一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法技术

本发明专利技术涉及一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法，属于岩土工程领域。首先通过对理论公式推演及与文献数据对比提出岩土数字REV尺度确定近似判据；之后对待测岩土试样进行CT扫描、孔径分布测试，以近似判据确定所研究岩土试样数字REV；然后基于岩土试样CT扫描图像三维重构数字模型，通过确定最大立方体参考试样及8顶点立方体覆盖法获取岩土试样的子立方体试样信息，确定所研究岩土试样数字REV尺度；最后对比判断近似判据是否合理。该方法简单易行，综合考虑了岩土取样的随机性与确定性，能够有效减少取样的工作量，同时获得的代表性信息显著增加，利用数学方式验证统计分析过程严谨可信度高，克服了传统方法中人为判断所带来的主观误差问题。

【技术实现步骤摘要】
一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法
本专利技术涉及一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法，尤其适用于岩土工程领域研究使用。
技术介绍
岩土REV(RepresentativeElementaryVolume)的存在性及其确定是岩土力学与工程领域的一个基本科学问题，决定了断续/多孔岩土体能否采用连续介质力学理论与方法开展分析研究工作。岩土REV的概念最早由Bear在研究多孔介质土体渗流时提出，后被引入裂隙岩体、数字岩芯及土壤物理等涉及岩土介质的多学科领域。但是，由于岩土介质内部复杂结构“看不见、摸不着”的“黑箱”属性，导致难以对其进行准确表征与直观显示，造成了诸多工程实际问题分析与研究的困难。近年来，随着CT这一无损探测技术的发展，人们已经可以在一定程度上打开岩土介质内部复杂结构这一“看不见、摸不着”黑箱(黑箱变灰箱)，对其微细观结构进行可视化与定量表征分析(如孔/裂隙、颗粒的几何特征与空间形态)，进而以此为基础进行后续表观物理力学行为研究，揭示对宏观物理力学行为起控制作用的内禀机制。尽管上述研究目前已取得了长足的发展，但仍存在一些问题。比如，CT扫描往往会获取大量的数字图像，数据量巨大，理论上全部用于统计分析更能有效表征岩土介质的微细观结构和宏观特形。但是，受制于计算机的存储和计算能力，全部数据用于后续统计分析以及模拟计算的时间和成本过高而难以实施。因此，有必要从所有数据图像中选择特定感兴趣区域内的表征单元体(REV)简化分析过程，以较小的部分数据较完整地保存所需信息，在表征精度与计算效率、成本之间找到合理的平衡点。综合分析后发现，目前岩土数字REV尺度的确定多采用理论分析、数值模拟或者室内/现场实验确定，多以孔隙率、弹性模量、渗透系数等参数进行约束，不同程度的存在理论复杂、计算成本高、周期长等问题，还没有一种简单、合理并且有效的定量化确定、取样及验证方法。
技术实现思路
针对上述技术的不足之处，提供一种方法简单，结合分形理论与毛细管(束)模型，采用孔隙率参数作为约束的一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法。为实现上述技术的不足之处，本专利技术的岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法，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rmax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rmax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；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L0-x，将L0-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rmax间拟合近似关系并重复步骤b和c直至M和N间误差≤5％。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：Ntotal(r′≥rmin)＝(rmax/rmin)Df，孔隙数量与孔隙大小(半径)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，Ntotal为岩土介质中孔隙半径大小>rmin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，rmin为最小孔隙半径，rmax为最大孔隙半径，Df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。边长为L0岩土数字REV其大小采用L0衡量，垂直于毛细管轴向的横断面上单个半径为r的毛细管断面面积为：S(r)＝πr2，岩土试件横断面上自相似区间范围内(rmin，rmax)所有毛细管面积为：通过孔隙率参数可以得到岩土REV横断面面积为：式中φ为孔隙率，S(r)为单个半径为r的圆形毛细管横断面面积，π为计算圆面积的圆周率，r为孔隙半径，Spore为边长为L0岩土立方体REV横断面内所有圆形毛细管横断面面积之和；S为边长为L0岩土立方体REV横断面面积，N为孔隙数量，rmin为最小孔隙半径，rmax为最大孔隙半径，Df为孔隙大小分布分形维数。立方体REV的边长L0和最大孔隙半径rmax相关的多参数解析表达式满足以下关系：式中，φ为孔隙率，Df为孔隙大小分布分形维数。有益效果：本方法引入分形几何理论，结合毛细管(束)模型描述岩土孔隙结构，以孔径分布曲线中的最大孔径即可近似确定岩土REV尺度，简单易行；利用的8顶点立方体覆盖取样法综合考虑了岩土取样的随机性与确定性，能够有效减少取样的工作量，同时获得的代表性信息显著增加，利用数学方式验证统计分析过程科学严谨可信度高，克服了传统方法中部分人为判断处理所带来的主观误差问题，本方法可生成自动化处理软件、设备用于数字岩芯、土壤物理等领域岩土多孔介质微细观孔隙结构的精细化表征，进而以此为基础分析对其宏观物理力学特性的影响，在本
内具有广泛的实用性。附图说明图本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n步骤如下：/na、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L

【技术特征摘要】
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rmax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rmax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；
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L0-x，将L0-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...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚召祥，周国庆，饶中浩，赵光思，王义江，赵晓东，王泽桂，蔡尚跃，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32