结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法与流程

1.本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法。


背景技术：

2.边坡岩体中所赋存的结构面受地球内外地质营力共同作用，其力学性质远低于岩块，降低了岩体的完整性和整体强度，使得边坡岩体易沿控制性结构面发生滑动失稳。考虑到天然结构面三维形貌具有一定的频谱特征，由不同频率特征的起伏成分组成，剪切过程中不同起伏成分的磨损演化特征对结构面的剪切机制与剪切强度影响存在较大差异。因此，有必要制作高频起伏与低频起伏成分含量比例可定量控制的结构面试样，为定量研究不同频率成分在剪切过程中的磨损演化规律奠定基础。
3.杜时贵等将岩体结构面表面形态划分为宏观几何轮廓、表面起伏形态以及微观粗糙度三级要素，且研究表明不同频率成分或起伏形态要素在剪切过程中对结构面抗剪强度的贡献存在明显差异。结构面的宏观几何轮廓是结构面表面最大一级的几何轮廓，反映结构面表面宏观总体的起伏形状，它由较小级别的形态要素(即表面起伏形态)峰谷包路线(面)表征；表面起伏形态是结构面表面常见的波状起伏形态，构成结构面表面可见规模的峰谷起伏轮廓；微观粗糙度是岩体结构面表面最小一级的粗糙起伏形态，反映表面起伏形态峰谷坡面的微小几何起伏，体现矿物颗粒或细小晶体在结构面表面的分布和排列特征。针对结构面表面形态三级要素中的表面起伏形态和微观粗糙度，学者们采用了诸如“一阶起伏和二阶起伏”、“大尺度波纹分量和小尺度不规则分量”、“波纹度分量和随机不规则度分量”等名称或方式对其起伏特点进行描述和划分。实际上，起伏频率小但起伏高度较高的表面起伏形态(“一阶起伏”或“大尺度波纹分量”或“波纹度分量”)属于低频起伏成分，而起伏频率大但起伏高度较低的微观粗糙度(“二阶起伏”或“小尺度不规则分量”或“随机不规则分量”)属于高频起伏成分。在上述所描述的结构面形貌三级要素中，结构面的表面起伏形态往往是影响结构面力学性质和剪切行为的决定性因素。尽管结构面的宏观几何轮廓可由表面起伏形态的峰谷包络线直接得到，但结构面表面起伏形态和微观粗糙度之间的不存在明显界限，直观上难以定量划分。
4.现有学者通常采用傅立叶级数、高斯滤波、小波变换、不同采样精度等方法人为控制或分离结构面形貌中的不同起伏成分。例如，夏才初等通过移动的数据窗和最小二乘平滑提取了波纹分量和不规则分量；yang et al.、唐志成和刘泉声采用剖面线的不同傅立叶级数代表一阶和二阶起伏成分；蒋喆等采用2.5mm的高斯滤波器截止波长对剪切前后结构面形貌进行滤波，对结构面的一阶起伏和二阶起伏进行了提取；li et al.采用小波分析所近似表征的结构面二维剖面线的第四层对一阶起伏进行了提取；liu et al.将大采样间距绘制的标准剖面线作为一阶起伏成分，剩余成分作为二阶起伏成分；朱小明等和liu et al.则采用两种起伏高度的三角突起体代表结构面的一阶和二阶起伏体；孙盛玥等、黄曼等依据不同网格尺寸的形貌面积变化速率对一阶和二阶起伏进行划分。然而构成结构面的不
同起伏成分在宏观尺寸上一般连续变化，不同学者基于宏观尺寸差异采用高斯滤波或小波分析等方法所分解得到的起伏成分往往不一致。
5.二维功率谱密度函数可以有效分析结构面形貌的频谱特征，描述结构面形貌不同起伏成分的起伏高度在不同频率范围内的分布情况，可有效解决宏观尺寸上结构面不同起伏成分之间频率界限无法定量识别的问题，进而可完成结构面三维形貌中高频起伏与低频起伏成分的定量分解。基于所定量分解得到的起伏成分，依据所指定的高频起伏与低频起伏成分的含量比例，采用傅立叶逆变换即可完成高频起伏与低频起伏成分含量比例不同且可定量控制的结构面形貌模型。


