本發(fā)明涉及巖土工程，具體為一種基于界面孔隙度的防滲墻槽段縫剪切強(qiáng)度預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、防滲墻作為提高土石壩防滲性能的核心結(jié)構(gòu)，其槽段縫的剪切力學(xué)特性對整體防滲效果有著決定性的影響。相較于防滲墻主體部分，槽段接頭力學(xué)性質(zhì)薄弱，在后期運(yùn)行過程中壩體荷載、高水力梯度及動水力作用下極易發(fā)生剪切引起的滲漏和變形，導(dǎo)致防滲墻長期抗?jié)B性能發(fā)生劣化。

2、影響界面剪切力學(xué)特性的因素有很多，例如本體強(qiáng)度、表面粗糙度以及法向應(yīng)力等，其中表面粗糙度是影響剪切力學(xué)特性的關(guān)鍵因素，不僅決定了界面接觸面積的大小，還直接關(guān)系到剪切應(yīng)力在接觸界面上的分布和傳遞。通常采用barton提出的結(jié)構(gòu)面粗糙系數(shù)(jrc)來描述結(jié)構(gòu)面的粗糙度，jrc值一般通過與barton定義的10種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面輪廓曲線進(jìn)行視覺對比的方法進(jìn)行確定，并提出了著名的jrc-jcs峰值抗剪強(qiáng)度模型。后來提出了多種統(tǒng)計參數(shù)來描述結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)(jrc)，例如起伏度特征參數(shù)(rms)、坡度均方根一階導(dǎo)數(shù)(z2)、結(jié)構(gòu)函數(shù)(sf)和線粗糙度指數(shù)(rp)等。然而，防滲墻槽段縫界面通常是復(fù)雜的三維形態(tài)，由多個剖面線組成并形成各種不規(guī)則的形狀，jrc僅從一個方向(通常是垂直于主剪切方向)來描述防滲墻縫表面的平均特性，無法全面反映防滲墻縫表面形態(tài)的三維特征，可能導(dǎo)致對防滲墻剪切力學(xué)行為的預(yù)測不夠準(zhǔn)確。grasselli等首先通過量化結(jié)構(gòu)面的潛在接觸區(qū)域，定義了結(jié)構(gòu)面的三維粗糙度參數(shù)建立了結(jié)構(gòu)面的峰值抗剪強(qiáng)度模型。該模型根據(jù)擬合參數(shù)來描述結(jié)構(gòu)面的粗糙特征，但是無法明確擬合參數(shù)的幾何意義。后來的學(xué)者基于grasselli模型，定義了一系列的改進(jìn)模型，例如陳曦模型、xia模型、yang模型等。

3、在本發(fā)明之前，中國專利(cn115935460b)公開了一種基于實(shí)際接觸節(jié)理三維粗糙度的細(xì)觀變化及剪切速率條件的峰值抗剪強(qiáng)度模型?，F(xiàn)有的剪切模型存在明顯的缺點(diǎn)：一是假設(shè)兩側(cè)界面是完美貼合的，采用單側(cè)界面的粗糙度特征去預(yù)測抗剪強(qiáng)度，無法表征整體界面的剪切性能；二是沒有考慮界面實(shí)際接觸部分微凸體的分布情況，以及在法向應(yīng)力作用下接觸微凸體的演化過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明針對土石壩防滲墻槽段縫力學(xué)特性評估的問題和局限，提供了一種基于界面孔隙度的防滲墻槽段縫剪切強(qiáng)度預(yù)測方法，克服了傳統(tǒng)研究中采用單側(cè)界面粗糙度參數(shù)去評估剪切強(qiáng)度以及忽略法向應(yīng)力作用下的粗糙度演變的問題。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于界面孔隙度的防滲墻槽段縫剪切強(qiáng)度預(yù)測方法，一種基于界面孔隙度的防滲墻槽段縫剪切強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，所述防滲墻槽段縫剪切強(qiáng)度預(yù)測方法包括：

4、(1)建立防滲墻槽段縫上、下界面的三維幾何模型，并進(jìn)行坐標(biāo)校正，對界面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

5、(2)定義界面厚度ζ，計算上、下界面對應(yīng)網(wǎng)格微元的間距si,j以及網(wǎng)格微元面積，得到界面初始孔隙度n0和初始接觸面積a0；

6、(3)在所有界面微元中，確定垂直間距s大于0的微元，并計算出這部分微元的面積總和與界面面積總和之比；然后將垂直間距大于某個閾值s的微元面積分?jǐn)?shù)相加，得到歸一化面積分?jǐn)?shù)；根據(jù)閾值s和歸一化面積公式的表達(dá)式，確定垂直間距的分布擬合參數(shù)；

7、(4)對界面接觸面積比與法向應(yīng)力的表達(dá)式進(jìn)行修正，結(jié)合(3)中的垂直間距與歸一化面積的關(guān)系和界面初始孔隙度的計算方式，得出界面孔隙度與法向應(yīng)力的關(guān)系；

8、(5)在所有的上、下界面接觸微元中，確定微元相對該界面基準(zhǔn)線的高差h，建立高差大于某個閾值h的微元所占面積比的關(guān)系式，得到平均加權(quán)高差

9、(6)根據(jù)法向應(yīng)力σn、界面基本摩擦角本體抗壓強(qiáng)度σc、界面孔隙度n和平均加權(quán)高差得到防滲墻接縫界面抗剪強(qiáng)度模型的表達(dá)式如下：

