本發(fā)明涉及巖土工程材料力學(xué)特性研究領(lǐng)域，特別是指一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法及裝置。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，有較多的研究是針對(duì)預(yù)制裂隙的巖石試樣進(jìn)行破壞試驗(yàn)，探究在裂隙存在的情況下，巖石破裂過(guò)程中裂隙的發(fā)展趨勢(shì)。但是由于微裂隙肉眼難以觀察的，研究大多獲得了巖石的力學(xué)參數(shù)和宏觀裂隙的發(fā)展趨勢(shì)等信息，因此對(duì)微觀機(jī)理方面研究普遍不足。同時(shí)，也有相關(guān)的研究是結(jié)合數(shù)值模擬軟件，特別是離散元軟件進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模擬，揭示巖石破裂過(guò)程中的細(xì)觀機(jī)理。數(shù)值模擬軟件作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充，可以有效地捕捉到細(xì)觀微裂隙的產(chǎn)生發(fā)展以及最終形成宏觀斷裂帶的過(guò)程。相關(guān)學(xué)者結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和顆粒流(ParticleFlowCode，PFC)等離散元程序研究試樣在單軸壓縮情況下的裂隙發(fā)展趨勢(shì)，但是由于PFC軟件在模擬過(guò)程中將黏結(jié)破壞視作微裂隙，因此最終呈現(xiàn)的結(jié)果大多只能通過(guò)微裂隙的聚集來(lái)粗略判斷宏觀裂隙的發(fā)展趨勢(shì)，而不是精確定量地描述宏觀裂隙發(fā)展趨勢(shì)和破裂程度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法及裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的不能精確定量地描述宏觀裂隙發(fā)展趨勢(shì)和破裂程度的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法，包括：構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。進(jìn)一步地，所述構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型包括：S11，采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其中，所述顆粒體試樣的尺寸與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的尺寸相同；S12，設(shè)置顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)；S13，根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，對(duì)所述顆粒體試樣進(jìn)行單軸壓縮虛擬加載，得到所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；S14，將得到的所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較；S15，若曲線的差異在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)，則根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；S16，否則，則調(diào)整顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并返回S13繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)一步地，所述根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得所述顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值包括：根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮，獲得所述顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值。進(jìn)一步地，所述根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組包括：根據(jù)所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，得到微裂隙點(diǎn)i與其他微裂隙點(diǎn)j之間的距離dij；設(shè)聚類中心被具有較小局部密度的周圍微裂隙點(diǎn)包圍，并聚類中心和其他局部密度較大的微裂隙點(diǎn)之間存在一定的距離，計(jì)算微裂隙點(diǎn)i的局部密度ρi：ρi＝∑jχ(dij-dc)；計(jì)算微裂隙點(diǎn)i離其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的距離δi，其中，若微裂隙點(diǎn)i具有較大局部密度，則δi＝maxj(dij)；否則，距離δi是通過(guò)微裂隙點(diǎn)i和其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的最小距離δi確定的，其中，若dij-dc<0，則χ(dij-dc)＝1，否則，χ(dij-dc)＝0；dc是截?cái)嗑嚯x，dij是微裂隙點(diǎn)i和其他微裂隙點(diǎn)j之間的距離；當(dāng)局部密度小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較小局部密度；當(dāng)局部密度不小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較大局部密度。進(jìn)一步地，所述采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度包括：采用主成分分析的方法，對(duì)各微裂隙組進(jìn)行分析，獲得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的貢獻(xiàn)值及第二主成分的貢獻(xiàn)值；其中，所述第一主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的軸向延伸方向，第二主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的橫向擴(kuò)張方向，第一主成分方向與第二主成分方向正交；第一主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在軸向延伸方向上的發(fā)育程度，第二主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置，其特征在于，包括：構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；獲取模塊，用于根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；聚類模塊，用于根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；量化模塊，用于采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。