CN109269861A - 柱状节理岩体重构方法及柱状节理岩体重构体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柱状节理岩体重构方法及柱状节理岩体重构体，涉及岩体工程技术领域。所述方法包括：确定岩体模型中每个特征结构对应的材料，所述岩体模型包括柱状节理岩体的至少一个特征结构，根据所述岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。通过预先设置的岩体模型，结合柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，可以生成多个结构相同的柱状节理岩体重构体，可以在不同力学条件下，对多个结构相同的柱状节理岩体重构体进行破坏性试验，解决了无法获取相同结构柱状节理岩体力学特性和力学变化规律的问题，提高了所获取柱状节理岩体力学特性和变化规律的准确性，同时提高了获取柱状节理岩体力学特性和变化规律的灵活性。

Description

柱状节理岩体重构方法及柱状节理岩体重构体

技术领域

本发明涉及岩体工程技术领域，具体而言，涉及一种柱状节理岩体重构方法及柱状节理岩体重构体。

背景技术

在岩体工程中，需要针对不同岩体结构的力学特性，制定不同的安全措施，岩体结构是影响岩体工程安全性的重要因素。

相关技术中，可以采集多个岩体样本，并在不同的力学条件下，对不同的岩体样本进行破坏性试验，从而得到岩体样本所对应的岩体结构在不同力学条件下的力学特性。

但是，由于采用破坏性试验确定岩体结构的力学特性，无法获取同一岩体结构在不同力学条件下的变化规律，导致获取的岩体结构的力学特性和变化规律不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种柱状节理岩体重构方法及其重构体，以解决无法获取同一岩体结构在不同力学条件下的变化规律，导致对岩体结构力学特性认知不足的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种柱状节理岩体重构方法，所述方法包括：

