CN111274664B - 基于小波分析的各级表面形貌对抗剪强度贡献程度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于小波分析的岩体结构面各级表面形貌对抗剪强度贡献程度的确定方法，基于小波分析对结构面表面形态进行三级划分，确定结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度，分析各级表面形貌对结构面抗剪强度贡献；通过结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度的抗剪强度贡献比Q的大小，来判断岩体结构面各级表面形貌对结构面抗剪强度的贡献程度，Q越大，说明该表面几何特征对抗剪强度的贡献越大，反之，则说明该表面几何特征对抗剪强度的贡献越小。本发明显著提高了结构面表面形态描述的准确性，节省制模时间和经济性。
Description
技术领域
本发明属于工程技术领域，涉及一种基于小波分析确定岩体结构面各级表面形态对结构面抗剪强度贡献程度的定量研究方法，特别是本发明所提出的基于小波分析对结构面表面形态进行三级划分，确定结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度，分析各级表面形貌对结构面抗剪强度贡献的方法，解决了传统方法无法量化分析岩体结构面各级表面形态对抗剪强度贡献程度的问题。
背景技术
结构面是岩体的重要组成部分，对岩体的工程特性起着重要控制作用。结构面力学性质的研究是分析工程岩体稳定性的基础工作，结构面抗剪强度是工程岩体稳定性分析和加固处理设计的关键参数。巴顿(N.R.Barton)通过结构面抗剪强度的直剪试验研究表明，结构面的壁岩强度和表面起伏形态是决定抗剪强度的主要因素，并提出了著名的JRC-JCS经验估算模型。为了研究岩体结构面表面形态与力学机制关系，需要开展不同等级结构面表面的形貌特征对对抗剪强度的影响研究，一些代表性的研究如下：
Kana(1996)指出起伏体对于建立精确的节理剪切模型的重要性，并将二阶起伏体的影响简单的归入剪切特性曲线的高频响应部分，且认为在低法向应力下不考虑二阶起伏体影响会使节理的剪切强度偏低。
Yang(2001)对含二阶起伏体节理面的剪切强度与变形特征进行了初步的试验研究。实验结果表明，当法向应力远小于岩壁强度时，二阶起伏体起控制作用，不同二阶起伏体影响的大小体现在，二阶起伏角越大，节理剪切强度、剪胀角越大；当法向应力接近岩壁强度时，二阶起伏度大小的影响不再明显。
Jafari(2003)指出，当法向应力较低时，节理循环剪切机制主要为表面滑动，此时一阶起伏体和二阶起伏体都将磨损，当法向应力较高时，剪切机制主要为剪断，此时在剪切曲线中反映不出二阶起伏体的影响，他提出的模型因没有考虑二阶起伏体的影响，导致其在低法向应力时预测的剪切强度比实际值要低。
朱小明(2011)通过对一阶和二阶起伏度节理进行常法向荷载剪切试验，得到在低法向应力条件下，二阶起伏度对剪切强度影响较大，且随着二阶起伏度与一阶起伏度比值的增大，节理面越粗糙，剪切强度先增大后减小。
李迎春(2018)指出，岩石节理起伏体中振幅高度Aw最高的波状大起伏为一阶起伏体，面向剪切方向波长最长的粗糙小凸起为二阶起伏体。其中，一阶起伏体承担主要剪切强度，二阶起伏体承担峰后软化阶段的剪切强度。
在上述研究中，受限于岩体结构面形态特征难以剥离，一般按Unevenness和Waviness两级形态来描述岩体结构面表面形态模型，划分界线不明确，且没有说明采用二级形态的确定方法，无法量化岩体结构面各级表面形态对结构面抗剪强度中作出的贡献程度，不便于实际应用。因此，杜时贵(2005)提出将结构面表面形态划分为3级：宏观几何轮廓、表面起伏形态、微观粗糙度。该结构面形态划分模式充分考虑了表面形态的力学机理，形态分级的界线概念明确。但目前没有提出能够准确分离岩体结构面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度，判断各级几何形态对结构面抗剪强度贡献程度的方法。因此，迫切需要提出一种合理分离和重构结构面三级表面形态，确定岩体结构面各级表面形貌对结构面抗剪强度贡献程度的方法。
发明内容
为了克服传统方法无法量化岩体结构面各级表面形态对结构面抗剪强度贡献率的不足，本发明提供了一种基于小波分析的岩体结构面各级表面形态对抗剪强度贡献程度的确定方法，通过小波分析的方法来实现岩体结构面表面三级要素(宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度)的分离与重构，进而确定结构面宏观几何轮廓、表面起伏形态、微观粗糙度对结构面抗剪强度的贡献。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于小波分析的岩体结构面各级表面形貌对抗剪强度贡献程度的确定方法，包括以下步骤：