進(jìn)一步地，所述構(gòu)建模塊包括：確定單元，用于采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其中，所述顆粒體試樣的尺寸與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的尺寸相同；設(shè)置單元，用于設(shè)置顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)；加載單元，用于根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，對(duì)所述顆粒體試樣進(jìn)行單軸壓縮虛擬加載，得到所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；比較單元，用于將得到的所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較；構(gòu)建單元，用于若曲線的差異在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)，則根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；返回單元，用于若曲線的差異不在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)，則調(diào)整顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并返回所述加載單元繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)一步地，所述獲取模塊，用于根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮，獲得所述顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值。進(jìn)一步地，所述聚類模塊包括：第一計(jì)算單元，用于根據(jù)所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，得到微裂隙點(diǎn)i與其他微裂隙點(diǎn)j之間的距離dij；第二計(jì)算單元，用于設(shè)聚類中心被具有較小局部密度的周圍微裂隙點(diǎn)包圍，并聚類中心和其他局部密度較大的微裂隙點(diǎn)之間存在一定的距離，計(jì)算微裂隙點(diǎn)i的局部密度ρi：ρi＝∑jχ(dij-dc)；第三計(jì)算單元，用于計(jì)算微裂隙點(diǎn)i離其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的距離δi，其中，若微裂隙點(diǎn)i具有較大局部密度，則δi＝maxj(dij)；否則，距離δi是通過(guò)微裂隙點(diǎn)i和其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的最小距離δi確定的，其中，若dij-dc<0，則χ(dij-dc)＝1，否則，χ(dij-dc)＝0；dc是截?cái)嗑嚯x，dij是微裂隙點(diǎn)i和其他微裂隙點(diǎn)j之間的距離；當(dāng)局部密度小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較小局部密度；當(dāng)局部密度不小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較大局部密度。進(jìn)一步地，所述量化模塊，用于采用主成分分析的方法，對(duì)各微裂隙組進(jìn)行分析，獲得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的貢獻(xiàn)值及第二主成分的貢獻(xiàn)值；其中，所述第一主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的軸向延伸方向，第二主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的橫向擴(kuò)張方向，第一主成分方向與第二主成分方向正交；第一主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在軸向延伸方向上的發(fā)育程度，第二主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：上述方案中，通過(guò)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)分析流程示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的巖石試樣尺寸示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的巖石試樣與顆粒體試樣單軸加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的顆粒體模型破壞形式示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的顆粒體模型微裂隙集分組結(jié)果示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的主成分分析原理示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的聚類分析與主成分分析結(jié)果示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的不能精確定量地描述宏觀裂隙發(fā)展趨勢(shì)和破裂程度的問題，提供一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法及裝置。實(shí)施例一參看圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法，包括：S101，構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；S102，根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；S103，根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；S104，采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。