基于DifFUZZY法的裂隙岩体三维结构面参数模拟研究

朱纪元 陈全胜 谈嘉山 蒋晨晨 伍嘉 张子新

朱纪元, 陈全胜, 谈嘉山, 等. 2023. 基于DifFUZZY法的裂隙岩体三维结构面参数模拟研究[J]. 工程地质学报, 31(5): 1689-1695. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0204
引用本文: 朱纪元, 陈全胜, 谈嘉山, 等. 2023. 基于DifFUZZY法的裂隙岩体三维结构面参数模拟研究[J]. 工程地质学报, 31(5): 1689-1695. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0204
Zhu Jiyuan, Chen Quansheng, Tan Jiashan, et al. 2023. Cluster analysis for joint data of three-dimensional rock mass using DifFUZZY method[J]. Journal of Engineering Geology, 31(5): 1689-1695. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0204
Citation: Zhu Jiyuan, Chen Quansheng, Tan Jiashan, et al. 2023. Cluster analysis for joint data of three-dimensional rock mass using DifFUZZY method[J]. Journal of Engineering Geology, 31(5): 1689-1695. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0204

基于DifFUZZY法的裂隙岩体三维结构面参数模拟研究

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0204
基金项目: 

中电建路桥集团有限公司 HHZ-JGY-FW-03

详细信息
    作者简介:

    朱纪元(1989-),男,学士,工程师,主要从事隧道施工与管理工作. E-mail: 123456@163.com

    通讯作者:

    张子新(1966-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事隧道及地下建筑工程方面的科研与教学工作. E-mail: zxzhang@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: P642.3

CLUSTER ANALYSIS FOR JOINT DATA OF THREE-DIMENSIONAL ROCK MASS USING DifFUZZY METHOD

Funds: 

POWERCHINA Roadbridge Group Co.,Ltd. HHZ-JGY-FW-03

  • 摘要: 模糊聚类法常常用来分析三维数据组,例如节理产状等,同时,其他方法也被用于分析目标数据的组分,但传统方法在分析复杂数据时通常会遇到困难。本文基于Ornella Cominetti和Anastasios Matzavinos近年提出的一种可用于复杂数据分析的新方法,将其引入并编程实现了DifFUZZY聚类法分析岩体结构面的产状参数。研究成果表明:(1)DifFUZZY聚类法是一种简单且功能强大的新方法,它可以自动分组目标数据形成聚类,且能获得优势产状,为三维真实结构面网络模拟实现提供了新途径;(2)DifFUZZY聚类法不需要高等的结构面产状信息,而是随机选择初始数据进行优势分组后基于自身算法确定分类,并最终给出优势结构面参数,为岩石边坡等区域稳定性快速分析提供可能;(3)基于DifFUZZY聚类法可循环作用寻找聚类编号,并根据数据类型原则自动确定数据点的聚类。
  • 图  1  结构面产状参数示意图

    Figure  1.  The orientation of joint

    图  2  DifFUZZY方法与FCM方法的对比

    Figure  2.  Comparison between DifFUZZY and FCM

    图  3  DifFUZZY构建相似图形示意图

    a. 原始数据; b. 构建相似图形

    Figure  3.  Schematic diagram by DifFUZZY

    图  4  DifFUZZY方法几何示意图

    a. 原始数据;b. 构造相似图形划分硬点与软点;c. 基于随机扩散寻找组内距离软点最近的硬点;d. 将软点扩散到距离组内最近的硬点;e. 基于c和d计算软点的扩散距离

    Figure  4.  Geometry diagram by DifFUZZY

    图  5  FCM和DifFUZZY基于实例数据分组结果

    a. 实际分组; b. FCM分组; c. DifFUZZY分组

    Figure  5.  Synthetic data and the cluster results by FCM and DifFUZZY

    图  6  结构面数据(San Manual mine,Arizona)示意图

    a. 投影图; b. 投影等密度图

    Figure  6.  Data set diagram of joints(San Manual mine,Arizona)

    图  7  3组分组结果的对比

    a. San Manual mine 分组结果; b. FCM 分组结果 c. DifFUZZY 分组结果

    Figure  7.  Comparison of three-group cluster results

    表  1  FCM和DifFUZZY计算结果表

    Table  1.   Calculation results by FCM and DifFUZZY

    分组编号 实例数据/(°) FCM法/(°) DifFUZZY法/(°)
    1(*) 30/30
    (k=40,N=100)
    32.35/32.66
    (N=102)
    31.87/31.57
    (N=100)
    2(+) 140/45
    (k=10,N=60)
    137.73/47.64
    (N=63)
    138.54/47.28
    (N=61)
    3(o) 230/60
    (k=15,N=30)
    233.70/63.24
    (N=27)
    236.29/62.53
    (N=25)
    4(.) 310/75
    (k=30,N=30)
    308.89/67.90
    (N=28)
    308.92/69.62
    (N=26)
    *FCM和DifFUZZY计算结果为结构面倾向和倾角
    下载: 导出CSV

