié)合本技術(shù)第二方面，在本技術(shù)第二方面第三種可能的實現(xiàn)方式中，第二計算單元，具體用于：

70、根據(jù)剪切試驗結(jié)果和壓縮試驗結(jié)果，通過下式計算殘余摩擦角φr：

71、

72、其中，τj為剪切試驗結(jié)果中的結(jié)構(gòu)面抗剪強度，σn為剪切試驗結(jié)果中的法向應(yīng)力，jcs為壓縮試驗結(jié)果中的結(jié)構(gòu)面抗壓強度。

73、結(jié)合本技術(shù)第二方面，在本技術(shù)第二方面第四種可能的實現(xiàn)方式中，第三計算單元，具體用于：

74、基于現(xiàn)場鉆孔巖芯的取樣現(xiàn)場的拍攝圖像，識別相應(yīng)參數(shù)；

75、在相應(yīng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過下式計算節(jié)理存續(xù)系數(shù)p：

76、

77、其中，在拍攝圖像中設(shè)置長度為1m*1m的網(wǎng)格中，包含結(jié)構(gòu)面的為含結(jié)構(gòu)面巖體，含結(jié)構(gòu)面巖體的網(wǎng)格數(shù)量為nj，不包含結(jié)構(gòu)面的為完整巖石，完整巖石的網(wǎng)格數(shù)量為ni。

78、結(jié)合本技術(shù)第二方面，在本技術(shù)第二方面第五種可能的實現(xiàn)方式中，第四計算單元，具體用于：

79、基于殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，通過下式計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi：

80、

81、其中，φj為jrcn與φr的和。

82、結(jié)合本技術(shù)第二方面第五種可能的實現(xiàn)方式，在本技術(shù)第二方面第六種可能的實現(xiàn)方式中，裝置還包括第五計算單元，用于：

83、使用貝葉斯理論衡量不確定性，在地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi的計算公式的基礎(chǔ)上，引入模型誤差項∈，轉(zhuǎn)換得到：

84、

85、其中，w0至w5為待確定模型參數(shù)；

86、假定模型誤差項∈服從正態(tài)分布，假定模型誤差項∈的均值為0，標(biāo)準差為σ∈，模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈對應(yīng)貝葉斯理論的先驗分布為：

87、

88、其中，w為模型參數(shù)w0,w1,…,w5，γ(α,β)是伽馬分布，為模型誤差項∈的先驗分布，α為形狀參數(shù)，β為速率參數(shù)，為模型參數(shù)w0,w1,…,w5的先驗分布，upperwi和lowerwi是對應(yīng)模型參數(shù)w0,w1,…,w5的均勻分布的上界和下界，

89、假定每次測量的結(jié)果都是獨立的，測量誤差符合獨立同分布假定，假定計算的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi符合正態(tài)分布，則有以下的貝葉斯理論的似然函數(shù)：

90、

91、此時，評價地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi的概率模型的后驗分布有：

92、

93、使用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法從后驗分布的的公式中進行抽樣，得到模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈的樣本xi，然后，分別根據(jù)下式計算樣本的均值和標(biāo)準差：

94、

95、

96、其中，樣本xi對應(yīng)模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈的樣本值；

97、基于模型參數(shù)w0,w1,…,w5和模型誤差項∈的概率分布，得到衡量地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi不確定性的關(guān)系式：

98、

99、其中，gsi～normal(y)表示地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi服從y的分布，表示以為均值、以σ∈為標(biāo)準差的正態(tài)分布。

100、第三方面，本技術(shù)提供了一種處理設(shè)備，包括處理器和存儲器，存儲器中存儲有計算機程序，處理器調(diào)用存儲器中的計算機程序時執(zhí)行本技術(shù)第一方面或者本技術(shù)第一方面任一種可能的實現(xiàn)方式提供的方法。

101、第四方面，本技術(shù)提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有多條指令，指令適于處理器進行加載，以執(zhí)行本技術(shù)第一方面或者本技術(shù)第一方面任一種可能的實現(xiàn)方式提供的方法。

102、從以上內(nèi)容可得出，本技術(shù)具有以下的有益效果：

103、一種地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的定量評價方法，其特征在于，所述方法包括：

104、面對地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的定量評價需求，本技術(shù)針對巖體工程，對于現(xiàn)場鉆孔巖芯中獲取到的巖芯段，通過三維激光掃描儀進行掃描，得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面點云，基于結(jié)構(gòu)面點云，計算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0，對結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrc0進行修正，得到結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn，基于巖芯段展開直接剪切試驗和單軸壓縮試驗，根據(jù)剪切試驗結(jié)果和壓縮試驗結(jié)果，計算殘余摩擦角φr，基于現(xiàn)場鉆孔巖芯的取樣現(xiàn)場的拍攝圖像，計算節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，此時基于結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)值jrcn、殘余摩擦角φr和節(jié)理存續(xù)系數(shù)p，計算巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)值gsi，在這過程中，本技術(shù)基于巖體工程涉及的節(jié)理形貌和節(jié)理強度參數(shù)，通過三維激光掃描、直接剪切試驗和單軸壓縮試驗的確定性結(jié)果，來對巖體工程的地質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)進行高精度的定量評估，盡可能地消除人為主觀性的影響，具有較佳的應(yīng)用價值。