本發(fā)明實(shí)施例所述的確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法，通過(guò)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。在前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法的具體實(shí)施方式中，進(jìn)一步地，所述構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型(S101)包括：S11，采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其中，所述顆粒體試樣的尺寸與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的尺寸相同；S12，設(shè)置顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)；S13，根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，對(duì)所述顆粒體試樣進(jìn)行單軸壓縮虛擬加載，得到所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；S14，將得到的所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較；S15，若曲線的差異在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)，則根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；S16，否則，則調(diào)整顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并返回S13繼續(xù)執(zhí)行。在前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法的具體實(shí)施方式中，進(jìn)一步地，如圖2所示，所述根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得所述顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值(S103)包括：根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮，獲得所述顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值。本實(shí)施例中，所述微裂隙集為，所述微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值為二維坐標(biāo)值，所述微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值可以表示為X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)。本實(shí)施例中，在S103中，采用的聚類方法不同于常見的k-means聚類法和層次聚類方法等經(jīng)典聚類方法。在S103中，采用的聚類方法是基于數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，同時(shí)考慮各聚類中心的距離，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分組，得到多個(gè)微裂隙組；其中，所述數(shù)據(jù)點(diǎn)為微裂隙集中微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，也就是說(shuō)，在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值被視為數(shù)據(jù)點(diǎn)。本實(shí)施例中，根據(jù)S102得到的所述微裂隙集，可以將微裂隙點(diǎn)的X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)導(dǎo)入到MATLAB，采用基于數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度的聚類分析方法，按照微裂隙點(diǎn)的聚集程度以及各聚類中心的距離，實(shí)現(xiàn)微裂隙集中微裂隙點(diǎn)的分組。本實(shí)施例中，采用基于數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度的聚類分析方法對(duì)顆粒流模型中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分類的過(guò)程中，最大的困難是采用一種合適度量，將鄰近的微裂隙點(diǎn)劃分為一個(gè)點(diǎn)集。但是，顆粒流模型微裂隙點(diǎn)通常較多，對(duì)于包含顆粒數(shù)量接近兩萬(wàn)的顆粒流模型，微裂隙點(diǎn)的數(shù)量會(huì)多達(dá)上千，若是采用人工逐點(diǎn)分類，則會(huì)產(chǎn)生巨大的工作量，并且分類的指標(biāo)也是難以確定的，對(duì)于同時(shí)臨近兩個(gè)點(diǎn)集的微裂隙點(diǎn)，難以將其劃歸為某一類。本實(shí)施例中，可針對(duì)點(diǎn)集的密度確定該點(diǎn)集的聚類中心，從而將聯(lián)合其周圍的相關(guān)點(diǎn)作為一個(gè)單獨(dú)的族。在這個(gè)基礎(chǔ)上，便可以將離散的點(diǎn)按照點(diǎn)集的密度和距離劃分為一類。這種聚類方式主要是應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，該算法噪點(diǎn)的處理和點(diǎn)集的分類正適用于微裂隙集的分類，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量較大情況下，該算法具有一定的魯棒性。該方法提供了微裂隙集中微裂隙點(diǎn)聚類的一個(gè)思路和方向，并且聚類結(jié)果可以作為主成分分析的數(shù)據(jù)源。首先將顆粒流模型中產(chǎn)生所有微裂隙點(diǎn)(微裂隙集)作為一個(gè)點(diǎn)集，將該點(diǎn)集中所有點(diǎn)之間的距離作為輸入量，并執(zhí)行以下步驟：假設(shè)聚類中心被具有較小局部密度的周圍微裂隙點(diǎn)/數(shù)據(jù)點(diǎn)包圍，且聚類中心和其他局部密度較大的點(diǎn)之間存在一定的距離；針對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)i計(jì)算兩個(gè)參數(shù)，分別是局部密度ρi和離其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)之間的距離δi。