    表  2  San Manual mine实例计算结果表

    Table  2.   Calculation results of San Manual mine

    分组编号 原始分组/(°) FCM/(°) DifFUZZY/(°)
    1(*) 250/76 250.7374/68 258.59/73.70
    2(o) 350/73 245.10/75.87 346.72/76.60
    3(+) 128/26 118.9759/53.8795 127.74/26.45
    *FCM和DifFUZZY计算结果为结构面倾向和倾角
    下载: 导出CSV
  • Cominetti O, Matzavinos A, Samarasinghe S, et al. 2010. DifFUZZY:a fuzzy clustering algorithm for complex datasets[J]. International Journal of Computational Intelligence in Bioinformatics and Systems Biology, 1 (4): 402-417. doi: 10.1504/IJCIBSB.2010.038222
    Deng L C, Li X Z, Wu Y, et al. 2021. Study on water conductivity characteristics of different scale structure surfaces in Beishan site area[J]. Journal of Engineering Geology, 29 (1): 77-85.
    Gao X B, Li L H, Liao X H, et al. 2020. Numerical simulation analysis of stability of unstable rock mass with reverse engineering modeling method[J]. Journal of Engineering Geology, 28 (3): 557-564.
    Hammah R, Curran J H. 1998. Fuzzy cluster algorithm for the automatic identification of joint sets[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 35 (7): 889-905. doi: 10.1016/S0148-9062(98)00011-4
    Kulatilake P H S W, Um J, Wang M Y, et al. 2003. Stochastic fracture geometry modeling in 3-D including validations for a part of Arrowhead East Tunnel, California, USA[J]. Engineering Geology, 70(1-2): 131-155. doi: 10.1016/S0013-7952(03)00087-5
    Mahtab M A, Yegulabp T M. 1984. Similarity test for grouping orientation data in rock mechanics[C]//The 25th US Symposium on Rock Mechanics(USRMS). Alexandria: American Rock Mechanics Association: 495-502.
    Priest S. 1985. Hemispherical projection methods in rock mechanics[M]. London: George Allen & Unwin Ltd.
    Schmidt W. 1925. Gefugestatistik, Tschermaks Mineral[J]. Petrol Mitt, 38 : 392-423.
    Shanley R J, Mahtab M A. 1976. Delineation and analysis of clusters in orientation data[J]. Journal of the International Association for mathematical Geology, 1 : 9-23.
    Si C L, Zhao J, Liu Q, et al. 2015. Engineering classification and mechanical parameter analysis of structural surfaces[J]. Gansu Water Resources and Hydropower Technology, 51 (5): 36-39.
    Wang B, Tang H M, Jian W X, et al. 2006. Application of 3D network modeling rock mass discontinuities to evaluating rock mass quality for dam foundation[J]. Rock and Soil Mechanics, 27 (4): 594-596.
    Wu L X, Lü Q, Cai X H, et al. 2021. Anisotropy evaluation of rock joint roughness using rotation sampling method[J]. Journal of Engineering Geology, 29 (1): 52-58.
    Yu Q, Xue G, Chen J. 2007. Fractured rock mass block theory[M]. Beijing: China Water Power Press.
    Zhang W, Chen J P, Yuan X Q, et al. 2012. Study of size effect and spatial effect of RQD for rock masses based on three-dimensional fracture network[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 31 (7): 1437-1445.
    Zhang W, Han B, Sun H L, et al. 2020. Non-contact collection and 3D fracture network modelling for high-steep rock slopes[J]. Journal of Engineering Geology, 28 (2): 221-231. http://www.sciengine.com/doi/pdf/24A0540B5EE84CCEA12E694D7DF3F61C
    邓龙传, 李晓昭, 吴云, 等. 2021. 北山场址区不同尺度结构面导水特性研究[J]. 工程地质学报, 29 (1): 77-85. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-623
    高相波, 李丽慧, 廖小辉, 等. 2020. 基于逆向工程建模方法的危岩体稳定性数值模拟分析[J]. 工程地质学报, 28 (3): 557-564. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-252
    司长亮, 赵俊, 刘强. 2015. 结构面工程分级及力学参数分析[J]. 甘肃水利水电技术, 51 (5): 36-39.
    汪斌, 唐辉明, 简文星, 等. 2006. 结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用[J]. 岩土力学, 27 (4): 594-596.
    吴禄祥, 吕庆, 蔡学桁, 等. 2021. 基于旋转采样法的结构面粗糙度各向异性评价[J]. 工程地质学报, 29 (1): 52-58. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-091
    张文, 陈剑平, 苑晓青, 等. 2012. 基于三维裂隙网络的RQD尺寸效应与空间效应的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 31 (7): 1437-1445. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201207017.htm
    张文, 韩博, 孙昊林, 等. 2020. 高陡岩质斜坡的结构面非接触式采集技术与三维裂隙网络模拟研究[J]. 工程地质学报, 28 (2): 221-231. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-080
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-09
  • 修回日期:  2021-07-15
  • 刊出日期:  2023-10-25

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