专利名称：岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法
技术领域：
本发明涉及岩体力学实验领域，具体涉及岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法。
背景技术：
岩体结构面直剪试验的目的 是确定岩体不连续面的抗剪参数，为岩体稳定性分析与防治提供依据，是比较常规的岩石力学试验。岩体结构面的抗剪强度是岩质边坡稳定性分析及其防治设计中最重要的力学参数之一，多年来国内外学者一直高度关注其取值问题。目前测量抗剪强度参数的方法主要有四种，即模拟试验、参数反演、经验估算方法和直剪试验。其中，直剪试验原理简单、操作容易、成本低廉且试验周期短，因而被广泛应用于实际工程与科研教学中。在直剪试验操作过程中，剪切面积的测量至关重要，直接影响试验结果。对于岩体结构面剪切面积的测量，常规的方法主要是首先将透明的蜡纸置于剪切破坏后的岩体结构面上，然后用铅笔将结构面剪切部分的轮廓手绘于透明蜡纸上，再借助网格纸逐个地数出透明蜡纸上闭合轮廓线所占的格子数，最后汇总并计算岩体结构面剪切面积。常规的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法主要存在以下缺陷
(1)在描绘剪切部分面积的轮廓过程中，由于视觉角度和光线等原因，极易造成轮廓面积大于或小于实际剪切面积的误差；
(2)在方格统计过程中，由于每个方格的尺寸微小(AmmXlmm),长时间观测易产生视觉疲劳，出现漏数、多数的现象；
(3)在方格统计过程中，往往出现轮廓部分包含非整个方格的现象(如半个方格)，通常的做法是采用四舍五入的方法，变成整数个，近似过程中引入了统计偏差；
(4 )由于常规测量方法整个过程属于纯人工操作，工作效率较低，不适于大批量及处理中、大规模尺寸的岩体试验样本测量。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是为解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种岩体结构面直剪试验剪切面积的测量方法，该方法操作过程简单、便捷，并且测量准确。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的岩体结构面直剪试验剪切面积的测量方法，包括以下步骤
(1)直剪试验后的岩体结构面照片采集，数码相机应进行垂直拍摄，采用近景摄影模式，像素> 1200万；
(2)对采集的岩体结构面彩色图片裁剪与填充，要求填充的颜色深于剪切部分的颜
色；
(3)将裁减与填充后的岩体结构面彩色图片转换为灰阶图片；
(4)根据得到的岩体结构面灰阶图片，选择灰度阀值；(5)基于选择的灰度阀值八将岩体结构面灰阶图片转换为黑白二值图片；
(6)计算白色部分占整个图片的面积百分比，即岩体结构面直剪试验剪切面积百分
比；
(7)根据拍照时采用的刻度尺作为参照物，计算出岩体结构面实际的总面积；
(8)求出岩体结构面直剪试验的剪切面积f； 经过上述步骤，完成对岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量。上述步骤(5)中，在将岩体结构面灰阶图片转换为黑白二值图片过程时，经灰度阀值处理后的岩体结构面图像满足，
,x Jl如果版V)>F g "|o 如果
式中'T为灰度阀值％ 为图片中每个像素点的坐标\f (X，y)为灰阶图片中每个像素点对应的灰度值函数为灰阶图片转换为黑白二值图片中每个像素点对应的灰度值函数；
标注为I的像素点对应剪切点，颜色设置为白色，标注为0的像素点对应非剪切点，表现为黑色；
所述岩体结构面为灰黑色、灰褐色、灰色的灰岩，其灰度阀值r可以为110-160。对于其它岩性和颜色的岩体结构面，灰度阀值r均可根据观测规律获得。所述其它岩性的岩体结构面是指花岗岩、砂岩、页岩或大理岩等岩体结构面，所述其它颜色的岩体结构面是指白色、灰白色或黑色等岩体结构面。本发明可以按照下述公式计算剪切部分占整个图片的百分比，即岩体结构面直剪试验剪切面积百分比
tF=5.xl00%
A ，
式中#为岩体结构面直剪试验剪切面积百分比，Pb为图片中剪切部分像素点个数'Pt为图片中岩体结构面总像素点个数。本发明可以按照下述公式计算岩体结构面的实际面积
S^AxB=axhxC2 ,
式中A为岩体结构面的实际面积，C为岩体结构面尺寸比例尺，a和6分别为图片中岩体结构面的长宽d和A分别为实际中岩体结构面的长宽。本发明可以按照下述公式求出岩体结构面剪切试验的剪切面积P
