[发明专利]一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其包括：(S1)通过偏光显微镜和高分辨率的相机采集板岩切片和板岩试件中片理构造的统计特征；(S2)采用蒙特卡罗方法根据统计特征批量生成随机板岩试样；在每个随机板岩试样的生成过程中，采用将一维随机场与二维随机场相融合的方式实现随机板岩试样多尺度特征的三维数字化重构；(S3)依据三维数字化重构的随机板岩试样建立随机有限元数值模型，用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。本方法可批量生成随机板岩试样，节省了大量的时间成本和经济成本；本专利方法三维数字化重构随机板岩试样的流程简便、易操作。

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法。

背景技术

板岩是一种具有片理构造的天然岩土工程材料，由基质和片理面组成。一方面，基质和片理面呈现出多尺度的特征；另一方面，片理结构具有一定的随机性。板岩的多尺度特征和随机性是影响其物理力学性质的重要因素。因此，对随机板岩试样的多尺度特征进行三维数字化重构，对准确预测板岩的物理力学特性具有重要的意义。

现有近似的专利“一种岩石微缺陷三维重构的方法及系统”采用激光扫描仪对岩石试样进行全局扫描，获取岩石外观特征点云数据，以此建立岩石的外观三维结构框架；采用CT扫描仪对岩石试样分层扫描，获取岩石微缺陷图像；然后，将CT扫描得到的微缺陷图像植入三维结构框架，以重构微缺陷岩石试样。“柱状节理岩体重构方法及柱状节理岩体重构体”(2020)，针对柱状节理岩体，该方法通过对柱间节理面进行描图实现柱状节理岩体的重构，该方法精度有限，且会耗费高昂的时间成本。

现有专利主要针对微缺陷等特征对岩石进行重构，而无法重构岩石的多尺度片理构造特征，诸如本专利中片理构造的板岩；现有专利重构岩石试样需要对每一个岩石试样进行激光扫描、CT扫描等手段进行信息采集，耗费了大量人力物力；岩石试样的物理力学特性及其统计特征通常需要大量的物理力学试验，耗费高昂的时间成本和经济成本。

现有技术难以三维数字化重构具有多尺度特征和随机性的板岩试样，也不能高效率的批量生成板岩试样，同时当前所采用方法需要耗费高昂的时间成本和经济成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，该方法基于随机场理论，将二维随机场和一维随机场融合起来，对具有随机片理构造特征的板岩进行三维数字化重构，并采用三维数字化重构的随机板岩试样，建立随机有限元数值模型，以用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。

本发明的技术方案是一种随机板岩试样的三维数字化重构及数值模拟方法，其包括：

(S1)通过偏光显微镜和高分辨率的相机采集板岩切片和板岩试件中片理构造的统计特征；

(S2)采用蒙特卡罗方法根据统计特征批量生成随机板岩试样；在每个随机板岩试样的生成过程中，采用将一维随机场与二维随机场相融合的方式实现随机板岩试样多尺度特征的三维数字化重构；

(S3)依据三维数字化重构的随机板岩试样建立随机有限元数值模型，用于预测板岩试样的物理力学特性及其统计特征。

本发明的进一步改进在于：步骤(S1)中通过偏光显微镜采集板岩切面图像，根据图像特征确定片理面的角度，并获取片理面厚度t的均值、方差和相关距离。

本发明的进一步改进在于：步骤(S1)中采用高分辨率相机获取板岩试件的图像，通过图像像素与试件实际尺寸之间的关系，得到片理面间距d的均值、方差和相关距离。