[发明专利]一种岩石结构面形貌尺寸效应分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石结构面形貌尺寸效应分析方法，属于岩石力学领域范畴。

背景技术

大量的研究表明，岩石结构面存在明显的尺寸效应特征。早在1977年Barton和Choubey研究岩石结构面剪切强度时，就对结构面尺寸效应进行过相关论述。之后，Barton和Bandi给出了结构面粗糙度系数JRC的尺寸效应修正公式。近年来，国内外诸多学者采用分形理论中的分形维数D和截距A研究了节理面的尺寸效应，得出了参数D和A随着结构面尺寸范围的增大而减小并趋于恒定的结论。尽管国内外学者做了大量研究，但因岩石结构面的复杂性，其尺寸效应特征定量化表征仍是一个难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够定量化描述岩石结构面尺寸效应特征的分析方法，从而进一步为实验室或原位结构面力学试验提供一种选择合理尺寸试件的依据。

技术解决方案：

本发明首先获取岩石结构面三维形貌数据，然后应用地质统计学原理，计算结构面各个方向上的变异函数，通过分析变异函数特征，提出用变异函数参数（基台和变程）定量化描述岩石结构面粗糙度（JRCv）的方法，最后应用该法分析岩石结构面的尺寸效应特征。

用该方法分析岩石结构面尺寸效应特征的具体步骤如下：

（1）获取岩石结构面数字图像，用图像灰度值表示岩石结构面的三维形貌特征；

（2）以岩石结构面的三维数据为基础，按照实验变异函数计算公式                                                ，计算结构面分析方向上的点对，并绘制随变化的发展趋势图，其中，为变异函数值，代表结构面点处的起伏高度，表示结构面内点的编号，表示分析方向上两点的间距，表示分析方向上结构面内间隔为的点对数；

（3）根据变异函数值随变化的发展趋势，确定变异函数模型，应用最小二乘法进行变异函数模型拟合，确定模型参数变程a与基台C的值；

（4）用JRCv表示结构面的粗糙度，，变程a表示分析方向结构面起伏的频率，而基台C表示结构面起伏度的大小；

（5）划分结构面尺寸范围，不同尺寸范围的结构面各个方向的粗糙度JRCv重复步骤（2）—（4）获得。

本发明步骤3）中变异函数模型包括：球状模型、或对数模型、或指数模型、或高斯模型。

本发明还包括用图像灰度值表示岩石结构面三维形貌特征，具体步骤为：

①将获得的结构面图像转化为256灰度图；

②在灰度图中0代表最暗，255代表最亮，在岩石结构面中灰度最小值代表最低点，灰度最大值表示最高点，按照公式对结构面中的灰度值进行比例缩放，并使其单位转化为像素，从而使缩放后的灰度值表示结构面的实际尺寸，其中，表示结构面图像长度，单位像素，表示结构面实际长度，单位mm，表示图像中最大灰度值，表示图像中最小灰度值，表示结构面内最高点，单位mm，表示结构面内最低点，单位mm，为缩放比例系数。

本发明还包括结构面的粗糙度JRCv定量化表达。变程很好的反映了变量的影响范围，相对于所研究结构面区域，在分析方向变程较大，说明沿该方向结构面起伏的频率相对较小，而基台反映了结构面起伏度大小的变化，值越大，结构面起伏度越大，因此，结构面的粗糙度与变程成反比，与基台成正比，变程的量纲为长度的二次方，基台的量纲为长度的一次方，因此与变程，基台的关系可表示成。

本发明优点：

由于岩石结构面形貌的复杂性，其尺寸效应的定量化描述仍是该领域的难点。本发明通过分析地质统计学中变异函数参数（基台和变程）的性质特征，采用量纲分析方法，提出用JRCv（由基台和变程表示）表征结构面的粗糙度。通过计算岩石结构面不同尺寸范围的各个方向上的JRCv值，来分析岩石结构面的尺寸效应特征。分析结果为实验室或原位结构面力学试验提供了一种选择合理尺寸试件的方法，从而进一步为准确全面评价岩石结构面剪切强度提供依据。

附图说明

图1为本发明岩石结构面形貌尺寸效应分析流程图；

图2为本发明石膏结构面形貌图；

图3为本发明图像灰度值表示岩石结构面三维形貌特征流程图；

图4为本发明结构面图像数据点分布方式及分析方向示意图；

图5为本发明结构面27°方向上点对统计示意图；

图6为本发明结构面上爬坡数据示意图；