S1 = SxW ,式中^为岩体结构面直剪试验的剪切面积，S为岩体结构面的实际面积#为岩体结构面直剪试验剪切面积百分比。本发明对于颜色较浅的岩样，在岩体结构面可以分离的前提下，进行直剪试验前，采用表面涂抹黑色墨水的方法进行改进，然后再进行本方法中的步骤(I) - (8)，同样得到岩体结构面剪切试验的剪切面积。本发明与常规剪切面积测量方法相比，具有以下优点及突出性进步
其一.操作简单由于测量过程实现了自动化，所以操作简单，适用于颜色较深的岩体结构面直剪试验的剪切面积测量，对于颜色较浅者，可以按照本方法的步骤(9)进行改業
口 O其二 .实用性强由于测量过程实现了自动化，所以能够减少地质工作者的劳动强度，改善实验环境，试验周期缩短为常规方法的50%以下，从而提高了试验工作效率和测量精度。
其二 .测量成本较低约降低测量成本约为常规方法的80%。其三.应用广不仅适用于水利水电、地质勘测、矿山开采、公路建设的工程应用中，同时也广泛应用于科研院所教学研究当中。总之，本发明可以解决目前常规测量方法操作复杂、步骤繁琐、工作效率低、人为误差大等缺陷，并且由于操作简单，对减轻地质工作者的工作负担，提高测量精度与工作效率，具有重要的现实意义；同时由于成本较低，易于推广。


图I为本发明的工艺流程图。图2为本发明实施例照片采集示意图。图3为本发明实施例图片的示意图(彩色图片)。图4为本发明实施例图片的裁剪示意图(彩色图片)。图5为本发明实施例图片的填充示意图(彩色图片)。图6为本发明实施例的某一岩体结构面的图片(彩色图片)。图7为本发明实施例基于图6的图片转换的灰阶图片。图8为本发明实施例的某一岩体结构面灰阶图片。图9为本发明实施例基于图8灰阶图片转换的黑白二值图片。图10为本发明实施例的数据对比的曲线。图中1.数码相机；2.岩体结构面。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。本发明提供的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，参见图I至图9，包括以下步骤
(I)岩体结构面照片采集
将剪切后的岩体结构面置于光亮处，使用普通数码相机对剪切后的岩体结构面表面进行拍照。拍照前要求将岩体结构面表面清理干净，同时用I 精度的刻度尺作为参照物放在旁边，刻度尺应包含在图片内。参见图2-图3，拍照时数码相机I的镜头垂直对焦岩体结构面2，选择近景模式进行拍摄，避免角度引起的误差，像素最好不低于1200万像素，获取清晰的岩体结构面彩色图片。(2)图片的裁剪和填充
拍摄的岩体结构面彩色图片，除了岩体结构面本身，作为参照的比例尺和周围多余的混凝土试块均在照片中，在进行岩体结构面剪切面积统计时，这些范围是不应该给予计算的，因此需要将这些范围进行裁剪。又由于岩体结构面形状为近长方形，但不是规则的长方形，并且在试样浇筑过程中，部分混凝土覆盖于岩体结构面边缘处，这些不规则以及混凝土覆盖的部分应该进行图像处理，填充为比剪切部分更深的颜色(图4-图5)。该步骤可以在Adobe Photoshop、MATLAB等图像处理软件中进行实现。实际研究中，是基于MATLAB软件进行编程处理的，但是为了使操作过程通俗易懂，现以应用更加广泛的Adobe Photoshop (Adobe Photoshop CS3中文版)软件为例加以说明。具体操作步骤是运用工具箱中的矩形选框工具对图片进行裁剪，提取出我们所研究的岩体结构面(图4);然后利用工具箱中的油漆桶工具，结合工具箱中的多边形套索工具精确提取研究区域，并将非研究区域填充为深颜色(图5)。(3)彩色图片转换为灰阶图片
该步骤利用了数字图像处理中的图像分割技术。该技术就是根据研究的需求，把待处理的图像分割成具有独特性质的、特定的若干个区域，并进一步提出研究者所感兴趣目标的技术与过程。作为图像处理和图像分析的关键步骤，根据采用的方法，图像分割技术主要分为以下几类基于阀值、基于区域、基于边缘、基于特定理论的图像分割技术等。目前比较常用的图像分割技术是基于灰度阀值的方法。由于是基于灰度阀值，因此首先必须将采集的岩体结构面彩色照片进行灰度处理，使原彩色图片变为灰阶图片(图6-图7)。在这个过程中，图像的灰度信息是没有发生变化的。在将照相机拍摄的岩体结构面剪切后的表面彩色图片转换成灰阶图片过程中，一张灰阶图像就是一个矩阵，矩阵中每一个数字对应图像中的每一个像素，并且矩阵中的数字大小代表像素的灰度值，取值范围是0-255。其中，0在灰阶图像中显示黑色，255代表白色。 该步骤可以在Adobe Photoshop、MATLAB等图像处理软件中进行实现，比如在Adobe Photoshop CS3 (中文版)软件中，具体操作步骤是可以运用菜单栏中图像(I)—调整(A) - Black & White…工具实现彩色图像向灰阶图片的转换。(4)选择灰度阀值