确定岩体模型中每个特征结构对应的材料，所述岩体模型包括柱状节理岩体的至少一个特征结构；

根据所述岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。

可选的，在所述确定岩体模型中每个特征结构对应的材料之前，所述方法还包括：

绘制所述柱状节理岩体的横纵断面结构图；

根据所述横纵断面结构图，形成柱间节理面区域；

根据所述柱间节理面区域，建立所述岩体模型。

可选的，所述横纵断面结构图包括：纵断面结构图；

所述绘制所述柱状节理岩体的横纵断面结构图，包括：

选取所述柱状节理岩体的纵断面测窗；

对所述纵断面测窗对应的图像进行识别，得到所述柱状节理岩体的纵断面特征；

根据所述纵断面特征，绘制所述纵断面结构图。

可选的，所述横纵断面结构图还包括：横断面结构图；

所述绘制所述柱状节理岩体的横纵断面结构图，还包括：

选取所述柱状节理岩体的横断面测窗；

根据所述横断面测窗，对所述横断面测窗对应的图像中的柱间节理面进行描图，得到所述横断面结构图。

可选的，所述根据所述横纵断面结构图，形成柱间节理面区域，包括：

对所述纵断面结构图进行分解，得到隐微裂隙图像和柱间节理面图像；

对所述横断面结构图进行分解，得到水平图像和竖直图像；

按照所述竖直图像所指示的方向，对所述柱间节理面图像进行拉伸，得到拉伸后的柱间节理面图像；

按照所述竖直图像所指示的方向，对所述水平图像进行拉伸，得到拉伸后的水平图像；

根据所述拉伸后的柱间节理面图像和所述拉伸后的水平图像，形成所述柱间节理面区域。

可选的，所述根据所述柱间节理面区域，建立所述岩体模型，包括：

在所述柱间节理面区域插入立方体结构；

对所述柱间节理面区域和所述立方体结构进行布尔运算，得到初始模型；

在所述初始模型中加入隐微裂隙结构，得到所述岩体模型。

可选的，所述确定岩体模型中每个特征结构对应的材料，包括：

获取所述柱状节理岩体对应的实际特性曲线；

获取至少一种样本材料对应的样本特性曲线；

对所述实际特性曲线和至少一种样本特性曲线进行比较，得到比较结果；

根据所述比较结果，确定所述岩体模型中每个特征结构对应的材料。

可选的，所述获取所述柱状节理岩体对应的实际特性曲线，包括：

获取所述柱状节理岩体中柱体的应力-应变关系曲线；

获取所述柱状节理岩体中柱间节理面的剪切应力-剪切位移曲线。

可选的，所述根据所述岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体重构体，包括：

按照预先设置的尺寸，对所述岩体模型进行缩放，得到缩放后的岩体模型；

生成与所述缩放后的岩体模型的大小一致的柱状节理岩体重构体。

第二方面，本发明实施例还提供了一种柱状节理岩体重构体，采用如上述第一方面中任一项所述的柱状节理岩体重构方法制得。

本发明的有益效果是：

本发明实施例在对柱状节理岩体重构体进行重构的过程中，通过设定岩体模型中柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，从而可以根据预先设置的岩体模型，采用各个特征结构所对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。通过预先设置的岩体模型，结合柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，可以生成多个结构相同的柱状节理岩体重构体，可以在不同力学条件下，对多个结构相同的柱状节理岩体重构体进行破坏性试验，解决了无法获取相同结构柱状节理岩体力学特性和力学变化规律的问题，提高了所获取柱状节理岩体力学特性和变化规律的准确性，同时提高了获取柱状节理岩体力学特性和变化规律的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的柱状节理岩体重构方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的柱状节理岩体重构方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例提供的岩体纵断面结构图；

图4为本发明一实施例提供的岩体横断面结构图；

图5为本发明一实施例提供的柱间节理面图像；

图6为本发明一实施例提供的隐微裂隙图像；

图7为本发明一实施例提供的水平图像；

图8为本发明一实施例提供的竖直图像；

图9为本发明一实施例提供的柱间节理面区域的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明一实施例提供的柱状节理岩体重构方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤101、确定岩体模型中每个特征结构对应的材料。

其中，该岩体模型包括柱状节理岩体的至少一个特征结构。例如，岩体模型中可以包括：柱体、柱间节理面及隐微裂隙等特征结构。

为了确定相同的柱状节理岩体结构在不同力学条件下的变化规律，可以通过岩体模型生成多个相同的柱状节理岩体结构，从而可实现不同力学条件下，对结构相同的柱状节理岩体进行破坏性试验，并得到柱状节理岩体结构的力学特性和变化规律。

因此，可以根据柱状节理岩体结构的力学特性，选取与柱状节理岩体结构类似的材料，使得生成的柱状节理岩体重构体与实际的柱状节理岩体具有相同或者类似的力学特性，以便在后续步骤中，可以通过预先建立得到的岩体模型生成柱状节理岩体重构体。

具体地，可以对柱状节理岩体结构的力学特性进行测试，得到表示实际岩体的力学特性的实际特性曲线，再对重构柱状节理岩体的样本材料的标准试件进行力学测试，得到表示样本材料力学性质的样本特性曲线，通过将各个样本特性曲线与实际特性曲线进行比较，得到与实际柱状节理岩体的力学特性类似的样本材料。

需要说明的是，由于岩体模型中包括柱状节理岩体的多个特征结构，而在实际应用中，柱状节理岩体的各个特征结构具有不同的力学特性，因此，可以通过对不同特征结构的力学特性进行测试，确定岩体模型中不同特征结构对应的材料。

步骤102、根据岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。

在建立岩体模型，并确定生成柱状节理岩体重构体的材料后，可以根据岩体模型制造柱状节理岩体重构体，以便通过岩体模型制造得到多个相同的柱状节理岩体重构体，从而对多个柱状节理岩体重构体进行破坏性试验，得到相同岩体结构在不同力学条件下的力学特性和变化规律。

具体地，可以根据实际所需的柱状节理岩体重构体大小，对岩体模型进行缩放，使得缩放后岩体的体积与用户所需的体积大小一致，再根据缩放后的岩体模型，通过3DP(3DPrinting，3D打印)方式对重构岩体进行制造，生成柱状节理岩体重构体。

例如，可以根据力学试验机所要求试样的尺寸，对岩体模型的尺寸进行缩放，从而得到能够在力学试验机中进行力学试验的柱状节理岩体重构体。

综上所述，本发明实施例提供的柱状节理岩体重构方法，通过设定岩体模型中柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，从而可以根据预先设置的岩体模型，采用各个特征结构所对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。通过预先设置的岩体模型，结合柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，可以生成多个结构相同的柱状节理岩体重构体，可以在不同力学条件下，对多个结构相同的柱状节理岩体重构体进行破坏性试验，解决了无法获取相同结构柱状节理岩体力学特性和力学变化规律的问题，提高了所获取柱状节理岩体力学特性和变化规律的准确性，同时提高了获取柱状节理岩体的力学特性和变化规律的灵活性。