技术实现要素：

6.为了克服现有岩体结构面形貌中高频起伏成分与低频起伏成分界限无法定量确定，难以定量控高频起伏与低频起伏成分含量比例的问题，本发明提供了一种结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，所述方法包括以下步骤：
9.s1、获取与岩体结构面实际剪切状态一致的结构面三维形貌模型；
10.s2、基于二维功率谱密度确定岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数，计算公式如下述公式(1)：
[0011][0012]
其中，p
3d
为高度均方值，psd(f
x
,f
y
)为结构面形貌的二维功率谱密度，f
x
和f
y
分别为结构面形貌频率成分在x轴和y轴方向的空间频率，f
t
为频率阀值，f
max
为最大频率值；
[0013]
s3、绘制岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数图像，以函数图的转折点所对应的频率作为结构面形貌高频成分和低频成分的界限频率f
tc
；
[0014]
s4、保持岩体结构面中低频起伏成分含量不变，通过调整高频起伏成分的含量定量控制岩体结构面高频起伏与低频起伏成分的含量比例γ0，则与含量比例γ0所对应的高频起伏成分的频率上限f
u
的计算公式为：
[0015][0016]
s5、依据所确定的界限频率f
tc
或高频起伏成分的频率上限f
u
，提取岩体结构面三维形貌不同频率的起伏成分，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型；
[0017]
s6、依据所定量建立的高频起伏和低频起伏成分含量比例不同的结构面三维形貌模型，采用岩石雕刻机雕刻制作高频起伏和低频起伏成分定量可控的岩体结构面试样。
[0018]
进一步，所述步骤s1包括：
[0019]
s11、沿剪切方向采集岩体结构面三维形貌离散坐标数据，以坐标数据最小二乘拟合平面与坐标平面的夹角作为结构面三维形貌的趋势向，沿趋势向反向旋转结构面形貌数据，确保旋转后的结构面三维形貌趋势向呈水平状态；
[0020]
s12、平移旋转后的结构面三维形貌数据，使得其起伏高度平均平面与坐标平面重合，建立结构面三维形貌模型。
[0021]
优选的，所述步骤s2中，岩体结构面形貌二维功率谱密度psd(f
x
，f
y
)的计算公式为：
[0022][0023]
其中，l
x
和l
y
为别为岩体结构面三维形貌在x轴和y轴方向的长度，z(f
x
,f
y
)为结构面三维形貌z(x,y)在空间频域内的二维傅里叶变换，j2＝
‑
1。
[0024]
优选的，所述步骤s5的过程如下：
[0025]
若建立仅含高频起伏成分，低频起伏成分含量为零的结构面三维形貌模型，可基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将小于界限频率f
tc
的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到仅含高频起伏成分的结构面三维形貌模型，计算公式如下述公式(4)：
[0026][0027]
若保持低频起伏成分含量不变，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型，可基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将大于高频起伏成分的频率上限f
u
的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到高频起伏和低频起伏成分含量比例为γ0的三维形貌模型，计算公式如下述公式(5)：
[0028][0029]
本发明的有益效果主要表现在：以结构面三维形貌中高频起伏成分的起伏高度显著低于低频起伏成分的特征为切入点，基于结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数，深入研究结构面三维形貌起伏高度均方值随频率值逐渐增大的变化特征，找准结构面三维形貌低频成分与高频成分起伏高度的转折点，定量划分高频起伏成分与低频起伏成分之间的频率界限，确定岩体结构面高频起伏与低频起伏成分的含量比例所对应的高频起伏成分的频率上限，解决了宏观尺寸上结构面不同起伏成分之间频率界限无法定量识别的问题，进而完成含不同高频起伏与低频起伏成分的结构面形貌定量生成，制作高频起伏与低频起伏成分定量可控的结构面试样。
附图说明
[0030]
图1是实例天然砂岩结构面的三维形貌模型；
[0031]
图2是实例天然砂岩结构面形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数图像；
[0032]
图3是仅含高频起伏成分形貌模型；
[0033]
图4是高频起伏与低频起伏成分含量比例γ0＝0的形貌模型；
[0034]
图5是高频起伏与低频起伏成分含量比例γ0＝1的形貌模型。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0036]
参照图1～图5，一种结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，所述方法包括以下步骤：
[0037]
s1、获取与岩体结构面实际剪切状态一致的结构面三维形貌模型；
[0038]
s2、基于二维功率谱密度确定岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数，计算公式如下述公式(1)：
[0039][0040]
其中，p
3d
为高度均方值，psd(f
x
,f
y
)为结构面形貌的二维功率谱密度，f
x
和f
y
分别为结构面形貌频率成分在x轴和y轴方向的空间频率，f
t
为频率阀值，f
max
为最大频率值；
[0041]
具体的，由式(1)可知，随着阀值频率f
