CN107292017A - 一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法 - Google Patents
一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107292017A CN107292017A CN201710453723.0A CN201710453723A CN107292017A CN 107292017 A CN107292017 A CN 107292017A CN 201710453723 A CN201710453723 A CN 201710453723A CN 107292017 A CN107292017 A CN 107292017A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- structural plane
- value
- fractal
- rock
- structural
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明提供了一种岩石结构面实验室内合理尺寸确定的多重分形参数分析方法，应用多重分形参数表征岩石结构面粗糙度，分析了岩石结构面粗糙度的尺寸效应规律，并给出了函数关系式，提出了用函数曲线斜率倾角确定岩石结构面实验室内合理尺寸的新方法。本发明克服了通过计算岩石结构面二维剖面线分形维数来研究结构面尺寸效应片面性的缺点，使得岩石结构面的尺寸效应分析结果更为精确，为实验室内岩石结构面合理尺寸的确定提供了理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及岩石结构面尺寸效应的定量化表征，特别涉及一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法。
背景技术
大量试验表明，岩石结构面的力学性质是存在尺寸效应的，而这一现象主要源于结构面粗糙度的尺寸效应。因此，在实验室如何利用结构面的粗糙信息规律确定合理的岩石试件尺寸具有重要的现实意义。目前表示结构面粗糙度的方法主要有统计参数表征法，分形维数描述法。分形几何是描述自然界不规则几何体的有效方法，因此，分形维数描述结构面粗糙度的成果较多。然而，在应用分形维数研究结构面的尺寸效应规律方面，目前仅局限于采用结构面某一或某几条剖面线的分形维数来描述，这样存在以偏概全的缺陷。另外，研究也表明，岩石结构面粗糙度具有多重分形特征。然而，应用多重分形参数研究岩石结构面粗糙度的尺寸效应规律鲜有报道。因此，为了克服上述不足，本发明应用三维扫描仪获取岩石结构面形貌数据，采用改进投影覆盖法计算不同尺寸大小结构面的多重分形参数，分析其变化规律，给出其函数表达式，提出采用函数斜率倾角确定实验室内同类型结构面的合理尺寸的新方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种更为精确的岩石结构面实验室合理尺寸的确定方法。
本发明提供一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法，包括以下步骤：
根据需要按照不同尺寸划分方案，将结构面划分为大小不同的区域；
计算各区域结构面的多重分形参数值；
研究大小不同结构面多重分形参数的变化规律，给出各尺寸划分方案下结构面尺寸效应的函数关系式，用对数函数关系和表示，所述的a、b分别为系数，ΔD、Δa是多重分形参数，L0为基础结构面边长，L0＝32mm，L为所计算结构面的边长，L>L0；
比较各方案结构面尺寸效应函数关系式，以系数a的绝对值最大的函数关系式作为确定实验室内岩石结构面合理尺寸的计算依据；
当函数和曲线某一点斜率倾角等于K°时，将该点值作为结构面的合理临界尺寸，亦即求解时，L的值，所述的K是评判指标，通过在实验室比较函数斜率较小时的两块岩石结构面的力学性能，验证后进行确定。
所述的计算各区域结构面的多重分形参数值的步骤具体为：
(1)获取该区域结构面的三维形貌数据，包括结构面各点的高度信息，所述高度信息是指该点与结构面内最低点的落差；
(2)测度距q分别取值[-45,45]的整数，重复进行步骤(3)至(8)；
(3)尺度变量δ分别取值重复进行步骤(4)至(6)；
(4)将结构面划分成δ-1×δ-1个小网格，采用函数rand()生成随机数，判断所生成随机数的奇偶性，根据随机数的奇偶性选择小网格中三角形的不同划分方案，按照海伦公式计算每个小网格的面积Ai(δ)，其中i＝1,2,…,δ-1×δ-1，进而计算结构面的总面积
(5)计算每个小网格的结构面粗糙性概率pi(δ)，
(6)计算每个小网格的测度ui(q,δ)，进一步计算log(1/δ)以及
(7)按照最小二乘法分别对不同尺度变量δ下的
和的数据点对进行拟合，分别得到拟合函数的斜率，就是测度距为q时多重分形谱参数f(a)和a(q)的值；