局部密度的計(jì)算公式表示為：ρi＝∑jχ(dij-dc)其中，若dij-dc<0，則χ(dij-dc)＝1，否則，χ(dij-dc)＝0；dc是截?cái)嗑嚯x，dij是兩數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離；這個(gè)算法只對(duì)不同數(shù)據(jù)點(diǎn)之間ρi的相對(duì)大小有關(guān)，因此對(duì)于較大數(shù)據(jù)組，分析結(jié)果相對(duì)于dc的選擇是魯棒的。計(jì)算微裂隙點(diǎn)i離其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的距離δi，其中，若微裂隙點(diǎn)i具有較大局部密度，則δi＝maxj(dij)；否則，距離δi是通過(guò)微裂隙點(diǎn)i和其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的最小距離δi確定的，因此，聚類中心被認(rèn)為是δi較大的點(diǎn)，其中，當(dāng)局部密度小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較小局部密度；當(dāng)局部密度不小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較大局部密度。本實(shí)施例中，將該點(diǎn)集(微裂隙集)中所有點(diǎn)之間的距離作為輸入量，通過(guò)上述算法求取多個(gè)聚類中心，通過(guò)聚類中心將周圍臨近的離散點(diǎn)劃歸為一類。在這里，主要通過(guò)調(diào)節(jié)截?cái)嗑嚯x和聚類中心的數(shù)量來(lái)獲得較為符合裂隙發(fā)展規(guī)律的微裂隙分組結(jié)果。為獲取準(zhǔn)確精細(xì)的聚類結(jié)果，可以選定多個(gè)聚類中心，獲得較多的微裂隙組，同時(shí)將遠(yuǎn)離聚類中心的微裂隙點(diǎn)視為離散點(diǎn)而避免干擾計(jì)算結(jié)果。在分析宏觀裂紋發(fā)展趨勢(shì)的條件下，將多個(gè)較小的微裂隙組劃分為一個(gè)較大的微裂隙組，這樣可以排除一些離散微裂隙的干擾，獲得較為準(zhǔn)確的主成分分析結(jié)果。本實(shí)施例中，依據(jù)S103的微裂隙分組結(jié)果，采用主成分分析法，對(duì)各微裂隙組進(jìn)行分析，獲得各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，以及各微裂隙組在這兩個(gè)方向上的發(fā)育程度。本實(shí)施例中，為了更好地理解本發(fā)明，先對(duì)主成分分析法的主要步驟進(jìn)行說(shuō)明：A11，求解變量之間的協(xié)方差矩陣∑：A12，求解協(xié)方差矩陣∑的特征值與特征向量，求得特征值分別為λ1,λ2,…,λp，同時(shí)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為：ui＝(u1i,u2i,…,upi)',i＝1,2,…P特征向量形成的正交陣為：y1＝u11x1+u21x2+…+up1xpy2＝u12x1+u22x2+…+up2xp……yp＝u1px1+u2px2+…+uppxp這樣可以得到如下的主成分，分別以y1,y2,…,yp表示y＝U′x，x＝(x1,x2,…,xp)'，x表示變量；寫成矩陣形式為其中，第一主成分為：y1＝u11x1+…+up1xp第一主成分所能表達(dá)的信息是眾多主成分中最多的，表達(dá)信息占總信息量的比例為該比值越大說(shuō)明第一主成分所包含的信息越多，越能表達(dá)總體的特征。通常情況下選定特征值最大的兩個(gè)或三個(gè)主成分便已經(jīng)能基本表達(dá)總體特征了。本實(shí)施例中，由于所述微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值為二維坐標(biāo)值(X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo))，因此變量只有兩個(gè)，采用主成分分析法，對(duì)各微裂隙組進(jìn)行分析，確定出兩個(gè)主成分便已經(jīng)能表達(dá)該微裂隙集的方位特征了。本實(shí)施例中，對(duì)微裂隙集進(jìn)行聚類分析和主成分分析后，獲得了第一主成分方向和第二主成分方向，以及兩個(gè)主成分方向上的貢獻(xiàn)值；其中，第一主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的軸向延伸方向，第二主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的橫向擴(kuò)張方向，第一主成分方向與第二主成分方向正交；第一主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在軸向延伸方向上的發(fā)育程度，第二主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。在第二主成分的貢獻(xiàn)值較小的情況下，可將微裂隙組視為裂紋，隨著貢獻(xiàn)值的逐漸增大，微裂隙組的擴(kuò)張程度也在逐步增加，最終當(dāng)?shù)诙鞒煞值呢暙I(xiàn)值達(dá)到一定程度時(shí)，微裂隙組可以視作破裂區(qū)。本實(shí)施例中，為了更好地理解本實(shí)施例，對(duì)本實(shí)施例提供的所述確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，所述巖石試樣以雙孔類巖石試樣為例，所述確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法的具體步驟可以包括：(1)對(duì)巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲取進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而為建立顆粒流模型和匹配相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。(2)構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型：首先構(gòu)建顆粒體，以表征巖石試樣。顆粒體由顆粒和黏結(jié)構(gòu)成，黏結(jié)類似于兩顆粒間附著的膠凝物質(zhì)。