t
的增大，结构面的起伏高度均方根值p3
d
逐渐增大，当f
t
增大至最大频率值时可得到结构面三维形貌整体的起伏高度均方值；
[0042]
s3、绘制岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数图像，以函数图的转折点所对应的频率作为结构面三维形貌高频成分和低频成分的界限频率f
tc
；
[0043]
具体的，结构面三维形貌中高频起伏成分的起伏高度显著低于低频起伏成分，当f
t
取值小于界限频率f
tc
时，随着阀值频率的增大结构面三维形貌起伏高度均方值增长速率较快，此时阀值频率仍处于低频成分区域；当f
t
取值大于界限频率f
tc
时，随着阀值频率的增大结构面三维形貌起伏高度均方值增长速率将变缓，因此，可依据式(1)函数图像的转折点定量确定结构面三维形貌高频成分和低频成分界限频率f
tc
的取值；
[0044]
s4、保持岩体结构面中低频起伏成分含量不变，通过减少高频起伏成分的含量定量控制岩体结构面高频起伏与低频起伏成分的含量比例γ0，则与含量比例γ0所对应的高频起伏成分的频率上限f
u
的计算公式为：
[0045][0046]
具体的，结构面形貌高频起伏和低频起伏成分含量的比例可通过高频起伏与低频起伏频率范围的比值确定；
[0047]
s5、依据所确定的界限频率f
tc
或高频起伏成分的频率上限f
u
，提取岩体结构面三维形貌不同频率的起伏成分，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型；
[0048]
s6、依据所定量建立的高频起伏和低频起伏成分含量比例不同的结构面三维形貌模型，采用岩石雕刻机雕刻制作高频起伏和低频起伏成分定量可控的岩体结构面试验。
[0049]
所述步骤s1包括：
[0050]
s11、沿剪切方向采集岩体结构面三维形貌离散坐标数据，以坐标数据最小二乘拟合直线与坐标轴的夹角作为结构面三维形貌的趋势向，沿趋势向反向旋转结构面形貌数据，确保旋转后的结构面三维形貌趋势向呈水平状态；
[0051]
s12、平移旋转后的结构面三维形貌数据，使得其起伏高度平均直线与坐标横轴重合，建立结构面三维形貌模型。
[0052]
具体的，在室内试验或现场试验测试岩体结构面的剪切强度时，应当使结构面剪切面保持与所施加的法向应力垂直，排除结构面整体趋势向向上所增加的抗剪强度或整体
趋势向向下所减弱的抗剪强度。因此，在对结构面形貌的起伏特征进行描述或粗糙度进行计算时，应当排除结构面整体趋势向的影响。此外，通过将去除趋势向影响的结构面坐标数据进行平移，使其起伏高度平均直线与坐标轴重合可去除结构面形貌直流分量的影响，使后续步骤所计算得到的结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函更为清晰的反映结构面在不同频率范围内的起伏特征。
[0053]
所述步骤s2中，岩体结构面三维形貌单边功率谱密度psd
*
的计算公式为：
[0054][0055]
其中，l
x
和l
y
为别为岩体结构面三维形貌在x轴和y轴方向的长度，z(f
x
,f
y
)为结构面三维形貌z(x,y)在空间频域内的二维傅里叶变换，j2＝
‑
1。
[0056]
所述步骤s5的过程如下：
[0057]
若建立仅含高频起伏成分，低频起伏成分含量为零的结构面三维形貌模型，可基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将小于界限频率f
tc
的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到仅含高频起伏成分的结构面三维形貌模型，计算公式如下述公式(4)：
[0058][0059]
若保持低频起伏成分含量不变，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型，可基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将大于高频起伏成分的频率上限f
u
的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到高频起伏和低频起伏成分含量比例为γ0的三维形貌模型，计算公式如下述公式(5)：
[0060][0061]
实例：一种高频起伏与低频起伏成分含量比例定量可控的岩体结构面制样方法，包括如下步骤：
[0062]
首先，选定位于湖北省宜昌市秭归县归州镇马家沟滑坡区域的砂岩结构面为研究对象，采用0.4mm的采样间距沿剪切方向采集天然砂岩结构面的形貌离散坐标数据，以坐标数据最小二乘拟合平面与坐标轴的夹角作为结构面三维形貌的趋势向，沿趋势向反向旋转结构面形貌数据，确保旋转后的结构面三维形貌趋势向呈水平状态，平移旋转后的三维形貌数据，使得其起伏高度平均平面与坐标平面重合，建立其三维形貌模型，如图1所示；
[0063]
然后，依据式(1)和(3)计算结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数，绘制结构面形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数图像，如图2所示，以函数图的转折点所对应的频率作为结构面三维形貌高频成分和低频成分的界限频率f
tc
，即f
tc
＝0.1/mm；
[0064]
进而，依据式(4)建立仅含高频起伏成分的结构面三维形貌模型，如图3所示；依据
式(5)建立高频起伏和低频起伏成分含量比例γ0分别为0和1的三维形貌模型，分别如图4和图5所示。
[0065]
最后，依据所建立的高频起伏和低频起伏成分含量比例不同的结构面三维形貌模型图3～5，采用岩石雕刻机对岩石试块进行雕刻即可得到所需高频起伏与低频起伏比例γ0的岩体结构面试样。
[0066]
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