(8)根据测度距q对应的f(a)和a(q)值，计算测度距q对应的广义分形维数Dq，其中q≠1时，
(9)计算结构面多重分形谱特征参数ΔD(q)和Δa(q)，ΔD(q)＝maxDq-minDq，Δa(q)＝maxa(q)-mina(q)；
(10)重复上述(2)至(9)步，直至达到抽样次数要求，将抽样数据置入数据处理软件EXCEL中，利用函数NORMDIST求解累积概率值，通过累积概率值判定抽样结果是否满足3σ法则即抽样结果落在[μ-3σ，μ+3σ]范围内，若满足，则可给出结构面多重分形参数ΔD(q)和Δa(q)概率密度分布函数，并将此抽样结果的均值作为所研究结构面多重分形参数的精准计算值。
本发明的有益效果是提出了应用多重分形参数随岩石结构面大小的变化规律确定其实验室内合理尺寸的新方法，克服了通过计算岩石结构面二维剖面线分形维数来研究结构面尺寸效应片面性的缺点，使得岩石结构面的尺寸效应分析结果更为精确，为实验室内岩石结构面合理尺寸的确定提供了理论依据。
附图说明
图1为本发明岩石结构面实验室内合理尺寸确定多重分形参数计算分析流程图；
图2为本发明岩石各区域结构面多重分形参数计算流程图；
图3为本发明小网格中三角形划分方案图；
图4为本发明岩石结构面形貌及尺寸划分方案图；
图5为本发明岩石结构面多重分形参数ΔD(q)随尺寸大小变化的发展趋势图(方案3)；
图6为本发明岩石结构面多重分形参数Δa(q)随尺寸大小变化的发展趋势图(方案3)。
图7为本发明实施例中多重分形参数ΔD所确定下的合理尺寸(348mm)
图8为本发明实施例中多重分形参数Δa所确定下的合理尺寸(353mm)
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1来说明本实施方式所述的一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法，包括以下步骤：
根据需要按照不同尺寸划分方案，将结构面划分为大小不同的区域；
计算各区域结构面的多重分形参数值；
研究大小不同结构面多重分形参数的变化规律，给出各尺寸划分方案下结构面尺寸效应的函数关系式，用对数函数关系和表示，所述的a、b分别为系数，ΔD、Δa是多重分形参数，L0为基础结构面边长，L0＝32mm，L为所计算结构面的边长，L>L0；
比较各方案结构面尺寸效应函数关系式，以系数a的绝对值最大的函数关系式作为确定实验室内岩石结构面合理尺寸的计算依据；
当函数和曲线某一点斜率倾角等于K°时，将该点值作为结构面的合理临界尺寸，亦即求解时L的值，所述的K是评判指标，通过在实验室比较函数斜率较小时的两块岩石结构面的力学性能，验证后进行确定。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法的进一步限定，如图2所示，所述的计算各区域结构面的多重分形参数值的步骤为：
(1)获取该区域结构面的三维形貌数据，包括结构面各点的高度信息，所述高度信息是指该点与结构面内最低点的落差；
(2)测度距q分别取值[-45,45]的整数，重复进行步骤(3)至(8)；
(3)尺度变量δ分别取值重复进行步骤(4)至(6)；
(4)将结构面划分成δ-1×δ-1个小网格，采用函数rand()生成随机数，判断所生成随机数的奇偶性，根据随机数的奇偶性选择小网格中三角形的不同划分方案，按照海伦公式计算每个小网格的面积Ai(δ)，其中i＝1,2,…,δ-1×δ-1，进而计算结构面的总面积
(5)计算每个小网格的结构面粗糙性概率pi(δ)，
(6)计算每个小网格的测度ui(q,δ)，进一步计算log(1/δ)以及
(7)按照最小二乘法分别对不同尺度变量δ下的
和的数据点对进行拟合，分别得到拟合函数的斜率，就是测度距为q时多重分形谱参数f(a)和a(q)的值；
(8)根据测度距q对应的f(a)和a(q)值，计算测度距q对应的广义分形维数Dq，其中q≠1时，
(9)计算结构面多重分形谱特征参数ΔD(q)和Δa(q)，ΔD(q)＝maxDq-minDq，Δa(q)＝maxa(q)-mina(q)；
(10)重复上述(2)至(9)步，直至达到抽样次数要求，将抽样数据置入数据处理软件EXCEL中，利用函数NORMDIST求解累积概率值，通过累积概率值判定抽样结果是否满足3σ法则即抽样结果落在[μ-3σ，μ+3σ]范围内，若满足，则可给出结构面多重分形参数ΔD(q)和Δa(q)概率密度分布函数，并将此抽样结果的均值作为所研究结构面多重分形参数的精准计算值。
下面通过具体实施例，对本发明做进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例计算了一个天然红砂岩结构面的多重分形参数，该结构面规格长×宽为1024mm×1024mm，
1.结构面三维形貌信息数据获取
采用三维扫描仪EinScan-S获取结构面形貌信息数据。采集的数据保存于Excel中，以便下一步计算分析。
2.岩石结构面多重分形参数计算
