[发明专利]一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法

权利要求书

1.一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法，其特征在于：首先通过对理论公式推演及与文献数据对比提出的岩土数字REV尺度确定近似判据；然后利用近似判据确定的岩土试样数字REV的尺度；最后判断近似判据是否合理；

步骤如下：

a、首先使用分形几何理论基本方程分析岩土介质中孔隙数量与其度量尺度孔径，具体包括孔隙圆/球形等效直径或半径信息间的分形标度关系式；其次采用毛细管/束模型描述岩土多孔介质内部孔隙结构然后使用立方体REV的边长L₀代表其尺寸，理论分析几何参数关系，建立与边长L₀和最大孔隙半径r_max相关的多参数解析表达式；最后通过对该多参数解析表达式与现有的不同的多孔介质的孔隙大小分布分形维数与孔隙率关系实验数据进行拟合得到边长L₀与最大孔隙半径r_max间的近似关系，该近似关系即为岩土数字表征单元体尺度确定的近似判据；

所述的分形几何理论的基本标度方程计算总的孔隙数量表达式为：孔隙数量与孔隙半径大小间的分形标度微分关系式为：负号表明孔隙数量与半径成反比即孔隙数量随半径的增大而减小，式中，N_total为岩土介质中孔隙半径大小r_min的孔隙总数量，r′为岩土介质中孔隙大小度量尺度，孔隙半径，这里将孔隙几何形态近似等效为圆/球，r_min为最小孔隙半径，r_max为最大孔隙半径，D_f为孔隙大小分布分形维数，d为微分符号，dN为半径为r至r+dr区间内孔隙数量；

b、选择所需研究的岩土试样进行CT计算机断层扫描，获得岩土试样不同层位横断面的CT灰度图像，并根据试样尺寸与CT图像像素数量计算单个像素对应的实际物理尺寸L；将CT扫描后的上述岩土试样通过压汞法、氮气吸附法或核磁共振法实验测试获得其孔径分布曲线和最大孔径信息，然后利用岩土数字表征单元体尺度确定的近似判据确定岩土试样数字REV的实际物理尺寸L_0-x，将L_0-x/L取整处理后得到比例系数M，M即为所研究的岩土试样数字表征单元体所需的CT切片图像数量，为了消除边界效应，设单个CT切片图像选择中心M×M像素大小区域，高度方向选择中心M张CT切片图像所形成的M×M×M体素大小立方体即可认为是该岩土试样的数字表征单元体；

c、根据步骤b的要求对所需研究的岩土试样CT扫描获得的图像进行中值滤波降噪处理，采用Ostu最大类间方差法对整个岩土试样进行二值化处理，二值化后基于岩土试样CT图像的三维重构数字模型对应0/1三维稀疏矩阵，根据CT视野图像大小及岩土试样断面图像大小并考虑边界效应裁剪最大立方体参考试样，以最大立方体参考试样的8个顶点为基准点，采用8顶点立方体覆盖取样法在最大立方体参考试样中选取不同边长体素数量的子立方体试样；统计不同大小二值化后子立方体试样对应0/1三维稀疏矩阵中灰度数值为0的体素数量与总体素数量之比，对应孔隙率参数，绘制孔隙率参数随子立方体试样边长体素数的变化波动曲线，最后计算孔隙率变异系数CV随边长体素数的变化，以5％的可接受变异系数确定边长体素数N，则N即为统计确定的该岩土试样数字REV尺度；

d、对比岩土试样的数字表征单元体像素M和该岩土试样数字REV尺度N，若两者间误差≤5％，则a步骤所提出近似判据合理；若两者间误差5％，则调整步骤a中的边长L₀与最大孔隙半径r_max间拟合近似关系并重复步骤b和c直至M和N间误差≤5％。