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度預測方法。

背景技術：

1、防滲墻作為提高土石壩防滲性能的核心結構，其槽段縫的剪切力學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，槽段接頭力學性質薄弱，在后期運行過程中壩體荷載、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、影響界面剪切力學特性的因素有很多，例如本體強度、表面粗糙度以及法向應力等，其中表面粗糙度是影響剪切力學特性的關鍵因素，不僅決定了界面接觸面積的大小，還直接關系到剪切應力在接觸界面上的分布和傳遞。通常采用barton提出的結構面粗糙系數(shù)(jrc)來描述結構面的粗糙度，jrc值一般通過與barton定義的10種標準結構面輪廓曲線進行視覺對比的方法進行確定，并提出了著名的jrc-jcs峰值抗剪強度模型。后來提出了多種統(tǒng)計參數(shù)來描述結構面的粗糙度系數(shù)(jrc)，例如起伏度特征參數(shù)(rms)、坡度均方根一階導數(shù)(z2)、結構函數(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，可能導致對防滲墻剪切力學行為的預測不夠準確。grasselli等首先通過量化結構面的潛在接觸區(qū)域，定義了結構面的三維粗糙度參數(shù)建立了結構面的峰值抗剪強度模型。該模型根據(jù)擬合參數(shù)來描述結構面的粗糙特征，但是無法明確擬合參數(shù)的幾何意義。后來的學者基于grasselli模型，定義了一系列的改進模型，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)公開了一種基于實際接觸節(jié)理三維粗糙度的細觀變化及剪切速率條件的峰值抗剪強度模型。現(xiàn)有的剪切模型存在明顯的缺點：一是假設兩側界面是完美貼合的，采用單側界面的粗糙度特征去預測抗剪強度，無法表征整體界面的剪切性能；二是沒有考慮界面實際接觸部分微凸體的分布情況，以及在法向應力作用下接觸微凸體的演化過程。

技術實現(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度預測方法，克服了傳統(tǒng)研究中采用單側界面粗糙度參數(shù)去評估剪切強度以及忽略法向應力作用下的粗糙度演變的問題。

2、本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

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

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

5、(2)定義界面厚度ζ，計算上、下界面對應網(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的微元面積分數(shù)相加，得到歸一化面積分數(shù)；根據(jù)閾值s和歸一化面積公式的表達式，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力的表達式進行修正，結合(3)中的垂直間距與歸一化面積的關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力的關系；

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系式，得到平均加權高差

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

10、

11、式中，表示與n、以及有關的擬合函數(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平均高差。

14、進一步，步驟(1)中對接縫上、下界面坐標校正后進行網(wǎng)格劃分，基于高精度三維激光掃描點云數(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)的坐標點(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)對應的高程zi,j。

15、進一步，在槽段縫界面掃描數(shù)據(jù)的坐標校正過程中，首先對上、下界面的三維點云數(shù)據(jù)進行降噪、去除孤立點以及填補數(shù)據(jù)中的空洞等預處理，以確保數(shù)據(jù)集的完整性和可靠性；隨后，通過最近點(icp)算法對點云數(shù)據(jù)進行精細對齊，確保上下界面數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的參考坐標系統(tǒng)中精確匹配，消除由設備誤差、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過程中產(chǎn)生的殘差進行量化分析，優(yōu)化點云數(shù)據(jù)的對齊精度，確保結構面特征的準確表達。

16、進一步，步驟(2)中界面厚度ζ通過上、下界面最深的基準線來確定，采用公式進行計算，其中，為上界面第i行j列接觸微元相對于上界面基準線的高差；為下界面對應微元相對于下界面基準線的高差。

17、進一步，步驟(2)中上、下界面對應網(wǎng)格微元的間距si,j計算公式為將計算結果儲存到數(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)，當相對應的網(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、進一步，步驟(3)中大于某個閾值s的歸一化面積分數(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、進一步，步驟(4)中假設巖石節(jié)理在剪切過程中其表面接觸面積可以近似由法向應力與節(jié)理面材料的單軸抗壓強度之比來確定，其中，ac為對應法向應力下的接觸面積，σn為法向應力，σc為材料單軸抗壓強度，a為總面積；根據(jù)初始接觸面積a0，將上式修改為

24、

25、進一步，修改后的界面接觸面積ac與界面孔隙歸一化面積分數(shù)存在相應的數(shù)量關系，可由公式假定界面在法向應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力的關系如下

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)，當相對應的網(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、進一步，法向應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線高差h發(fā)生變化，根據(jù)對應的上、下界面的高差權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，分別為法向應力加載過程后上、下界面對應微元修正后的高差。

31、進一步，步驟(5)法向應力加載后，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力的變化關系，綜合考慮界面孔隙度對界面剪切行為的貢獻以及上、下界面微凸體在法向應力作用下的演化過程，建立了防滲墻槽段界面峰值剪切強度計算公式，能夠更為全面的對防滲墻的抗?jié)B性能進行評估。