申请/专利权人：合肥工业大学

申请日：2019-03-13

公开（公告）日：2024-02-13

公开（公告）号：CN109724867B

主分类号：G01N3/02

分类号：G01N3/02;G01N3/34

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.13#授权;2019.05.31#实质审查的生效;2019.05.07#公开

摘要：本发明涉及岩体物理模型试验的技术领域，特别涉及脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统及方法。包括岩石模型、落锤式冲击试验机、图像采集装置和图像处理装置；岩石模型为透明含裂隙的立方体的岩石模型，裂隙内充满示踪粒子流体；落锤式冲击试验机可模拟冲击载荷对岩石模型施加脉冲应力；图像采集装置包括相机机构和照明机构，相机机构可全程拍摄岩石模型的图像，照明机构对相机机构进行补光；图像处理装置包括图像采集卡和计算机，图像采集卡和所述相机机构连接，将相机机构采集到的图像进行数字化处理，数字化处理后的图像信息被传输到计算机中进行存储和分析，实现在爆破等动力荷载所引起动水压作用下裂隙岩体响应全过程可视化模拟。

主权项：1.脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：包括岩石模型（1）、图像采集装置和图像处理装置（7）；所述岩石模型（1）为透明含裂隙的立方体，所述岩石模型（1）的上部中间设有上端敞口的圆柱体空腔（12），与圆柱体空腔（12）的下端对应的岩石模型（1）的中部设有椭圆裂隙空腔（11），椭圆裂隙空腔（11）的长轴两端对应着岩石模型（1）内部均设有若干条微裂纹（13）；圆柱体空腔（12）的下端和椭圆裂隙空腔（11）连通；所述圆柱体空腔内设有示踪粒子流体，示踪粒子流体的液面上方设有活塞机构（4）；所述活塞机构（4）包括活塞（43）和活塞杆（42），活塞杆（42）的上部伸至圆柱体空腔（12）的上端外部；所述图像采集装置包括两台CCD相机（6）和两个LED照明灯（3）；所述两台CCD相机（6）分别位于岩石模型（1）的相对两侧，两个LED照明灯（3）分别位于岩石模型（1）相对两侧的上方；所述图像处理装置（7）包括图像采集卡（71）和计算机（72），图像采集卡（71）和所述每台CCD相机（6）分别连接，将两台CCD相机（6）采集到的图像进行数字化处理，数字化处理后的图像信息被传输到计算机（72）中进行存储和分析；用于实验时，将岩石模型（1）放置于落锤式冲击试验机（2）的工作台上，并使重锤位于活塞杆（42）的上方；打开两台CCD相机（6）和两个LED照明灯（3），使得两台CCD相机（6）可全程清晰拍摄岩石模型（1）的图像，两个LED照明灯（3）对两台CCD相机（6）的拍摄进行补光，提高每台CCD相机（6）的拍摄质量；启动落锤式冲击试验机（2），重锤锤击活塞机构（4），即可进行模拟冲击载荷对岩石模型（1）施加脉冲应力冲击的实验；所述岩石模型（1）为透明光敏树脂材料经3D打印而成的透明含裂隙的立方体；所述圆柱体空腔（12）的直径为椭圆裂隙空腔（11）短轴长度的50%；所述圆柱体空腔（12）的腔体内设置的示踪粒子流体高度达到圆柱体空腔（12）的腔体高度的14~12；所述椭圆裂隙空腔（11）为扁平状的腔体结构；所述活塞杆（42）的上端设有圆形的活塞帽（41）。