按照图1计算步骤，每个小网格三角形划分采用图3所示两种方案，在计算过程中随机选择其中一种，对图4结构面的多重分形参数(ΔD(q)、Δa(q))进行计算。每次计算，参数q的取值为：最小值-50，最大值50。本次结构面尺寸大小划分方案如图4所示，共进行5种不同划分方案下的多重分形参数计算。每种方案划分为5个尺寸不同的结构面，每个结构面共抽样计算了30次。表1是方案3结构面多重分形参数30次抽样计算结果汇总表。因数据较多，其余4种方案计算结果不再列表。
表1方案3结构面多重分形参数30次抽样计算结果汇总表
3.岩石结构面实验室内合理尺寸确定
统计分析表1数据，其分形参数ΔD(q)、Δa(q)与的关系分别为f(ΔD)＝-0.19ln(L/L0)+0.9244和f(Δa)＝-0.193ln(L/L0)+0.9875；其发展趋势图分别见图5和图6。图4五种方案结构面尺寸效应函数关系式见表2。
表2五种方案结构面尺寸效应函数关系式
比较各关系式系数a的绝对值，方案3的函数关系式系数a的绝对值最大，分别为0.19和0.193。由此，用函数关系式f(ΔD)＝-0.19ln(L/L0)+0.9244或f(Δa)＝-0.193ln(L/L0)+0.9875作为确定实验室内该类型岩石结构面合理尺寸的计算依据。本实施例中通过验证后得出判定评判指标K为1，分别求解曲线某一点斜率倾角等于1°时的L值，即
与得L的值分别为348.3mm、353.8mm。如图7和图8所示，若用参数ΔD(q)评估，室内该类型结构面合理尺寸为348.3mm；若用参数Δa(q)评估，室内该类型结构面合理尺寸为353.8mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式和实施例，本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明不加创造性地加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据需要按照不同尺寸划分方案，将结构面划分为大小不同的区域；
计算各区域结构面的多重分形参数值；
研究大小不同结构面多重分形参数的变化规律，给出各尺寸划分方案下结构面尺寸效应的函数关系式，用对数函数关系和表示，所述的a、b分别为系数，ΔD、Δa是多重分形参数，L0为基础结构面边长，L0＝32mm，L为所计算结构面的边长，L>L0；
比较各方案结构面尺寸效应函数关系式，以系数a的绝对值最大的函数关系式作为确定实验室内岩石结构面合理尺寸的计算依据；
当函数和曲线某一点斜率倾角等于K°时，将该点值作为结构面的合理临界尺寸，亦即求解时，L的值，所述的K是评判指标，通过在实验室比较函数斜率较小时的两块岩石结构面的力学性能，验证后进行确定。
2.根据权利要求1所述的一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法，其特征在于，所述的计算各区域结构面的多重分形参数值的步骤为：
(1)获取该区域结构面的三维形貌数据，包括结构面各点的高度信息，所述高度信息是指该点与结构面内最低点的落差；
(2)测度距q分别取值[-45,45]的整数，重复进行步骤(3)至(8)；
(3)尺度变量δ分别取值重复进行步骤(4)至(6)；
(4)将结构面划分成δ-1×δ-1个小网格，采用函数rand()生成随机数，判断所生成随机数的奇偶性，根据随机数的奇偶性选择小网格中三角形的不同划分方案，按照海伦公式计算每个小网格的面积Ai(δ)，其中i＝1,2,…,δ-1×δ-1，进而计算结构面的总面积
(5)计算每个小网格的结构面粗糙性概率pi(δ)，
(6)计算每个小网格的测度ui(q,δ)，进一步计算log(1/δ)以及
(7)按照最小二乘法分别对不同尺度变量δ下的
和的数据点对进行拟合，分别得到拟合函数的斜率，就是测度距为q时多重分形谱参数f(a)和a(q)的值；
(8)根据测度距q对应的f(a)和a(q)值，计算测度距q对应的广义分形维数Dq，其中q≠1时，(9)计算结构面多重分形谱特征参数ΔD(q)和Δa(q)，ΔD(q)＝maxDq-minDq，Δa(q)＝maxa(q)-mina(q)；
(10)重复上述(2)至(9)步，直至达到抽样次数要求，将抽样数据置入数据处理软件EXCEL中，利用函数NORMDIST求解累积概率值，通过累积概率值判定抽样结果是否满足3σ法则即抽样结果落在[μ-3σ，μ+3σ]范围内，若满足，则可给出结构面多重分形参数ΔD(q)和Δa(q)概率密度分布函数，并将此抽样结果的均值作为所研究结构面多重分形参数的精准计算值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710453723.0A CN107292017B (zh) | 2017-06-15 | 2017-06-15 | 岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710453723.0A CN107292017B (zh) | 2017-06-15 | 2017-06-15 | 岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107292017A true CN107292017A (zh) | 2017-10-24 |
