[发明专利]一种岩石结构面形貌各向异性评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石结构面形貌各向异性评价方法，属于岩石力学领域范畴。

背景技术

大量研究表明，结构面的力学行为与水力特性存在明显的各向异性，而这一特性很大程度上取决于结构面形貌的各向异性。因此，深入研究岩石结构面各向异性的特征有很重要的理论意义与实际工程应用价值。国内外的学者在岩石结构面各向异性的研究方面做了大量的工作，主要应用地理信息系统的方法、分形理论描述的方法、累计功率谱密度指数描述、结构面不同方向上剖线的粗糙度分析方法等进行研究，并取得了丰硕的成果。尽管国内外学者在这方面做了很大的努力，但因岩石结构面的复杂性，其各向异性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岩石结构面形貌各向异性评价方法，该方法能够定量评价岩石结构面各向异性特征，进而为全面评价岩石结构面剪切强度提供依据。

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）表示岩石结构面的各向异性特征的方法。

用该方法描述岩石结构面的各向异性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数据；

（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）为了便于比较分析结构面的各向异性特征，应用量纲分析、归一化处理的方法，用单一指标H表示结构面形貌各向异性特征，，其中表示基台，表示变程，表示结构面起伏高程的平均值，表示结构面分析方向长度的一半，H值能够表示结构面的各向异性特征；

（5）结构面各个方向的H值通过重复步骤（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的三维形貌特征，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：为区别结构面同一方位正反方向的各向异性特征，计算点对时采用沿分析方向上所有爬坡数据参与变异函数的计算。

本发明还包括：分析方向的确定，具体步骤为：

①图像中的像素点是以矩阵的形式存储的，首先在矩阵中建立平面直角坐标系；

②在直角坐标系中选择两个像素点；

③根据两点在直角坐标系中的位置计算方向角度，计算结果为确定的分析方向。

本发明优点：

因岩石结构面的复杂性，其各向异性特征定量化表征仍是一个难点。本发明在获取结构面三维形貌数据的基础上，利用地质统计学中的变异函数定量分析岩石结构面的各向异性特征，研究结果表明，该方法是分析结构面各向异性特征的一种非常有效地方法。

附图说明

图1为本发明岩石结构面形貌各向异性分析流程图；

图2为本发明石膏试件结构面形貌图；

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；

图7为本发明27°方向上随变化发展趋势及二级球状模型变异函数拟合结果图；