在岩体结构面直剪试验剪切过程中，结构面表面接触的部位，由于受到摩擦破坏，产生岩石碎屑，出现擦痕，较周围没有剪切部位，一般来说颜色较浅，这也正是采用常规剪切面积测量方法进行统计的依据。本发明同样根据这一现象，利用图像分割技术，将岩体结构面图像中受到剪切(颜色相对较浅)部位进行提取。灰度阀值7的确定，需要根据多次观测规律，进行目视检查直方图，寻找出剪切(颜色相对较浅)部位灰度的最小值，从而确定最终阀值r，本发明中所述岩体结构面为灰黑色、灰褐色、灰色的灰岩，其灰度阀值r可以为110-160。对于其它岩性和颜色的岩体结构面，灰度阀值r均可根据观测规律获得。所述其它岩性的岩体结构面是指花岗岩、砂岩、页岩或大理岩等岩体结构面，所述其它颜色的岩体结构面是指白色、灰白色或黑色等岩体结构面。该步骤可以在Adobe Photoshop、MATLAB等图像处理软件中进行实现，比如在Adobe Photoshop CS3 (中文版)软件中，具体操作步骤是利用工具栏中魔棒工具，点击灰阶图片中剪切(颜色相对较浅)部位，此时在窗口右上方的直方图中便可显示该部位的灰度值。因为越亮的部位灰度值越大，图片中剪切(颜色相对较浅)部位往往不是一个固定值，因此我们必须多次操作，重复该过程，直至寻找出剪切(颜色相对较浅)部位的灰度最小值，即灰度阀值r。
(5)灰阶图片转换为黑白二值图片
该转换的目的是将图像中结构面剪切部分区域提取出来，其原理是基于步骤(4)中所选择的灰度阀值r进行处理，将岩体结构面灰阶图片转换为黑白二值图片(图8-图9)，其中白色区域为剪切部分，黑色区域为非剪切部分。现假设岩体结构面图像的直方图对应函数/(U)，该图像由非剪切与剪切两部分组成，在灰阶图像中，非剪切与剪切部分的像素会具有两种主要模式的灰度级，本发明所采用的分割技术便是选取一个灰度阀值r来分离这两种模式的像素。 何满足
的像素点(u)称为剪切点(对象点)；任何满足/(U) <7的像素点则称为非剪切点(背景
点)。即，经灰度阀值T处理后的岩体结构面图像g(U)满足，
Ji 如果/(u)>r g x,x"lo 如果，
式中'T为灰度阀值％ 为图片中每个像素点的坐标\f (X，y)为灰阶图片中每个像素点对应的灰度值函数为灰阶图片转换为黑白二值图片中每个像素点对应的灰度值函数。标注为I的像素点对应剪切点,颜色设置为白色,标注为0的像素点对应非剪切点，表现为黑色。该步骤可以在Adobe Photoshop、MATLAB等图像处理软件中进行实现，比如在Adobe Photoshop CS3 (中文版)软件中，具体操作步骤是可以运用菜单栏中图像(I)—阀值(T)工具，点击后会出现一对话框，将步骤(4)中所选择的灰度阀值f填入阀值色阶中，便可实现灰阶图片向黑白二值图片的转换，图中，白色部分便是岩体结构面直剪试验中的剪切部分。(6)根据公式(2)计算白色部分(剪切部分)占整个图片的百分比，即岩体结构面直剪试验剪切面积百分比
r=^l XI oo%⑵，
式中#为岩体结构面直剪试验剪切面积百分比，Sb为图片中剪切部分面积，St为图片中岩体结构面总面积。由步骤(4)可知，一张岩体结构面灰阶图片是由大量的像素点按照矩阵的方式排列组合而成，如果肉眼通过放大镜观察照片，即可以看到排列整齐的小格子，其中每一个小格子即为一个像素点。像素点是图片中的最小显示单位，我们可以通过计算像素点百分比来得到剪切面积百分比，并且该方式也便于在计算机上操作，提高工作效率，减少人为误差。因此，最终式(2)可转换为式(3)进行求解，
W^ XlOO0Zo(3),
Pt
式中#为岩体结构面直剪试验剪切面积百分比，Pb为图片中剪切部分像素点个数'Pt为图片中岩体结构面总像素点个数。该步骤可以在Adobe Photoshop、MATLAB等图像处理软件中进行实现，比如在Adobe Photoshop CS3 (中文版)软件中，可以在直方图信息窗口中计算出岩体结构面直剪试验剪切面积百分比r。(7)岩体结构面的实际面积S :
根据拍照时采用的刻度尺作为参照物，可以得出图片中岩体结构面尺寸比例尺C，如果图片中岩体结构面的长宽分别为a和&那么实际中岩体结构面的长宽应为和B=bXC,所以岩体结构面的实际面积为，
权利要求