在顆粒體中，描述顆粒的細(xì)觀參數(shù)有：球密度ρ、最小顆粒半徑Rmin、最大與最小粒徑比Rmax/Rmin、接觸楊氏模量Ec、摩擦因數(shù)μ、接觸法向和切向剛度比kn/ks；采用的接觸模型為位移軟化接觸模型，位移軟化接觸模型細(xì)觀參數(shù)為摩擦系數(shù)sof_fric、剪切強(qiáng)度sof_fsmax、抗拉強(qiáng)度sof_ftmax、壓縮剛度sof_knc、拉伸剛度sof_knt、剪切剛度sof_ks、殘余摩擦系數(shù)sof_rfric、極限塑性位移sof_uplim；描述黏結(jié)的細(xì)觀參數(shù)有：平行黏結(jié)半徑系數(shù)λ、黏結(jié)楊氏模量黏結(jié)法向與切向剛度比黏結(jié)法向強(qiáng)度平均值黏結(jié)法向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差黏結(jié)切向強(qiáng)度平均值黏結(jié)切向強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，顆粒體試樣的尺寸與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣保持一致，如圖3所示，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的巖橋長(zhǎng)度1可以為60mm，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的圓孔直徑2可以為8mm，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的巖橋傾角3可以為90°。賦予顆粒體試樣假定的顆粒和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮虛擬加載，獲取所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。將獲取到的所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較。通過(guò)不斷調(diào)整顆粒體細(xì)觀參數(shù)(顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù))，如圖4所示，將獲得的所述顆粒體試樣的單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較，當(dāng)獲得的所述顆粒體試樣的單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為吻合一致時(shí)，此時(shí)顆粒體細(xì)觀參數(shù)可作為最終微觀參數(shù)，根據(jù)所述最終微觀參數(shù)構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型，本實(shí)施例中，吻合是指所述顆粒體試樣的單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的差異在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，采用表1和表2所述的顆粒體細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行單軸虛擬壓縮加載，模擬得到了顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為吻合一致，由此可以認(rèn)為所確定的顆粒體細(xì)觀參數(shù)是合理的。表1顆粒體細(xì)觀參數(shù)表2位移軟化接觸模型細(xì)觀參數(shù)摩擦系數(shù)剪切強(qiáng)度/Pa抗拉強(qiáng)度/Pa壓縮剛度/GPa055.400.1716.38殘余摩擦系數(shù)極限塑性位移剪切剛度/GPa拉伸剛度/GPa014×10-6715(3)對(duì)構(gòu)建的顆粒流模型進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。如圖5所示為顆粒體模型破壞形式，其中，4、5和6為微裂隙集，7和8為圓孔，在顆粒流模型被破壞后，通過(guò)顆粒流軟件(ParticleFlowCode，PFC)自帶的FISH命令，導(dǎo)出每個(gè)微裂隙點(diǎn)的位置坐標(biāo)(坐標(biāo)值)。通過(guò)顆粒流模型中的微裂隙點(diǎn)坐標(biāo)值生成包含微裂隙點(diǎn)彼此之間距離的文件，該文件包括每一個(gè)微裂隙點(diǎn)與其他微裂隙點(diǎn)之間的距離。在這一步中，可以采用的方式是自編寫MATLAB函數(shù)文件通過(guò)讀取微裂隙點(diǎn)坐標(biāo)值，再通過(guò)多次循環(huán)計(jì)算獲得的距離數(shù)據(jù)，并將這些距離數(shù)據(jù)導(dǎo)出為距離文件。(4)通過(guò)聚類算法進(jìn)行聚類分析，確定截?cái)嗑嚯x和聚類中心：如圖6所示，本次聚類共劃定了8個(gè)微裂隙組，9-16為聚類分析獲得的微裂隙組的編號(hào)，但是也可以看出，序號(hào)為9，10和11微裂隙組可以劃分為一個(gè)較大的微裂隙組，而序號(hào)為12，13和14微裂隙組可以劃分為另外一個(gè)較大的微裂隙組，在合并微裂隙組的基礎(chǔ)上共可以獲得三個(gè)較大的微裂隙組，將微裂隙組重新分配序號(hào)為1、2和3。而15號(hào)微裂隙組由于離散性較大，因此不進(jìn)行主成分分析。(5)將(4)中獲得的三個(gè)微裂隙組進(jìn)行主成分分析，如圖7所示為主成分分析原理示意圖，17為第一主成分方向，18為第二主成分方向，19為數(shù)據(jù)點(diǎn)/微裂隙點(diǎn)，分別獲取三個(gè)微裂隙組(如圖8所示，20為序號(hào)為1的微裂隙組，21為序號(hào)為2的微裂隙組，22為序號(hào)為3的微裂隙組)第一主成分和第二主成分相關(guān)信息，3個(gè)裂隙組可以以不同顏色區(qū)分，各微裂隙組主成分方向和貢獻(xiàn)值見表3。由于第一主成分方向與第二主成分方向正交，因此在表3中就不再贅述第二主成分斜率與傾角。第一主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的軸向延伸方向，第二主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的橫向擴(kuò)張方向，特別地，第二主成分貢獻(xiàn)值表征了相應(yīng)的微裂隙組的擴(kuò)張程度，該值越大，表示該微裂隙組擴(kuò)張程度越高。表3主成分分析結(jié)果實(shí)施例二本發(fā)明還提供一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的具體實(shí)施方式，由于本發(fā)明提供的確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置與前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法的具體實(shí)施方式相對(duì)應(yīng)，該確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置可以通過(guò)執(zhí)行上述方法具體實(shí)施方式中的流程步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，因此上述確定巖石裂紋發(fā)育程度的方法具體實(shí)施方式中的解釋說(shuō)明，也適用于本發(fā)明提供的確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的具體實(shí)施方式，在本發(fā)明以下的具體實(shí)施方式中將不再贅述。