全文数据：脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统及方法技术领域本发明涉及岩体物理模型试验的技术领域，特别涉及脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统及方法。背景技术在爆破、地震等强动应力作用下岩体裂隙不断扩展形成贯通的导水通道，随着裂隙扩展累积不断增大，渗透系数发生非线性阶跃增大，其渗流场发生显著变化，从而导致岩体极易发生突水事故。在此期间，岩体裂隙渗流表征参量，如流速、流量和体积等受时空效应影响，具有非稳态特征，所以破坏程度和概率显著加大，进而加剧了岩体结构的损伤断裂进程，并且在非稳态渗压诱导下断裂特征参数及演化过程难以厘定，所以突水事故难以进行定量化推断。因此，有必要深入开展动应力作用下非稳态渗压诱导岩体破裂响应研究，研究成果可以为岩体动应力下渗流灾害预测、评估与控制提供科学决策参考，对于实现渗压作用破坏物理模拟实验、完善理论分析模型、发展数值重构分析方法、优化工程灾害评估等具有突出的科研价值和工程指导意义。目前一些学者对非稳态渗压下岩石裂隙响应进行了研究，如研究动水压作用下岩石裂隙尖端的应力强度因子大小及断裂韧度的特性等，但所述研究并未涉及脉冲动水压下岩石裂隙的扩展特性及岩体的变形特性。随着计算机和材料科学的发展，已经有学者通过透明材料代替岩石进行试验，如使用透明材料代替岩石试件，研究单轴荷载作用下单、双裂隙裂隙的扩展过程，采用透明树脂材料制作含三维裂隙试件进行试验，研究了三维裂隙的扩展与破坏过程等。但是尚未有研究学者利用含裂隙岩石模型进行岩体内流体渗压诱导裂隙扩展的模拟实验。发明内容本发明解决背景技术中的问题，提出了脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统及方法，可直观显现脉冲动水压作用下岩石内部裂隙扩展进程，得到裂隙扩展特性及岩体变形特性，实现在爆破等动力荷载所引起动水压作用下裂隙岩体响应全过程可视化模拟。具体的技术方案为，脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，包括岩石模型1、图像采集装置和图像处理装置7；所述岩石模型1为透明含裂隙的立方体，所述岩石模型1的上部中间设有上端敞口的圆柱体空腔12，与圆柱体空腔12的下端对应的岩石模型1的中部设有椭圆裂隙空腔11，椭圆裂隙空腔11的长轴两端对应着岩石模型1内部均设有若干条微裂纹13；圆柱体空腔12的下端和椭圆裂隙空腔11连通；所述圆柱体空腔11内设有示踪粒子流体，示踪粒子流体的液面上方设有活塞机构4；所述活塞机构4包括活塞43和活塞杆42，活塞杆42的上部伸至圆柱体空腔12的上端外部；所述图像采集装置包括两台CCD相机6和两个LED照明灯3；所述两台CCD相机6分别位于岩石模型1的相对两侧，两个LED照明灯3分别位于岩石模型1相对两侧的上方；所述图像处理装置7包括图像采集卡71和计算机72，图像采集卡71和所述每台CCD相机6分别连接，将两台CCD相机6采集到的图像进行数字化处理，数字化处理后的图像信息被传输到计算机72中进行存储和分析；用于实验时，将岩石模型1放置于落锤式冲击试验机2的工作台上，并使重锤位于活塞杆42的上方；打开两台CCD相机6和两个LED照明灯3，使得两台CCD相机6可全程清晰拍摄岩石模型1的图像，两个LED照明灯3对两台CCD相机6的拍摄进行补光，提高每台CCD相机6的拍摄质量；启动落锤式冲击试验机2，重锤锤击活塞机构，即可进行模拟冲击载荷对岩石模型1施加脉冲应力冲击的实验。进一步，所述岩石模型1为透明光敏树脂材料经3D打印而成的透明含裂隙的立方体。进一步，所述圆柱体空腔12的直径为椭圆裂隙空腔11短轴长度的50%。进一步，所述圆柱体空腔12的腔体内设置的示踪粒子流体高度达到圆柱体空腔12的腔体高度的14~12。进一步，所述椭圆裂隙空腔11为扁平状的腔体结构。进一步，所述活塞杆42的上端设有圆形的活塞帽41。