[发明专利]结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法

说明书

一种结构面三维表面形貌的全覆盖取样方法，包括以下步骤：1)利用手持三维激光扫描仪大型的岩石结构面样品，获取结构面三维激光扫描图，并存为STL格式；2)利用MATLAB对1)中获取的图片进行数字化处理，通过X、Y、Z三轴坐标信息来表示岩石结构面粗糙信息；3)在对岩石结构面进行取样时，以边长为dcm的正方形为单位取样区域，Δd为每次推进长度，其中，Δd＜d＜D，对岩石结构面进行全覆盖取样；4)完成对样品结构面以边长为d的正方形为取样单元；5)记录(4)中个单位取样区域的结构面粗糙信息，完成了对岩石结构面的全覆盖取样。本发明极大增加了样本容量，使样本能够最大限度表征岩石结构面的粗糙信息且样本能够覆盖整个结构面。

技术领域

本发明涉及一种对大型岩石结构面的取样方法，通过使采样单元相互重叠，逐步推进取样，从而增大样本容量，且保证采样单元之间粗糙信息不丢失，从而使获得的样本集能更好的代表结构面整体。适用于对大型岩石结构面取样的场合。

背景技术

研究表明，岩体的稳定性很大程度受岩石结构面的影响。而岩石结构面的力学性质与岩石结构面的表面粗糙度密切相关。Barton等最早提出利用结构面表面粗糙度系数(JRC)来量化结构面表面粗糙度，并提出10条标准粗糙度轮廓曲线及JRC-JCS模型。此后，如何计算JRC值便成为国内外学者研究的热点。目前对计算轮廓线JRC^2d值方法的研究逐渐成熟，主要计算方法有：经验估算法、统计参数法、直边法&修正直边法和分形维数法等。此后学者们将研究方向逐渐从对轮廓线JRC^2d的研究转向对结构面JRC^3d的研究，并取得丰硕的成果。目前学者们提出了大量的结构面JRC^3d的表征方法：Rs表征法、F(θ)表征法、Z_2s表征法、表征法、表征法、三维分形维数D、BAP表征法、SR_v表征法等。但目前学者们的研究主要集中在对结构面粗糙度系数表征方法的研究上，对样品岩体结构面的取样方法的研究尚且不多。而对结构面的取样方法的合理性与否对研究者求得结构面粗糙度系数JRC值能否很好的代表结构面表面几何形态有很大的影响。

目前对岩体结构面取样方法的研究主要有以下几种：(1)随机取样法，是在结构面表面随机划取等面积的小型结构面样本，利用大量小型结构面的粗糙信息表征结构面整体粗糙信息。该取样方法获得的样本量较大，但样本覆盖的均匀性不够良好，因此样本代表性不够高，且该类方法在结构面模型的取样中的研究鲜有报道。(2)均匀取样法：游志诚等利用样本无数条剖面线的二维粗糙度系数(JRC^2d)的平均近似值来近似代替样本结构面的三维粗糙度系数(JRC^3d)：即以每个结构面岩样表面中心为中心点，从0°开始，每隔5°作为一组剪切面，共36个剪切面，每个剪切面上以1mm左右的间距切100条剖面线，随后利用结构面上大量轮廓线的粗糙信息来表征结构面整体的粗糙信息。(3)代表性取样法：2013年黄曼等提出的基于分层取样法的小尺寸模型结构面代表性取样方法，通过把100cm*100cm的模型试样均匀划分为100个10cm*10cm小网格，将研究对象从大的样品结构面转化给小的取样区间，在所选取的原岩结构面试样上标定实验方向，根据标定方向，对原岩结构面试样进行粗糙度系数定量统计测量，求得该尺寸各个测段的粗擦度系数特征值JRC0和统计均值并标记每个测段的JRC0值。根据四分位法计算得到P_0-25，P_25-75，P_75-100，三个区间的JRC统计值和方差值，并由公式求得每层样本的层权，以此确定各层的样本量，随后在每层随机抽取相应数量的样本。该方法是利用高代表性的小区域结构面样本来代表结构面整体。以上研究均以部分样本小区域结构面或轮廓线代替样本结构面作为研究对象，虽然能利用样本集较好的表征结构面整体，但在由于样本代表性还不足够高、样本覆盖的均匀程度不够良好等原因，仍无法最大限度的表征结构面整体粗糙程度。

发明内容