[发明专利]基于小波分析的岩体结构面轮廓曲线形态分离方法

说明书

一种基于小波分析的岩体结构面轮廓曲线确定方法，包括以下步骤：(1)采用轮廓曲线仪对结构面表面进行定向测量；(2)选取小波基函数；(3)最大分解尺度J，计算低频细节信号Asubgt;1/subgt;‑Asubgt;J/subgt;和高频细节信号Dsubgt;1/subgt;‑Dsubgt;J/subgt;；(4)将Asubgt;J/subgt;作为宏观几何轮廓；(5)将Dsubgt;1/subgt;‑Dsubgt;J/subgt;中每一级别的微观粗糙度高度分布频率与分布频率的信息绘制成图，依据矿物颗粒大小分布规律，将符合高斯分布，统计平均值接近0小波变换所对应的P个D之和为所求微观粗糙度；(6)将Dsubgt;1/subgt;‑Dsubgt;p/subgt;叠加在一起为分离所得微观粗糙度；(7)将原始结构面轮廓曲线除去宏观几何轮廓与微观粗糙度，剩下的就是表面起伏轮廓。本发明适用于定量确定不同类型结构面的表面轮廓形态要素。

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种基于小波分析的岩体结构面轮廓曲线分离方法，特别是本发明在岩体结构面表面形态三级划分的基础上，根据不同级别表面形态数值化处理后的频率、幅值的差异，提供了一种基于小波分析的合理分离、重构结构面表面形态的技术方案，解决了结构面起伏表面形态多级定量描述问题，显著提高了结构面表面形态描述的准确性。

背景技术

结构面的存在是岩体介质区别于其他介质的根源，更是影响岩体力学特性的重要因素。结构面对岩体的变形与破坏起着控制作用，而结构面表面形态又是结构面力学性质的重要影响因素，现有技术通常一般按平整度(Unevenness)和起伏度(Waviness)两级形态来描述岩体结构面表面形态模型，名称界线不明确，且没有说明采用二级形态的确定方法，不便于实际应用。因此，杜时贵(2005)将结构面表面形态划分为3级：宏观几何轮廓、表面起伏形态、微观粗糙度。该结构面形态划分模式充分考虑了表面形态的力学机理，形态分级的界线概念明确。本发明主要通过小波分析来实现结构面表面形态三级要素(宏观几何轮廓、表面起伏形态、微观粗糙度)的分离与重构，确定各级表面形态的性质与特征，为岩体结构面表面形态的定量描述提供科学依据，具有重要的工程实用价值。

结构面表面起伏形态不仅包含各种频率信号，还包括几乎没有任何周期或频率特征的突起等局部特征。小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化能力，多分辨率的特性使其可以提取信号任意细节的信息。这一特性恰恰符合了表面形貌微凸体多尺度分布的特点，使其在表面微观形貌重构方面得到了广泛应用。一些代表性的研究如下：

徐磊(2010)截取人工劈裂方法制备的花岗岩结构面二维轮廓线进行几何组成分析，将其分为非稳态倾向、稳态一阶起伏度、稳态二阶粗糙度三个组成部分。并利用小波分析实现了稳态一阶起伏度、稳态二阶粗糙度的分离。

潘学哉(2014)在精确测试岩块试样失稳断裂结构面表面形貌并进行数值化的基础上，定义了能量和信噪比，抽取了岩块试样断裂面不同测段进行研究，结果表明小波变换能判别不同加载模式下的岩石断裂面形貌特征差异特征。

荆君涛(2014)在原有测量数据基础上进行小波分析，将表面粗糙度从原有测量数据中分离出，减少了数据丢失。重构后的微观形貌表面均方根偏差小，为解决表面完整性综合评价提供了一种新的技术途径。

李艳娜(2015)对Mallat算法进行了优化，依据二代提升小波变换理论构建了表面形貌分离的数学模型，通过对模型的仿真实现，成功实现了表面形貌的分离。然而其提取的精确度仍有待进一步深入研究。

以上研究，尚未明确小波分析结构面表面起伏特征的分解尺度的确定方法，更没有提及结构面宏观几何轮廓、表面起伏形态、微观粗糙度的分离与重构的具体方法。由于不同级别表面形态对结构面力学性质的影响存在显著差异，为了研究结构面宏观几何轮廓、表面起伏形态、微观粗糙度对结构面抗剪强度的贡献，迫切需要提出结构面轮廓曲线的定量化分离方法。

发明内容