一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法技术

一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，包括以下步骤：(1)选取原岩结构面；(2)对原岩结构面进行三维扫描获取模型；(3)对三维模型利用透明材料进行3D打印，得到相似模型结构面试样；(4)在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机；(5)调整摄像机的位置和角度；(6)可视化设备安置完成后，对剪切设备进行调试并进行试验；(7)设计相机同步控制程序，记录试验图像。本发明专利技术提供了一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，可以追踪剪切每个阶段的表面形态破坏区域，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化以及周围裂隙的萌生扩展情况。

A visualization method for whole process of rock model structural plane shear test

A method for visualizing the whole process of shear test of rock model structural plane includes the following steps: (1) selecting the original rock structural plane; (2) acquiring the model by scanning the original rock structural plane; (3) printing the three-dimensional model with transparent material to get the structural sample of similar model; (4) placing it on the front and back of the model structural plane. CCD camera; (5) adjust the position and angle of the camera; (6) after the installation of the visual equipment, the shearing equipment is debugged and tested; (7) design the camera synchronization control program to record the experimental images. The invention provides a method for visualizing the whole process of shearing test of rock model structural plane, which can track the failure area of surface morphology at each shearing stage, and obtain the three-dimensional surface morphology change during shearing progressive process and the initiation and expansion of surrounding cracks.