图2为本发明另一实施例提供的柱状节理岩体重构方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括：

步骤201、绘制柱状节理岩体的横纵断面结构图。

为了得到相同的柱状节理岩体在不同力学条件下的变化规律，可以通过岩体模型生成多个相同的柱状节理岩体重构体，从而可以在不同的力学条件下，对相同结构的柱状节理岩体重构体进行破坏性试验，得到相同柱状节理岩体重构体在不同力学条件下的变化规律。

因此，在根据岩体模型生成柱状节理岩体重构体之前，需要根据柱状节理岩体的实际结构，绘制柱状节理岩体的横纵面结构图，以便在后续步骤中，可以根据柱状节理岩体的横纵面结构图建立岩体模型，对柱状节理岩体进行重构，从而根据岩体模型生成多个相同的柱状节理岩体重构体。

具体地，可以对柱状节理岩体的特征结构进行描图，并根据描图得到的特征结构进行绘制，得到柱状节理岩体对应的横纵断面结构图，以便在后续步骤中，可以根据横纵断面结构图建模，建立得到岩体模型。

而且，由于柱状节理岩体的横纵面结构图可以包括纵断面结构图和横断面结构图，相应的，则可以采用不同的方式分别绘制纵断面结构图和横断面结构图。

可选的，针对柱状节理岩体的纵断面结构图，可以选取柱状节理岩体的纵断面测窗，并对纵断面测窗对应的图像进行识别，得到柱状节理岩体的纵断面特征，再根据纵断面特征，绘制纵断面结构图。

具体地，参照图3，可以在柱状节理岩体现场选取柱状节理岩体的纵断面测窗，并对纵断面测窗对应图像中的结构特征进行识别，得到柱状节理岩体中所包含的主要结构特征，从而绘制得到如图3所示的柱状节理岩体的纵断面结构图。

其中，识别得到的主要结构特征可以包括柱间节理面结构、岩柱体棱柱线和岩柱体内部隐微裂隙，还可以包括其他结构特征，本发明实施例对此不做限定。

另外，纵断面测窗的尺寸可以根据柱状节理岩体的尺寸进行确定，例如，若柱状节理岩体的尺寸为0.2m(米)，则纵断面测窗的尺寸可以为长度*宽度＝2m*2m。当然，也可以根据其他因素确定纵断面测窗的尺寸，本发明实施例对此不做限定。

需要说明的是，柱状节理岩体可以为玄武岩柱状节理岩体，也可以为其他类型的柱状节理岩体，本发明实施例对此不做限定。

但是，由于受到工程现场实际工况的限制，无法得到与柱状节理岩体的纵断面测窗严格对应的横断面结构，因此需要采用统计描绘的方式获得横断面结构图。

可选的，针对柱状节理岩体的横断面结构图，可以选取柱状节理岩体的横断面测窗，并根据横断面测窗，对横断面测窗对应图像中的柱间节理面进行描图，得到横断面结构图。

具体地，参照图4，可以先选取横断面测窗，并对横断面测窗内对应图像的柱间节理面结构进行描图，得到如图4所示的横断面结构图，以便在后续步骤中，可以分别对纵断面结构图和横断面结构图进行分解，从而生成柱间节理面区域。

另外，还可以对绘制得到的横断面结构图进行统计分析，得到横断面结构图中各个柱体形状所占的比例。例如，如图4所示的横断面结构图中，三角形柱体所占比例为38.24％，四边形柱体所占比例为46.61％，五边形柱体所占比例为10.81％，六边形柱体所占比例为4.35％。

需要说明的是，横断面测窗尺寸的确定方式，与纵断面测窗尺寸的确定方式类似，在此不再赘述。

步骤202、根据横纵断面结构图，形成柱间节理面区域。

在得到横纵断面结构图后，可以对横纵断面结构图进行分解，以便根据分解得到的图像，对横纵断面结构图进行拉伸，从而得到三维结构的柱间节理面区域，以便在后续步骤中，根据该节理面区域建立岩体模型。

可选的，可以对纵断面结构图进行分解，得到隐微裂隙图像和柱间节理面图像，并对横断面结构图进行分解，得到水平图像和竖直图像，再按照竖直图像所指示的方向，对柱间节理面图像进行拉伸，得到拉伸后的柱间节理面图像，之后按照竖直图像所指示的方向，对水平图像进行拉伸，得到拉伸后的水平图像，最后根据拉伸后的柱间节理面图像和拉伸后的水平图像，形成柱间节理面区域。