(1)选定所需要分析的工程岩体结构面，将岩体结构面找平，做表面清洁处理，对结构面进行三维扫描，获取结构面试样表面形貌离散处理后的二维图像，基于图像灰度数据提取技术将结构面测量图像进行坐标数据转化处理；
(2)选取小波基函数，利用MATLAB编程剥离得到结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度，表现为：
①根据结构面表面形貌原始测量数据及工程需要，确定最大分解尺度J，计算每次分解通过小波低通分解滤波器分解出的低频细节信号A1-AJ，计算每次分解通过小波高通分解滤波器分解出的高频细节信号D1-DJ，将小波变换的最大分解尺度J所对应的AJ作为宏观几何轮廓；
②将上一步中分离所得的D1-DJ中每一级别的微观粗糙度高度分布频率与分布频率的信息绘制成图，依据构成结构面的矿物颗粒大小分布规律，将符合高斯分布，统计平均值接近0小波变换所对应的P个D之和即为所求微观粗糙度，将确定的D1-Dp叠加在一起即为分离所得微观粗糙度；
③由于难以确定岩体结构面表面起伏形态的剥离次数，通过在完整的岩体结构面表面粗糙度轮廓曲线上剔除结构面表面宏观几何轮廓和微观粗糙度的几何特征得到表面起伏形态的轮廓曲线；
其中，岩体结构面轮廓曲线记为i0、表面宏观几何轮廓记为ia、表面起伏形态记为ib和微观粗糙度记为ic；
(3)分别处理岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic的二维坐标信息，通过3D建模软件实现岩体结构面轮廓曲线与结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度结构面模具的建模；
(4)利用3D打印机分别打印出岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic所对应的模型；
(5)采用水泥砂浆进行试块浇筑，在浇筑岩体结构面轮廓曲线试样上、下盘时，根据制作的模型结构面选择相应尺寸的模具，用隔离薄膜贴合在结构面表面放入模具内，按配合比称量的原材料搅拌均匀，把混合料倒入上、下盘模具内，利用平板振动器振捣均匀；
(6)在室温条20°、相对湿度大于50％的条件下静置24～48小时后进行脱模，再将试块放置在标准养护室内养护，标准养护龄期为28天，可根据具体情况适当延长或缩短；
(7)将岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic所对应的试块进行室内直剪试验，分别得到对应峰值抗剪强度τi0、τia、τib和τic；
(8)通过室内直剪实验得到的抗剪强度值τia、τib和τic分别与τi0的比较，得到抗剪强度贡献比，分别为
Q的值越大说明对应结构面表面几何形态对抗剪强度的贡献越大，反之则越小；
(9)分析室内直剪实验各组所得抗剪强度τia、τib和τic，得到岩体结构面各级表面形貌抗剪强度贡献系数，记结构面表面宏观几何轮廓抗剪强度贡献系数为
表面起伏形态抗剪强度贡献系数为
微观粗糙度抗剪强度贡献系数为
Kia+Kib+Kic＝1，Ki的值越接近于1，说明该表面几何形态在对抗剪强度贡献越大，K越靠近0，说明该表面几何形态对抗剪强度的影响越小。
小波变换是一种可以把一个给定的函数分解为不同的频段的数学方法，研究每个频带上的多尺度空间分辨率，这种特殊属性完全符合把一个表面分离为一个具有多尺度的表面的需求。基于小波变换在光学元件表面形貌信息处理上的成功应用，本发明提出通过小波变化剥离岩体结构面各级表面形态的方法。岩体结构面表面形貌是由宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度三部分组成的，表面形貌分离的数学模型是依据表面形貌的这些综合成分，基于其小波构造原理而构建的。表面形貌信息的数学模型是提取表面粗糙度的基础，对其模型进行小波求解，通过对其求解过程的仿真，可实现对表面形貌中各部分信息的分离，提取出表面粗糙度信息。在本发明中，由于各组岩体结构面表面各级几何特征难以准确分离，因此，利用小波变换首先确定结构面表面宏观几何轮廓和微观粗糙度，通过这两部分形貌信息从结构面轮廓曲线中得到较难确定的表面起伏形态的形貌特征，消除了传统方法因无法准确分离结构面表面几何特征，无法判断结构面各级表面形貌对结构面抗剪强度影响的问题。