1.一种岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征在于采用包括以下步骤的方法 (1)采集照片直剪试验后的岩体结构面照片采集，数码相机应进行垂直拍摄，采用近景摄影模式，像素> 1200万； (2)裁剪与填充对采集的岩体结构面彩色图片进行裁剪与填充，要求填充的颜色深于剪切部分的颜色； (3)转换为灰阶图片将裁减与填充后的岩体结构面彩色图片转换为灰阶图片； (4)根据得到的岩体结构面灰阶图片，选择灰度阀值； (5)转换为黑白二值图片基于选择的灰度阀值，将岩体结构面灰阶图片转换为黑白二值图片； (6)计算白色部分占整个图片的面积百分比，即岩体结构面直剪试验剪切面积百分·比； (7)根据拍照时采用的刻度尺作为参照物，计算出岩体结构面实际的总面积； (8)求出岩体结构面直剪试验的剪切面积； 经过上述步骤，完成对岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量。
2.根据权利要求I所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征是在将岩体结构面灰阶图片转换为黑白二值图片过程中，经灰度阀值处理后的岩体结构面图像满足， ,x Ji iuW(^y)>T 8X,y "|o 如果/(u)<T, 式中'T为灰度阀值％ 为图片中每个像素点的坐标\f (X，y)为灰阶图片中每个像素点对应的灰度值函数为灰阶图片转换为黑白二值图片中每个像素点对应的灰度值函数； 标注为I的像素点对应剪切点，颜色设置为白色，标注为0的像素点对应非剪切点，表现为黑色。
3.根据权利要求2所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征在于所述岩体结构面为灰黑色、灰褐色、灰色的灰岩，其灰度阀值^为110-160。
4.根据权利要求2所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征在于对于其它岩性和颜色的岩体结构面，其灰度阀值r均根据观测规律获得；所述其它岩性的岩体结构面是指花岗岩、砂岩、页岩或大理岩等岩体结构面，所述其它颜色的岩体结构面是指白色、灰白色或黑色等岩体结构面。
5.根据权利要求I所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征是按照下述公式计算剪切部分占整个图片的百分比，即岩体结构面直剪试验剪切面积百分比 5. XI oo% A ， 式中#为岩体结构面直剪试验剪切面积百分比，Pb为图片中剪切部分像素点个数'Pt为图片中岩体结构面总像素点个数。
6.根据权利要求I所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征是按照下述公式计算岩体结构面的实际面积S = Ax.B=a.xhxC2 , 式中A为岩体结构面的实际面积，C为岩体结构面尺寸比例尺，a和6分别为图片中岩体结构面的长宽d和A分别为实际中岩体结构面的长宽。
7.根据权利要求1、5和6所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征是按照下述公式求出岩体结构的剪切面积P T = 面直剪试验 式中^为岩体结构面剪切试验的剪切面积，^为岩体结构面的实际面积#为岩体结构面直剪试验剪切面积百分比。
8.根据权利要求I所述的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其特征在于对于颜色较浅的岩样，在岩体结构面可以分离的前提下，进行直剪试验前，采用表面涂抹黑色墨水的方法进行改进，然后再进行步骤(I) - (8)，同样得到岩体结构面剪切试验的剪切面积。
全文摘要
本发明提供的岩体结构面直剪试验中剪切面积的测量方法，其步骤包括采集照片；裁剪与填充；转换为灰阶图片；根据得到的岩体结构面灰阶图片，选择灰度阀值；基于选择的灰度阀值，将岩体结构面灰阶图片转换为黑白二值图片；计算白色部分占整个图片的面积百分比，即岩体结构面直剪试验剪切面积百分比；根据拍照时采用的刻度尺作为参照物，计算出岩体结构面实际的总面积；求出岩体结构面直剪试验的剪切面积。本发明可以解决目前常规测量方法操作复杂、步骤繁琐、工作效率低、人为误差大等缺陷，并且由于操作简单，对减轻地质工作者的工作负担，提高测量精度与工作效率，具有重要的现实意义；同时由于成本较低，易于推广。
文档编号G01B11/28GK102749046SQ201210255330
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23日
发明者唐辉明, 孙淼军, 范怡静, 葛云峰 申请人:中国地质大学(武汉)