具体地，可以先对纵断面结构图进行分解，得到如图5所示的柱间节理面图像，以及如图6所示的隐微裂隙图像，再对横断面结构图进行分解，得到如图7所示的水平图像，以及如图8所示的竖直图像。

相应的，可以根据竖直图像所指示的方向，对水平图像以及柱间节理面图像进行拉伸，从而得到拉伸后的水平图像和拉伸后的柱间节理面图像，形成如图9所示的柱间节理面区域。

需要说明的是，如果在后续步骤中采用3DP的方式生成柱状节理岩体结构，则可以根据3DP设备的最小识别精度，对柱间节理面区域中的各个图像进行处理。

例如，若3DP设备的最小识别精度为0.2mm(毫米)，则可以将拉伸后的柱间节理面图像中的轨迹作为中心线，并在该轨迹左右两侧0.1mm的位置对该轨迹进行复制，再删除柱间节理面图像中原有的轨迹，从而可以生成3DP设备能够识别的结构特征。

步骤203、根据柱间节理面区域，建立岩体模型。

由于生成的柱间节理面区域并不是规则图形，则可以再在该柱间节理面区域中插入立方体结构，以便可以根据该立方体结构，建立得到规则形状对应的岩体模型。

可选的，可以在柱间节理面区域插入立方体结构，并对柱间节理面区域和立方体结构进行布尔运算，得到初始模型，最后在初始模型中加入隐微裂隙结构，得到岩体模型。

其中，插入的立方体结构的体积大于柱间节理面区域。而且，可以采用布尔运算中的布尔并算法，对柱间节理面区域和立方体结构进行处理。

需要说明的是，在向初始模型中加入隐微裂隙结构的过程中，由于隐微裂隙图像是二维图像，而根据柱间节理面区域建立的初始模型为三维图像，因此，需要根据隐微裂隙图像进行处理，得到隐微裂隙结构，从而在初始模型中加入隐微裂隙结构，得到岩体模型。

步骤204、确定岩体模型中每个特征结构对应的材料。

在建立得到岩体模型后，还需要对生成柱状节理岩体重构体的材料进行确定，以便在后续步骤中，生成的柱状节理岩体重构体具有与实际柱状节理岩体类似的力学特性。因此，需要确定岩体模型中柱状节理岩体的各个特征结构所对应的材料。

可选的，可以获取柱状节理岩体对应的实际特性曲线，并获取至少一种样本材料对应的样本特性曲线，再对实际特性曲线和至少一种样本特性曲线进行比较，得到比较结果，最后根据比较结果，确定岩体模型中每个特征结构对应的材料。

具体地，可以先采集玄武岩柱体，并加工成多个预设尺寸的标准尺寸岩芯，再对多个标准尺寸岩芯进行单轴压缩试验，获取玄武岩柱体的力学性质，从而得到玄武岩柱体的实际特性曲线。

例如，可以选取5个尺寸为φ(外径)50mm×100mm的玄武岩柱体岩芯，并通过单轴压缩试验分别获得每个玄武岩柱体岩芯的峰值强度及所对应的应变、弹性模量、泊松比等力学特性以及破坏特性。

类似的，可以采用上述方式，确定各个样本材料的力学特性，从而得到每个样本材料对应的样本特性曲线。当然，还可以采用其他方式确定柱状节理岩体和样本材料的实际特性曲线和样本特性曲线，本发明实施例对此不做限定。

需要说明的是，在获取实际特性曲线的过程中，可以获取柱状节理岩体中柱体的应力-应变关系曲线，并获取柱状节理岩体中柱间节理面的剪切应力-剪切位移曲线。

相对应的，由于柱状节理岩体的性质较脆，可以选取力学性质较脆的样本材料作为柱状节理岩体柱体的重构材料，如光敏树脂或VERO(刚性高精树脂)系列材料。而柱间节理面、隐微裂隙等特征结构的力学性质较弱，则可以选用水溶706作为相对应的材料。

步骤205、根据岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体岩体。

由于生成的岩体模型的体积大小可能与用户所需要的柱状节理岩体重构体大小不同，因此需要按照比例，对岩体模型的体积大小进行缩放，得到缩放后的岩体模型，从而根据缩放后的岩体模型生成柱状节理岩体重构体。