通过结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度的抗剪强度贡献比Q的大小，来判断岩体结构面各级表面形貌对结构面抗剪强度的贡献程度，Q越大，说明该表面几何特征对抗剪强度的贡献越大，反之，则说明该表面几何特征对抗剪强度的贡献越小。通过分析结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度的抗剪强度贡献系数，判断岩体结构面各级表面形貌对结构面抗剪强度影响的大小，抗剪强度贡献系数K越接近于1，对结构面抗剪强度的影响越大，K越接近0，则该表面几何特征对抗剪强度的影响越小。
本发明与现有的方法相比，有益效果主要表现在：(1)解决了结构面各级表面形态人为规定的不足，避免因无法准确剥离结构面各级表面形态导致实验所得各级结构面抗剪强度与实际值有较大误差，保证了各级结构面对应抗剪强度的准确性；(2)该发明能制作较高精度的不规则结构面模具，避免了传统方法用规则图形代替结构面表面细观特征，导致实验结果失去真实性；(3)相较于现有研究中对结构面的一阶、二阶起伏度和结构面抗剪强度之间的关系进行定性分析，该发明能定量的描述结构面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度对结构面抗剪强度的贡献程度。本发明提出了一种基于小波分析的岩体结构面各级表面形貌对抗剪强度贡献的确定方法，具有较大的实施价值和经济效益。
附图说明
图1为基于小波分析的岩体结构面二维表面形态分离方法所得结构面宏观几何轮廓示意图；
图2为基于小波分析的岩体结构面二维表面形态分离方法所得结构面微观粗糙度示意图；
图3为基于小波分析的岩体结构面三维表面形态分离方法分解所得表面起伏轮廓示意图；
图4为岩体结构面轮廓曲线、表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度的汇总图；
图5为结构面模具放置在模具盒中的示意图；
图6为混凝土浇筑完成后试块示意图；
图7为结构面抗剪强度测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7一种基于小波分析的各级表面形貌对抗剪强度贡献程度的确定方法，包括以下步骤：
(1)选定所需要分析的工程岩体结构面，将岩体结构面找平，做表面清洁处理，对结构面进行三维扫描，获取结构面试样表面形貌离散处理后的二维图像基于图像灰度数据提取技术将结构面测量图像进行坐标数据转化处理，本案例使用长为40cm的岩体结构面轮廓曲线；
(2)选取合适的小波基函数，利用MATLAB编程剥离得到结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度，具体表现为：
①根据结构面表面形貌原始测量数据，确定最大分解尺度J＝12，计算每次分解通过小波低通分解滤波器分解出的低频细节信号A1-A12，计算每次分解通过小波高通分解滤波器分解出的高频细节信号D1-D12，将小波变换的最大分解尺度J所对应的A12作为宏观几何轮廓，参考图1；
②将上一步中分离所得的D1-D12中每一级别的微观粗糙度高度分布频率与分布频率的信息绘制成图，依据构成结构面的矿物颗粒大小分布规律，将符合高斯分布，统计平均值接近0小波变换所对应的P个D之和即为所求微观粗糙度，将确定的D1-Dp叠加在一起即为分离所得微观粗糙度，，参考图2；
③由于难以确定岩体结构面表面起伏形态的剥离次数，通过在完整的岩体结构面表面粗糙度轮廓曲线上剔除结构面表面宏观几何轮廓和微观粗糙度的几何特征得到表面起伏形态的轮廓曲线，参考图3。
如图4所示，岩体结构面轮廓曲线记为i0、表面宏观几何轮廓记为ia、表面起伏形态记为ib和微观粗糙度记为ic；
(3)处理岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic的二维位置坐标，通过3D建模软件实现岩体结构面轮廓曲线与结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度曲线由曲线转化为起伏轮廓相同的结构面模型；
(4)利用3D打印机分别打印出岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic所对应的模型；
(5)采用水泥砂浆进行试块浇筑。在浇筑岩体结构面轮廓曲线试样上、下盘时，根据制作的模型结构面选择相应尺寸的模具，用隔离薄膜贴合在结构面表面放入模具内，按配合比称量的原材料搅拌均匀，把混合料倒入上、下盘模具内，利用平板振动器振捣均匀，参考图5；