| CN107292017B CN107292017B (zh) | 2020-10-20 |
Family
ID=60096449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710453723.0A Expired - Fee Related CN107292017B (zh) | 2017-06-15 | 2017-06-15 | 岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107292017B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110318743A (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-11 | 中国石油化工股份有限公司 | 薄互层页岩油储层压裂模拟试验方法及装置 |
| CN110415283A (zh) * | 2019-07-03 | 2019-11-05 | 绍兴文理学院 | 解析岩体结构面各向异性尺寸效应特征的分形评估方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070192074A1 (en) * | 2005-08-08 | 2007-08-16 | Shilin Chen | Methods and systems for designing and/or selecting drilling equipment using predictions of rotary drill bit walk |
| CN103364830A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-10-23 | 北京师范大学 | 一种基于多因子的地震后发生崩滑灾害位置的预测方法 |
| CN103884312A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-06-25 | 内蒙古科技大学 | 一种岩石结构面形貌尺寸效应分析方法 |
| CN103926156A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-07-16 | 内蒙古科技大学 | 一种三维岩石结构面剪切力学行为多重分形评估方法 |
| CN104573198A (zh) * | 2014-12-23 | 2015-04-29 | 长江大学 | 基于随机分形理论的数字岩心及孔隙网络模型重构方法 |
| CN105279790A (zh) * | 2014-06-13 | 2016-01-27 | 中国石油化工股份有限公司 | 裂缝网络三维数字岩心建模方法 |
-
2017
- 2017-06-15 CN CN201710453723.0A patent/CN107292017B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070192074A1 (en) * | 2005-08-08 | 2007-08-16 | Shilin Chen | Methods and systems for designing and/or selecting drilling equipment using predictions of rotary drill bit walk |
| CN103364830A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-10-23 | 北京师范大学 | 一种基于多因子的地震后发生崩滑灾害位置的预测方法 |
| CN103884312A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-06-25 | 内蒙古科技大学 | 一种岩石结构面形貌尺寸效应分析方法 |
| CN103926156A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-07-16 | 内蒙古科技大学 | 一种三维岩石结构面剪切力学行为多重分形评估方法 |
| CN105279790A (zh) * | 2014-06-13 | 2016-01-27 | 中国石油化工股份有限公司 | 裂缝网络三维数字岩心建模方法 |