还包括上述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统的实验方法，包括以下步骤：（1）将透明含裂隙的立方体的岩石模型1放在落锤式冲击试验机2平台的中间并固定；（2）从岩石模型1的圆柱体空腔12的上端敞口注入示踪粒子流体，示踪粒子流体充满椭圆裂隙空腔11和多条微裂纹13的裂隙，从而使得示踪粒子流体达到圆柱体空腔12的腔体高度的13；（3）岩石模型1的圆柱体空腔12内放入配合的活塞机构4，将活塞43的下端压入示踪粒子流体的液面处，活塞杆42的上端伸至圆柱体空腔12的上端外部，且活塞帽41位于落锤式冲击试验机2重锤的正下方；（4）岩石模型1的相对两侧分别放置CCD相机6，根据岩石模型1的尺寸调整CCD相机6的位置，使得摄像全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰；（5）在岩石模型相对两侧的上方分别放置LED照明灯3，满足CCD相机6的补光要求，使得LED照明灯3从上方倾斜照射岩石模型；（6）调试实验装置，调试完成后启动落锤式冲击试验机2，使得落锤式冲击试验机2的重锤锤击活塞帽41，对岩石模型1形成脉冲应力，进而驱动示踪粒子流体形成非稳态渗压，诱导岩石模型1上的裂隙扩展，在此过程中CCD相机6进行全程拍摄；（7）图像采集卡将CCD相机6全程拍摄的图像进行数字化后传输至计算机72中，由计算机72进行存储以备分析处理；（8）调整落锤式冲击试验机2的落锤重量及高度模拟不同冲击能，对岩石模型1形成不同的脉冲应力；试验完成后，通过图像比较，并利用图像数字化技术以及粒子图像测速法得到不同冲击能作用下岩石模型1基体的变形以及裂隙扩展长度与速度，追踪脉冲动水压下岩石模型1表面变形特性及内部裂隙扩展特性。进一步，步骤（3）中示踪粒子流体的流体为水，且示踪粒子满足水流场示踪粒子要求，具有良好流场跟随性。本发明有益技术效果：（1）采用透明树脂材料3D打印成含裂隙的立方体的岩石模型模拟含裂隙岩体，同时采用落锤式冲击试验机对岩石模型内裂隙水体施加脉冲动荷载，形成脉冲动水压力，诱导岩石模型上的裂隙扩展，实现了对爆破等动力荷载所引起的动裂隙水压作用下裂隙岩体响应过程的可视化模拟。（2）本发明可以通过CCD相机高速摄影记录冲击荷载作用下裂隙岩体响应全过程，并由图像采集卡将CCD全程拍摄的图像进行数字化处理后传输至计算机中，由计算机进行存储并进行分析处理，实现了对脉冲动水压作用下岩石裂隙响应可视化模拟实验的有效记录与分析。（3）本发明可以通过控制落锤式冲击试验机的落锤重量及高度模拟不同冲击能，并利用图像数字化技术（DIC）以及粒子图像测速法（PIV）得到不同冲击能作用下岩石模型基体的变形以及裂隙扩展长度与速度。实现了对不同冲击能诱发动水压作用下岩石裂隙多方面响应的研究，同时实验分析研究成果可以为岩体动应力下渗流灾害预测、评估与控制提供科学决策参考。附图说明图1为本发明的系统结构示意图。图2为本发明的岩石模型的结构示意图。图3为在脉冲动水压下岩石模型动态裂纹扩展迹线摄影跟踪图片。图中：1-岩石模型；2-落锤式冲击试验机；3-LED照明灯；4-活塞机构；41-活塞帽；42-活塞杆；43-活塞；11-椭圆裂隙空腔；12-圆柱体空腔；13-微裂纹；6-CCD相机；7-图像处理装置；71-图像采集卡；72-计算机。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例1脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，包括岩石模型1、落锤式冲击试验机2、可视化系统和图像处理装置7。所述岩石模型1为透明光敏树脂材料经3D打印而成的透明立方体的岩石模型1，边长为40cm，岩石模型1的中间设有上端敞口的圆柱体空腔12，圆柱体空腔12高度为20cm，直径为5cm；圆柱体空腔12的中心轴线和立方体的垂直中心轴线同轴；所述圆柱体空腔12的下端对应着岩石模型1内部设有椭圆裂隙空腔11，椭圆裂隙空腔11为扁平状的腔体结构，椭圆裂隙空腔11的长轴两端对应着岩石模型1内部均设有多条微裂纹13；所述圆柱体空腔12的腔体和椭圆裂隙空腔11的腔体连通。圆柱体空腔12内对应着示踪粒子流体的液面上方设有活塞机构4，包括活塞43和活塞杆42，活塞43和活塞杆42都由金属材料制成。所述活塞43和圆柱体空腔12的腔体配合，所述活塞杆42的上部伸至圆柱体空腔12上端外部，且上端固定连接有圆形的活塞帽41。活塞杆42的长度保证冲击荷载作用下杆身不全部进入圆柱体的空腔内，活塞帽41对应位于落锤式冲击试验机2的重锤的正下方。落锤式冲击试验机2可调整锤重及落锤高度模拟冲击载荷锤击活塞帽41，活塞杆42和活塞43传递载荷，诱发示踪粒子流体对岩石模型1形成脉冲动水压。