10、

11、式中，表示與n、以及有關(guān)的擬合函數(shù)，具體形式如下：

12、

13、式中，a、b、c為擬合參數(shù)，n為界面孔隙度，為界面接觸單元加權(quán)平均高差。

14、進(jìn)一步，步驟(1)中對接縫上、下界面坐標(biāo)校正后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于高精度三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描精度小于0.02mm，將界面劃分成x、y軸等間距的四邊形網(wǎng)格微元，確保每個微元的面積相等；對于每個網(wǎng)格微元內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)，利用python中“griddata”函數(shù)的“cubic”插值法，求取界面網(wǎng)格微元(i,j)對應(yīng)的高程zi,j。

15、進(jìn)一步，在槽段縫界面掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)校正過程中，首先對上、下界面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、去除孤立點(diǎn)以及填補(bǔ)數(shù)據(jù)中的空洞等預(yù)處理，以確保數(shù)據(jù)集的完整性和可靠性；隨后，通過最近點(diǎn)(icp)算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)對齊，確保上下界面數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系統(tǒng)中精確匹配，消除由設(shè)備誤差、環(huán)境因素或樣本位置變動引起的偏差；最后，采用最小二乘法對配準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的殘差進(jìn)行量化分析，優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對齊精度，確保結(jié)構(gòu)面特征的準(zhǔn)確表達(dá)。

16、進(jìn)一步，步驟(2)中界面厚度ζ通過上、下界面最深的基準(zhǔn)線來確定，采用公式進(jìn)行計算，其中，為上界面第i行j列接觸微元相對于上界面基準(zhǔn)線的高差；為下界面對應(yīng)微元相對于下界面基準(zhǔn)線的高差。

17、進(jìn)一步，步驟(2)中上、下界面對應(yīng)網(wǎng)格微元的間距si,j計算公式為將計算結(jié)果儲存到數(shù)組中，其中si,j>0為非接觸網(wǎng)格微元，si,j＝0為接觸網(wǎng)格微元；界面初始孔隙度n0和初始接觸面積a0的計算公式為：

18、

19、式中，s0是單個微元面積，ni,nj分別為每一行、列的網(wǎng)格數(shù)量，vv是空隙體積，vtotal是界面總體積；an為輔助判斷參數(shù)，當(dāng)相對應(yīng)的網(wǎng)格微元之間的間距為0時其值為1，其他情況下其值為0。

20、進(jìn)一步，步驟(3)中大于某個閾值s的歸一化面積分?jǐn)?shù)的計算公式為

21、

22、式中，為界面未接觸微元面積總和與界面面積總和之比；smax為界面未接觸微元最大垂直間距；c為垂直間距分布參數(shù)。

23、進(jìn)一步，步驟(4)中假設(shè)巖石節(jié)理在剪切過程中其表面接觸面積可以近似由法向應(yīng)力與節(jié)理面材料的單軸抗壓強(qiáng)度之比來確定，其中，ac為對應(yīng)法向應(yīng)力下的接觸面積，σn為法向應(yīng)力，σc為材料單軸抗壓強(qiáng)度，a為總面積；根據(jù)初始接觸面積a0，將上式修改為

24、

25、進(jìn)一步，修改后的界面接觸面積ac與界面孔隙歸一化面積分?jǐn)?shù)存在相應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，可由公式假定界面在法向應(yīng)力加載過程中位移了s*，帶入上式可得出界面在法向加載過程中界面孔隙度與法向應(yīng)力的關(guān)系如下

26、

27、式中，s*為法向加載過程的法向位移，c為垂直間距s分布參數(shù)；bn為輔助判斷參數(shù)，當(dāng)相對應(yīng)的網(wǎng)格微元之間的位移間距s*大于垂向間距時其值為0，表明此時發(fā)生了接觸，反之其值為原始數(shù)值。

28、進(jìn)一步，法向應(yīng)力加載過程后界面軸向位移s*，界面厚度加載后為ζ-s*，上、下界面的接觸微元相對于界面基準(zhǔn)線高差h發(fā)生變化，根據(jù)對應(yīng)的上、下界面的高差權(quán)重去分配該微元被壓縮或斷裂的長度，按照下列公式計算：

29、

30、式中，分別為法向應(yīng)力加載過程后上、下界面對應(yīng)微元修正后的高差。

31、進(jìn)一步，步驟(5)法向應(yīng)力加載后，將si,j-s*≤0的微元判定為接觸單元，上、下界面接觸微元的高差分布用表示，其中為修正后的高差最大值，為修正后上、下界面接觸微元的總數(shù)量，為大于某個閾值h*的委員數(shù)量，d為分布參數(shù)；上、下界面接觸微元的加權(quán)平均高差由公式計算為

32、本發(fā)明的有益效果在于：

33、本發(fā)明以防滲墻槽段接頭上、下兩個接觸面的粗糙度作為研究對象，定義了接頭界面孔隙度隨法向應(yīng)力的變化關(guān)系，綜合考慮界面孔隙度對界面剪切行為的貢獻(xiàn)以及上、下界面微凸體在法向應(yīng)力作用下的演化過程，建立了防滲墻槽段界面峰值剪切強(qiáng)度計算公式，能夠更為全面的對防滲墻的抗?jié)B性能進(jìn)行評估。