| CN104573198A (zh) * | 2014-12-23 | 2015-04-29 | 长江大学 | 基于随机分形理论的数字岩心及孔隙网络模型重构方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈世江等: "基于多重分形特征的岩体结构面剪切强度研究", 《岩土力学》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110318743A (zh) * | 2018-03-30 | 2019-10-11 | 中国石油化工股份有限公司 | 薄互层页岩油储层压裂模拟试验方法及装置 |
| CN110415283A (zh) * | 2019-07-03 | 2019-11-05 | 绍兴文理学院 | 解析岩体结构面各向异性尺寸效应特征的分形评估方法 |
| CN110415283B (zh) * | 2019-07-03 | 2022-04-01 | 绍兴文理学院 | 解析岩体结构面各向异性尺寸效应特征的分形评估方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107292017B (zh) | 2020-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107146280B (zh) | 一种基于切分的点云建筑物重建方法 | |
| CN110409369B (zh) | 边坡开挖数字化施工与质量控制方法 | |
| CN104636721B (zh) | 一种基于轮廓与边缘纹理特征融合的掌纹识别方法 | |
| CN105139388B (zh) | 一种倾斜航空影像中建筑物立面损毁检测的方法和装置 | |
| CN109658431B (zh) | 基于区域生长的岩体点云平面提取方法 | |
| CN108920765A (zh) | 一种基于建筑物三维线段模型的假设平面拟合方法 | |
| CN107292017A (zh) | 一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的多重分形参数分析方法 | |
| CN107204042B (zh) | 基于形态完备性的非均质岩心三维结构重建算法 | |
| CN107194114B (zh) | 一种岩石结构面多重分形参数的计算方法 | |
| CN103149348A (zh) | 基于小波多尺度分析的先进陶瓷磨削表面损伤的评价方法 | |
| CN113515847A (zh) | 一种基于K-means聚类算法的非均质岩石数字岩芯建模方法 | |
| CN107239629A (zh) | 一种岩石结构面实验室合理尺寸确定的分形维数分析方法 | |
| CN104166806B (zh) | 一种井间示踪曲线聚类分析方法及装置 | |
| CN107292100B (zh) | 一种岩石结构面分形维数的计算方法 | |
| CN104361578A (zh) | 一种多尺度精度控制下的层次化网格分割方法 | |
| CN111767647B (zh) | 一种定量求取页岩中构造裂缝规模的方法 | |
| CN109583003B (zh) | 基于面裂多边形的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法 | |
| CN108226002B (zh) | 基于刻度电成像次生孔隙度谱截止值获取次生孔隙度的方法 | |
| Salah | Geostatistical analysis of groundwater levels in the south Al Jabal Al Akhdar area using GIS | |
| CN111681124B (zh) | 一种深部砂岩型铀矿化信息三维氡异常识别方法及系统 | |
| Kalda | Statistical topography of rough surfaces:“Oceanic coastlines” as generalizations of percolation clusters | |
| Sitnik et al. | Optimized point cloud triangulation for 3D scanning systems | |
| CN113378909A (zh) | 一种岩石节理面粗糙度系数的分级表征方法、设备及介质 | |
| CN102999754B (zh) | 用于血细胞的多重分形纹理特征的提取方法 | |
| CN109520461A (zh) | 系列尺寸岩体结构面粗糙度试样的统计样本数确定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20201020 Termination date: 20210615 |