椭圆形空腔水平布置，且椭圆裂隙空腔11的长轴长18cm、短轴长10cm、腔体厚度为2cm；椭圆裂隙空腔11的长轴两端对应着的岩石模型1均设有3条微裂纹13，每条微裂纹13长度为4cm。所述可视化系统包括两台CCD相机6和两个LED照明灯3，两台CCD相机6可全程拍摄岩石模型1的图像，两个LED照明灯3对每台CCD相机6进行补光，两台CCD相机6分别位于岩石模型1的相对两侧两个LED照明灯3，两个LED照明灯3分别位于岩石模型1相对两侧的上方，可满足CCD相机6的补光要求，提高CCD相机6的拍摄质量。所述图像处理装置7包括图像采集卡71和计算机72，图像采集卡71和所述相机机构连接，将相机机构采集到的图像进行数字化处理，数字化处理后的图像信息被传输到计算机72中进行存储和计算分析。用于实验时，将岩石模型1放置于落锤式冲击试验机2的工作台上，并使重锤位于活塞杆42的上方；打开两台CCD相机6和两个LED照明灯3，使得两台CCD相机6可全程清晰拍摄岩石模型1的图像，两个LED照明灯3对两台CCD相机6的拍摄进行补光，提高每台CCD相机6的拍摄质量；启动落锤式冲击试验机2，重锤锤击活塞机构，即可进行模拟冲击载荷对岩石模型1施加脉冲应力冲击的实验。实施例2实施例1脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统的实验方法，包括以下步骤：（1）将岩石模型1放在落锤式冲击试验机2平台的中间位置并固定。（2）向岩石模型1的圆柱体空腔12的上端敞口注入示踪粒子流体，示踪粒子流体充满椭圆裂隙空腔11和多条微裂纹13的裂隙，并使得示踪粒子流体达到圆柱体空腔12的腔体高度的5cm；所述示踪粒子流体为水体含有示踪粒子，具有良好流场跟随性。（3）在岩石模型1的圆柱体空腔12内放入活塞机构4，将活塞43的下端压入示踪粒子流体液面处，活塞杆42的上端伸出圆柱体空腔12的上端敞口，且活塞帽41位于落锤式冲击试验机2重锤的正下方。（4）在岩石模型1的相对两侧分别放置CCD相机6，根据岩石模型1的尺寸调整CCD相机6的位置，使得摄像全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰，且CCD相机6一秒可拍摄10万张图片，且CCD相机6为13”CCD8mm的镜头，距离岩石模型1的水平距离为1m。（5）在岩石模型1相对两侧的上方分别放置LED照明灯3，使得LED照明灯3从上方倾斜照射岩石模型1，满足CCD相机6的补光要求。（6）调试实验装置，调试完成后启动落锤式冲击试验机2，使得落锤式冲击试验机2的重锤锤击活塞形成脉冲应力，脉冲应力冲击功为50J，进而驱动示踪粒子流体形成非稳态渗压，诱导岩石模型1上的裂隙扩展，在此过程中每台CCD相机6进行全程拍摄。其中图3为0~88us岩石模型1的微裂纹13的扩展变化情况。（7）图像采集卡71将两台CCD相机全程拍摄的图像进行数字化后存储到计算机72中以备处理，其中计算机72同时连接两台CCD相机6，以达到同步控制的目的。（8）调整落锤式冲击试验机2的落锤重量及高度模拟不同冲击能，对岩石模型1形成不同的脉冲应力；试验完成后，通过图像比较，并利用图像数字化技术（DIC）以及粒子图像测速法（PIV）得到不同冲击能作用下岩石模型1基体的变形以及裂隙扩展长度与速度，追踪脉冲动水压下岩石模型1表面变形特性及内部裂隙扩展特性。以上所述，仅是本发明的具体实施方式，并非对本发明保护范围的限定，任何熟悉及从事本领域的技术人员基于上述实施例，不经过创造性劳动对上述实施例进行变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：包括岩石模型（1）、图像采集装置和图像处理装置（7）；所述岩石模型（1）为透明含裂隙的立方体，所述岩石模型（1）的上部中间设有上端敞口的圆柱体空腔（12），与圆柱体空腔（12）的下端对应的岩石模型（1）的中部设有椭圆裂隙空腔（11），椭圆裂隙空腔（11）的长轴两端对应着岩石模型（1）内部均设有若干条微裂纹（13）；圆柱体空腔（12）的下端和椭圆裂隙空腔（11）连通；所述圆柱体空腔（11）内设有示踪粒子流体，示踪粒子流体的液面上方设有活塞机构（4）；所述活塞机构（4）包括活塞（43）和活塞杆（42），活塞杆（42）的上部伸至圆柱体空腔（12）的上端外部；所述图像采集装置包括两台CCD相机（6）和两个LED照明灯（3）；所述两台CCD相机（6）分别位于岩石模型（1）的相对两侧，两个LED照明灯（3）分别位于岩石模型（1）相对两侧的上方；所述图像处理装置（7）包括图像采集卡（71）和计算机（72），图像采集卡（71）和所述每台CCD相机（6）分别连接，将两台CCD相机（6）采集到的图像进行数字化处理，数字化处理后的图像信息被传输到计算机（72）中进行存储和分析；用于实验时，将岩石模型（1）放置于落锤式冲击试验机（2）的工作台上，并使重锤位于活塞杆（42）的上方；打开两台CCD相机（6）和两个LED照明灯（3），使得两台CCD相机（6）可全程清晰拍摄岩石模型（1）的图像，两个LED照明灯（3）对两台CCD相机（6）的拍摄进行补光，提高每台CCD相机（6）的拍摄质量；启动落锤式冲击试验机（2），重锤锤击活塞机构（4），即可进行模拟冲击载荷对岩石模型（1）施加脉冲应力冲击的实验。2.根据权利要求1所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：所述岩石模型（1）为透明光敏树脂材料经3D打印而成的透明含裂隙的立方体。3.根据权利要求1所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：所述圆柱体空腔（12）的直径为椭圆裂隙空腔（11）短轴长度的50%。4.根据权利要求1所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：所述圆柱体空腔（12）的腔体内设置的示踪粒子流体高度达到圆柱体空腔（12）的腔体高度的14~12。5.根据权利要求1所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：所述椭圆裂隙空腔（11）为扁平状的腔体结构。6.根据权利要求1所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统，其特征在于：所述活塞杆（42）的上端设有圆形的活塞帽（41）。7.根据权利要求1~6任一权利要求所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验系统的实验方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）将透明含裂隙的立方体的岩石模型（1）放在落锤式冲击试验机（2）平台的中间并固定；（2）从岩石模型（1）的圆柱体空腔（12）的上端敞口注入示踪粒子流体，示踪粒子流体充满椭圆裂隙空腔（11）和多条微裂纹（13）的裂隙，从而使得示踪粒子流体达到圆柱体空腔（12）的腔体高度的13；（3）岩石模型（1）的圆柱体空腔（12）内放入配合的活塞机构（4），将活塞（43）的下端压入示踪粒子流体的液面处，活塞杆（42）的上端伸至圆柱体空腔（12）的上端外部，且活塞帽（41）位于落锤式冲击试验机（2）重锤的正下方；（4）岩石模型（1）的相对两侧分别放置CCD相机（6），根据岩石模型（1）的尺寸调整CCD相机（6）的位置，使得摄像全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰；（5）在岩石模型（1）相对两侧的上方分别放置LED照明灯（3），满足CCD相机（6）的补光要求，使得LED照明灯（3）从上方倾斜照射岩石模型（1）；（6）调试实验装置，调试完成后启动落锤式冲击试验机（2），使得落锤式冲击试验机（2）的重锤锤击活塞帽（41），对岩石模型（1）形成脉冲应力，进而驱动示踪粒子流体形成非稳态渗压，诱导立方体的岩石模型（1）上的裂隙扩展，在此过程中CCD相机（6）进行全程拍摄；（7）图像采集卡将CCD相机（6）全程拍摄的图像进行数字化后传输至计算机（72）中，由计算机（72）进行存储以备分析处理；（8）调整落锤式冲击试验机（2）的落锤重量及高度模拟不同冲击能，对岩石模型（1）形成不同的脉冲应力；试验完成后，通过图像比较，并利用图像数字化技术以及粒子图像测速法得到不同冲击能作用下岩石模型（1）基体的变形以及裂隙扩展长度与速度，追踪脉冲动水压下岩石模型（1）表面变形特性及内部裂隙扩展特性。8.根据权利要求7所述脉冲动水压下岩石裂隙响应可视化模拟实验方法，其特征在于：步骤（3）中示踪粒子流体的流体为水，且示踪粒子满足水流场示踪粒子要求，具有良好流场跟随性。

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