可选的，可以按照预先设置的尺寸，对岩体模型进行缩放，得到缩放后的岩体模型，再生成与缩放后的岩体模型大小一致的柱状节理岩体重构体。

例如，可以根据柱状节理岩体中玄武岩柱体、柱间节理面以及柱体内部隐微裂隙等结构的材料配比试验结果，在第三方应用程序中对各结构特征进行材料赋值，并将赋值后的柱状节理岩体重构模型进行整体缩放，缩放尺寸为100mm×100mm×100mm，使得缩放后的岩体模型的体积大小与力学试验机能够进行检测的尺寸一致，最后将缩放后的岩体模型转化为可供3DP设备识别的文件，并通过3DP设备进行打印，得到柱状节理岩体的重构体。

综上所述，本发明实施例提供的柱状节理岩体重构方法，通过设定岩体模型中柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，从而可以根据预先设置的岩体模型，采用各个特征结构所对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。通过预先设置的岩体模型，结合柱状节理岩体的每个特征结构所对应的材料，可以生成多个结构相同的柱状节理岩体重构体，可以在不同力学条件下，对多个结构相同的柱状节理岩体重构体进行破坏性试验，解决了无法获取相同结构柱状节理岩体力学特性和力学变化规律的问题，提高了所获取柱状节理岩体力学特性和变化规律的准确性，同时提高了获取柱状节理岩体的力学特性和变化规律的灵活性。

本发明一实施例还提供一种柱状节理岩体重构体，该柱状节理岩体重构体可以采用如任一项上述的柱状节理岩体重构方法制得。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种柱状节理岩体重构方法，其特征在于，所述方法包括：

确定岩体模型中每个特征结构对应的材料，所述岩体模型包括柱状节理岩体的至少一个特征结构；

根据所述岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体重构体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述确定岩体模型中每个特征结构对应的材料之前，所述方法还包括：

绘制所述柱状节理岩体的横纵断面结构图；

根据所述横纵断面结构图，形成柱间节理面区域；

根据所述柱间节理面区域，建立所述岩体模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述横纵断面结构图包括：纵断面结构图；

所述绘制所述柱状节理岩体的横纵断面结构图，包括：

选取所述柱状节理岩体的纵断面测窗；

对所述纵断面测窗对应的图像进行识别，得到所述柱状节理岩体的纵断面特征；

根据所述纵断面特征，绘制所述纵断面结构图。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述横纵断面结构图还包括：横断面结构图；

所述绘制所述柱状节理岩体的横纵断面结构图，还包括：

选取所述柱状节理岩体的横断面测窗；

根据所述横断面测窗，对所述横断面测窗对应的图像中的柱间节理面进行描图，得到所述横断面结构图。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述横纵断面结构图，形成柱间节理面区域，包括：

对所述纵断面结构图进行分解，得到隐微裂隙图像和柱间节理面图像；

对所述横断面结构图进行分解，得到水平图像和竖直图像；

按照所述竖直图像所指示的方向，对所述柱间节理面图像进行拉伸，得到拉伸后的柱间节理面图像；

按照所述竖直图像所指示的方向，对所述水平图像进行拉伸，得到拉伸后的水平图像；

根据所述拉伸后的柱间节理面图像和所述拉伸后的水平图像，形成所述柱间节理面区域。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述柱间节理面区域，建立所述岩体模型，包括：

在所述柱间节理面区域插入立方体结构；

对所述柱间节理面区域和所述立方体结构进行布尔运算，得到初始模型；

在所述初始模型中加入隐微裂隙结构，得到所述岩体模型。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定岩体模型中每个特征结构对应的材料，包括：

获取所述柱状节理岩体对应的实际特性曲线；

获取至少一种样本材料对应的样本特性曲线；

对所述实际特性曲线和至少一种样本特性曲线进行比较，得到比较结果；

根据所述比较结果，确定所述岩体模型中每个特征结构对应的材料。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述获取所述柱状节理岩体对应的实际特性曲线，包括：

获取所述柱状节理岩体中柱体的应力-应变关系曲线；

获取所述柱状节理岩体中柱间节理面的剪切应力-剪切位移曲线。

9.如权利要求1至8任一所述的方法，其特征在于，所述根据所述岩体模型和每个特征结构对应的材料，生成柱状节理岩体重构体，包括：

按照预先设置的尺寸，对所述岩体模型进行缩放，得到缩放后的岩体模型；

生成与所述缩放后的岩体模型的大小一致的柱状节理岩体重构体。

10.一种柱状节理岩体重构体，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的柱状节理岩体重构方法制得。