如圖9所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置，包括：構(gòu)建模塊23，用于構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；獲取模塊24，用于根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；聚類模塊25，用于根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；量化模塊26，用于采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。本發(fā)明實(shí)施例所述的確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置，通過(guò)構(gòu)建的顆粒流模型，獲得顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值；根據(jù)得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，基于微裂隙點(diǎn)的密度進(jìn)行聚類，并根據(jù)各聚類中心的距離，對(duì)所述微裂隙集中的微裂隙點(diǎn)進(jìn)行分組，得到多個(gè)微裂隙組；采用主成分分析法，分析各微裂隙組的軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向，并量化各微裂隙組在軸向延伸方向和橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。在前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的具體實(shí)施方式中，進(jìn)一步地，所述構(gòu)建模塊包括：確定單元，用于采用顆粒和黏結(jié)構(gòu)建顆粒體試樣，其中，所述顆粒體試樣的尺寸與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的尺寸相同；設(shè)置單元，用于設(shè)置顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)；加載單元，用于根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，對(duì)所述顆粒體試樣進(jìn)行單軸壓縮虛擬加載，得到所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；比較單元，用于將得到的所述顆粒體試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行比較；構(gòu)建單元，用于若曲線的差異在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)，則根據(jù)設(shè)置的顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，構(gòu)建巖石試樣的顆粒流模型；返回單元，用于若曲線的差異不在預(yù)設(shè)的第一閾值內(nèi)，則調(diào)整顆粒細(xì)觀參數(shù)和黏結(jié)細(xì)觀參數(shù)，并返回所述加載單元繼續(xù)執(zhí)行。在前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的具體實(shí)施方式中，進(jìn)一步地，所述獲取模塊，用于根據(jù)構(gòu)建的顆粒流模型，沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行虛擬單軸壓縮，獲得所述顆粒流模型破壞過(guò)程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值。在前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的具體實(shí)施方式中，進(jìn)一步地，所述聚類模塊包括：第一計(jì)算單元，用于根據(jù)所述微裂隙集中每個(gè)微裂隙點(diǎn)的坐標(biāo)值，得到微裂隙點(diǎn)i與其他微裂隙點(diǎn)j之間的距離dij；第二計(jì)算單元，用于設(shè)聚類中心被具有較小局部密度的周圍微裂隙點(diǎn)包圍，并聚類中心和其他局部密度較大的微裂隙點(diǎn)之間存在一定的距離，計(jì)算微裂隙點(diǎn)i的局部密度ρi：ρi＝∑jχ(dij-dc)；第三計(jì)算單元，用于計(jì)算微裂隙點(diǎn)i離其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的距離δi，其中，若微裂隙點(diǎn)i具有較大局部密度，則δi＝maxj(dij)；否則，距離δi是通過(guò)微裂隙點(diǎn)i和其他具有較大局部密度的微裂隙點(diǎn)j之間的最小距離δi確定的，其中，若dij-dc<0，則χ(dij-dc)＝1，否則，χ(dij-dc)＝0；dc是截?cái)嗑嚯x，dij是微裂隙點(diǎn)i和其他微裂隙點(diǎn)j之間的距離；當(dāng)局部密度小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較小局部密度；當(dāng)局部密度不小于預(yù)設(shè)的第二閾值時(shí)為較大局部密度。在前述確定巖石裂紋發(fā)育程度的裝置的具體實(shí)施方式中，進(jìn)一步地，所述量化模塊，用于采用主成分分析的方法，對(duì)各微裂隙組進(jìn)行分析，獲得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的貢獻(xiàn)值及第二主成分的貢獻(xiàn)值；其中，所述第一主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的軸向延伸方向，第二主成分方向表示相應(yīng)的微裂隙組的橫向擴(kuò)張方向，第一主成分方向與第二主成分方向正交；第一主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在軸向延伸方向上的發(fā)育程度，第二主成分的貢獻(xiàn)值表示相應(yīng)的微裂隙組在橫向擴(kuò)張方向上的發(fā)育程度。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3