(6)在室温20°左右、相对湿度大于50％的条件下静置24～48小时后进行脱模，再将试块放置在标准养护室内养护，标准养护龄期为28天，可根据具体情况适当延长或缩短，参考图6；
(7)将岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic所对应的试块进行室内直剪试验，分别得到对应抗剪强度τi0、τia、τib和τic，参考图7。
(8)通过室内直剪实验得到的抗剪强度值τi0、τia、τib和τic分别与τi0的比较，得到抗剪强度贡献比，分别为
Q的值越大说明对应结构面表面几何形态对抗剪强度的贡献越大，反之则越小；
分析室内直剪实验各组所得抗剪强度τia、τib和τic，得到岩体结构面各级表面形貌抗剪强度贡献系数。记结构面表面宏观几何轮廓抗剪强度贡献系数为
表面起伏形态抗剪强度贡献系数为
微观粗糙度抗剪强度贡献系数为
Kia+Kib+Kic＝1。Ki的值越接近于1，说明该表面几何形态在对抗剪强度贡献越大，K越靠近0，说明该表面几何形态对抗剪强度的影响越小。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于小波分析的岩体结构面各级表面形貌对抗剪强度贡献程度的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)选定所需要分析的工程岩体结构面，将岩体结构面找平，做表面清洁处理，对结构面进行三维扫描，获取结构面试样表面形貌离散处理后的二维图像，基于图像灰度数据提取技术将结构面测量图像进行坐标数据转化处理；
(2)选取小波基函数，利用MATLAB编程剥离得到结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度，表现为：
①根据结构面表面形貌原始测量数据及工程需要，确定最大分解尺度J，计算每次分解通过小波低通分解滤波器分解出的低频细节信号A1-AJ，计算每次分解通过小波高通分解滤波器分解出的高频细节信号D1-DJ，将小波变换的最大分解尺度J所对应的AJ作为宏观几何轮廓；
②将上一步中分离所得的D1-DJ中每一级别的微观粗糙度高度分布频率与分布频率的信息绘制成图，依据构成结构面的矿物颗粒大小分布规律，将符合高斯分布，统计平均值接近0小波变换所对应的P个D之和即为所求微观粗糙度，将确定的D1-Dp叠加在一起即为分离所得微观粗糙度；
③由于难以确定岩体结构面表面起伏形态的剥离次数，通过在完整的岩体结构面表面粗糙度轮廓曲线上剔除结构面表面宏观几何轮廓和微观粗糙度的几何特征得到表面起伏形态的轮廓曲线；
其中，岩体结构面轮廓曲线记为i0、表面宏观几何轮廓记为ia、表面起伏形态记为ib和微观粗糙度记为ic；
(3)分别处理岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic的二维坐标信息，通过3D建模软件实现岩体结构面轮廓曲线与结构面表面宏观几何轮廓、表面起伏形态和微观粗糙度结构面模具的建模；
(4)利用3D打印机分别打印出岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic所对应的模型；
(5)采用水泥砂浆进行试块浇筑，在浇筑岩体结构面轮廓曲线试样上、下盘时，根据制作的模型结构面选择相应尺寸的模具，用隔离薄膜贴合在结构面表面放入模具内，按配合比称量的原材料搅拌均匀，把混合料倒入上、下盘模具内，利用平板振动器振捣均匀；
(6)在室温20°、相对湿度大于50％的条件下静置24～48小时后进行脱模，再将试块放置在标准养护室内养护，标准养护龄期为28天，可根据具体情况适当延长或缩短；
(7)将岩体结构面轮廓曲线i0、结构面表面宏观几何轮廓为ia、表面起伏形态为ib和微观粗糙度ic所对应的试块进行室内直剪试验，分别得到对应峰值抗剪强度τi0、τia、τib和τic；
(8)通过室内直剪实验得到的抗剪强度值τia、τib和τic分别与τi0的比较，得到抗剪强度贡献比，分别为
Q的值越大说明对应结构面表面几何形态对抗剪强度的贡献越大，反之则越小；
(9)分析室内直剪实验各组所得抗剪强度τia、τib和τic，得到岩体结构面各级表面形貌抗剪强度贡献系数，记结构面表面宏观几何轮廓抗剪强度贡献系数为
表面起伏形态抗剪强度贡献系数为
微观粗糙度抗剪强度贡献系数为
Kia+Kib+Kic＝1，Ki的值越接近于1，说明该表面几何形态在对抗剪强度贡献越大，K越靠近0，说明该表面几何形态对抗剪强度的影响越小。
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