[发明专利]一种岩体面裂隙的椭球模型重构方法及设备

说明书

本发明提出一种岩体面裂隙的椭球模型重构方法及设备，该方法采用椭球模型直观表达裂隙孔隙分布特征，同时对样品中裂隙孔隙分布特征进行统计分析，实现对裂隙孔隙分布特征的定量描述；本发明采用椭球体重构岩体面裂隙场，将岩体内部的面裂隙场简化为椭球体裂隙，在数学几何中便于描述，建立简化裂隙场与岩体物理力学性质以及变形破坏之间的理论关系，对裂隙岩体力学理论的发展具有重要意义。

技术领域

本发明涉及岩体分析技术领域，尤其涉及一种岩体面裂隙的椭球模型重构方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

自然界中的岩体存在大量的原生裂隙，在进行岩土工程施工时，由于人为干扰造成岩体内部应力增加或释放导致应力场变化，在完整岩体中也会生成新生裂隙。当前，国内外正在兴建大量岩土工程，特别是中国正处于基础设施快速发展时期，交通、水利、能源、矿山、国防等工程都与岩体密不可分。一般来说，岩土工程都会涉及开挖、堆载或卸载过程，岩体受到扰动后，其力学特性、强度特征、破坏形式以及工程稳定性等往往由岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面所决定，而不是由岩块本身的性质决定。在进行工程设计、施工及岩体的稳定性评价等工作时必须充分考虑这些薄弱结构面对岩体强度、变形等性能的影响。因此，裂隙岩体的破坏机理、强度特征的研究一直是岩土工程界的热点问题。

利用各种设备观测是研究岩体裂隙结构的有效手段，目前主要有光学显微镜扫描、电镜扫描、CT扫描等。以光学显微镜为代表的光学方法和以扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)为代表的电镜扫描方法可以观测和描述岩体表面的微观裂隙结构和超微孔隙结构。CT扫描实验可以观测和获取岩体内部裂隙图像。但是由于岩体天然裂隙场的高度复杂性，由CT扫描实验获得的岩体天然裂隙结构与岩体变形破坏特性之间的理论关系至今仍未被解决。

现有的简化岩体天然裂隙结构的方法主要包括球棒模型。球棒模型的基本实现过程是：首先对岩体进行CT扫描获取三维图像，然后基于灰度值或其他方法识别灰度图像中的孔裂隙，最后利用球棒模型对孔裂隙进行简化，球棒模型的简化是基于最大球法原理，对于相互连通的孔裂隙，用体积等效的球体替代，圆柱棒体代表孔喉（两者的孔径一致），球体之间通过圆柱棒体连接起来。因此建立起来的模型也叫孔喉模型。在球棒模型中“球体”被视为孔隙，而“棍棒”则被视为孔喉。此模型在直观表达孔隙孔喉分布特征的同时，通过对“球体”的定量测量与统计，即对样品中孔隙分布特征进行统计分析，可实现对孔隙分布特征的定量描述。

但是采用球棒模型用于裂隙简化存在一些问题：球棒模型是采用球体和棒体两种不同几何体，由于几何特征在理论解析中的困难，导致球棒模型简化裂隙场难以在理论上与固体力学理论之间建立关系，难以研究简化裂隙场对岩体弹性性质以及破坏的理论关系；而且在岩体中面裂隙占主导作用，同时面裂隙对岩体的力学性质有着直接影响，而球棒模型只能对孔裂隙进行简化。

发明内容

本发明提供一种岩体面裂隙的椭球模型重构方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在建立岩体宏细观力学特性的理论关系，为采矿、水利、隧道等岩石工程施工提供理论支撑。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种岩体面裂隙的椭球模型重构方法，包括：

对天然裂隙岩体进行CT扫描，获得占主导作用的岩体面裂隙的拓扑形态和空间坐标；

采用Ear-Clipping算法，对岩体CT扫描面裂隙场进行整体离散，分解得到若干空间三角形裂隙面的集合；

采用面椭球拟合每一空间三角形裂隙面，建立对应空间三角形裂隙面的控制方程，实现对岩体CT扫描面裂隙场的椭球重构拟合；

迭代求解每一所述空间三角形裂隙面的控制方程，得到对应岩体天然裂隙简化的椭球型裂隙场。

其中，建立对应空间三角形裂隙面的控制方程的步骤包括：

建立空间三角形裂隙面椭球重构的目标函数；其中，所述目标函数的约束目标是使椭球体数量最小，同时覆盖率最大；