技术特征：
1.一种结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：s1、获取与岩体结构面实际剪切状态一致的结构面三维形貌模型；s2、基于二维功率谱密度确定岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数，计算公式如下述公式(1)：其中，p
3d
为高度均方值，psd(f
x
,f
y
)为结构面形貌的二维功率谱密度，f
x
和f
y
分别为结构面形貌频率成分在x轴和y轴方向的空间频率，f
t
为频率阀值，f
max
为最大频率值；s3、绘制岩体结构面三维形貌起伏高度均方值在频率范围内的分布函数图像，以函数图的转折点所对应的频率作为结构面形貌高频成分和低频成分的界限频率f
tc
；s4、保持岩体结构面中低频起伏成分含量不变，通过调整高频起伏成分的含量定量控制岩体结构面高频起伏与低频起伏成分的含量比例γ0，则与含量比例γ0所对应的高频起伏成分的频率上限f
u
的计算公式为：s5、依据所确定的界限频率f
tc
或高频起伏成分的频率上限f
u
，提取岩体结构面三维形貌不同频率的起伏成分，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型；s6、依据所定量建立的高频起伏和低频起伏成分含量比例不同的结构面三维形貌模型，采用岩石雕刻机雕刻制作高频起伏和低频起伏成分定量可控的岩体结构面试样。2.如权利要求1所述的结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，其特征在于，所述步骤s1包括：s11、沿剪切方向采集岩体结构面三维形貌离散坐标数据，以坐标数据最小二乘拟合平面与坐标平面的夹角作为结构面三维形貌的趋势向，沿趋势向反向旋转结构面形貌数据，确保旋转后的结构面三维形貌趋势向呈水平状态；s12、平移旋转后的结构面三维形貌数据，使得其起伏高度平均平面与坐标平面重合，建立结构面三维形貌模型。3.如权利要求1或2所述的结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，其特征在于，所述步骤s2中，岩体结构面形貌二维功率谱密度psd(f
x
,f
y
)的计算公式为：其中，l
x
和l
y
为别为岩体结构面三维形貌在x轴和y轴方向的长度，z(f
x
,f
y
)为结构面三维形貌z(x,y)在空间频域内的二维傅里叶变换，j2＝
‑
1。4.如权利要求1或2所述的结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，其特征在于，所述步骤s5的过程如下：若建立仅含高频起伏成分，低频起伏成分含量为零的结构面三维形貌模型，可基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将小于界限频率f
tc
的频率成分设为零值，然
后通过傅里叶逆变换得到仅含高频起伏成分的结构面三维形貌模型，计算公式如下述公式(4)：若保持低频起伏成分含量不变，建立高频起伏和低频起伏成分不同含量比例的结构面三维形貌模型，可基于结构面三维形貌在频域空间的二维傅里叶变换，将大于高频起伏成分的频率上限f
u
的频率成分设为零值，然后通过傅里叶逆变换得到高频起伏和低频起伏成分含量比例为γ0的三维形貌模型，计算公式如下述公式(5)：
技术总结
一种结构面形貌频谱成分定量可控的制样方法，包括以下步骤：S1、获取与岩体结构面实际剪切状态一致的结构面三维形貌模型；S2、基于二维功率谱密度确定结构面起伏高度均方值在频率范围内的分布函数；S3、以函数图的转折点作为高频和低频成分的界限频率f


技术研发人员：杜时贵 王昌硕 雍睿 罗战友 吕原君 章子华 宋佳敏 夏才初
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2021.03.01
技术公布日：2021/6/29