【技术实现步骤摘要】
一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法
本专利技术涉及岩石模型结构面剪切试验，尤其是一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法。
技术介绍
岩体是由大量非连续结构面和由这些结构面而分割形成的岩块共同构成的，节理岩体的失稳往往不是因为本身材料发生破坏，而是沿着岩体内部的软弱结构面发生滑移性破坏。为了满足高精度试验和工程需要，采用相似配比材料的模型试验是岩石结构面力学性质室内试验研究的重要方法之一。以往学者大多用相似材料如石膏或水泥砂浆或直接用真实岩体开展力学试验研究岩石结构面的力学性质，但传统的岩石试验无法观测到试验过程中岩石内部几何形态的改变以及裂隙的萌生扩展情况，因为无论真实岩体还是相似材料都是非透明材料，用这些材料研究岩体内部情况是十分困难的。研究表明，结构面表面形态在剪切过程中的破坏特征决定了峰值抗剪强度，而目前的直剪试验往往只能测得结构面表面最终的破坏形态，无法获取结构面在剪切过程中三维形貌的渐变规律。近年来一些学者用CT扫描来研究岩体内部裂纹扩展取得了一些有意义的成果，但CT扫描即时性不足并且细微裂纹的萌生扩展难以捕捉到。
技术实现思路
为了克服以往试验无法深入反映出结构面表面形貌的剪切渐变过程及细观力学响应的不足，本专利技术以3D打印和三维扫描技术为透明模型结构面制作的基础，利用多方位CCD测量技术，精确测量剪切全过程的三维形貌渐变情况，为结构面的抗剪强度力学特性评估提供一种高精度的试验方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，所述方法包括如下步骤：(1)选定需要分析的工程岩体结构面；(2)采用三维激光扫描仪对结构面进行扫描获得原岩三维结构面模型，并存为STL格式；(3)制作相似模型结构面试样；(4)将模型结构面安放在直剪试验仪上，在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机；(5)若结构面放入边长>500mm，把结构面分为4等份，并在试样上各区域交界用记号笔标记为设定颜色，便于摄影过程对各区域位置的区分，将不同区域进行编号，分别为①、②、③、④；若结构面的边长≤500mm，在前后面各放置一台CCD摄像机对应负责两个区域结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄；(6)调整摄像机的位置，距模型表面距离均d，确保相机的内部误差参数在目的面上为一致；此距离下，CCD相机拍摄景物垂向尺寸为h，h＝0.45d，水平尺寸为v，v＝0.6d；根据结构面的尺寸调整距离d，使得摄像尽可能全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰；(7)可视化设备安置完成后，对剪切设备进行调试；采用室内岩石结构面直剪试验仪对透明剪切试样进行试验，剪切过程中采用位移控制模式；试验开始时，同时进行试样的加载以及图像的拍摄，保持两者时间上的对应。拍摄直至达到设定的剪切位移，然后停止加载，退出试验。从剪切盒中取出试样，观察记录试样破坏情况。进一步，所述方法还包括以下步骤：(8)采用高速数字图像采集卡与上述CCD相机连接，将CCD全程拍摄的图像传输到图像卡进行数字化后存储到计算机中以备处理；一台计算机同时连接多台CCD相机，以达到同步控制的目的，计算机实时控制、显示、存储、分析四幅画面；利用MATLAB平台采用GUI编程设计相机同步控制程序。再进一步，所述方法还包括以下步骤：(9)试验完成后进行图像的处理，拍摄的图像按10s间隔提取，通过不同阶段的4个区域图像分别比较，追踪剪切每个阶段的表面形态破坏区域，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况以及周围裂隙的萌生扩展；试验拍摄过程中的一些失真问题，在比较时参考未剪切时结构面形貌进行对比分析。更进一步，所述步骤(3)中，将结构面三维模型的电子文件导入3D打印机中利用透明材料打印制作成相似模型结构面试样。所述步骤(4)中，CCD摄像机安装在活动支架上，相机可在活动支架上移动，并任意调整摄像的高度和角度。所述步骤(5)中，若结构面放入边长>500mm，在各区域再次等分，在①、②、③、④每片区域对应放置A、B、C、D共4台CCD摄像机来负责该区域结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄。所述步骤(6)中，摄像机均采用1/3″CCD的8mm标准镜头，视角为32.6°；摄像机拍摄角度设置为30°，保证各摄像机能够清楚的拍摄对应结构面区域整体形貌且受折射影响较小。本专利技术的技术构思为：本专利技术以3D打印和三维扫描技术为透明模型结构面制作的基础，利用多方位CCD测量成像，全过程追踪拍摄结构面表面形貌的渐变图，确定表面形貌破坏区域，获得剪切渐进过程的结构面三维表面形态变化以及周围裂隙的萌生扩展情况。本专利技术的有益效果主要表现在：以3D打印和三维扫描技术为透明模型结构面制作的基础，利用多方位CCD测量技术，精确测量剪切全过程的三维形貌渐变情况，为结构面的抗剪强度力学特性评估提供一种高精度的试验方法。附图说明图1是结构面等分图；图2是边长为100mm结构面的结构示意图；图3是边长为1000mm结构面的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图3，一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，包括如下步骤：(1)选定需要分析的工程岩体结构面；(2)采用三维激光扫描仪对结构面进行扫描获得原岩三维结构面模型，并存为STL格式；(3)将结构面三维模型的电子文件导入3D打印机中利用透明材料打印制作成相似模型结构面试样(也可以是其他透明模型结构面制作方法)；(4)将模型结构面安放在直剪试验仪上，由于模型结构面的上下侧和左右两侧均与加载的板接触，故设计在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机。CCD摄像机安装在活动支架上，相机可在活动支架上移动，并任意调整摄像的高度和角度。(5)若结构面较大(边长>500mm)，为了拍摄时精准观测结构面整体形貌，避免较远拍摄区域由于距离以及折射等问题导致细节模糊，把结构面分为4等份，并在试样上各区域交界用记号笔标记为红色，便于摄影过程对各区域位置的区分，将不同区域进行编号，分别为①、②、③、④。若试验要求形貌变化的比较更加清晰明确，可在各区域再次等分，如图1所示。在①、②、③、④每片区域对应放置A、B、C、D共4台CCD摄像机来负责该区域结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄。若结构面较小(边长≤500mm)，可在前后面各放置一台CCD摄像机对应负责两个区域结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄。CCD相机信号稳定，CPU资源占用少，相比CMOS数字相机，无论是静态采集还是动态采集，均可以得到无变形的高质图像。(6)摄像机均采用1/3″CCD的8mm标准镜头，视角为32.6°。调整摄像机的位置，距模型表面距离均d，确保相机的内部误差参数在目的面上为一致。此距离下，CCD相机拍摄景物垂向尺寸为h(h＝0.45d)，水平尺寸为v(v＝0.6d)。根据结构面的尺寸调整距离d，使得摄像尽可能全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰。摄像机拍摄角度设置为30°，保证各摄像机能够清楚的拍摄对应结构面区域整体形貌且受折射影响较小。(7)可视化设备安置完成后，对剪切设备进行调试。采用自行研制的室内岩石结构面直剪试验仪对透明剪切试样进行试验。剪切过程中采用位移控制模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)选定需要分析的工程岩体结构面；(2)采用三维激光扫描仪对结构面进行扫描获得原岩三维结构面模型，并存为STL格式；(3)制作相似模型结构面试样；(4)将模型结构面安放在直剪试验仪上，在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机；(5)若结构面放入边长>500mm，把结构面分为4等份，并在试样上各区域交界用记号笔标记为设定颜色，便于摄影过程对各区域位置的区分，将不同区域进行编号，分别为①、②、③、④；若结构面的边长≤500mm，在前后面各放置一台CCD摄像机对应负责两个区域结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄；(6)调整摄像机的位置，距模型表面距离均d，确保相机的内部误差参数在目的面上为一致；此距离下，CCD相机拍摄景物垂向尺寸为h，h＝0.45d，水平尺寸为v，v＝0.6d；根据结构面的尺寸调整距离d，使得摄像尽可能全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰；(7)可视化设备安置完成后，对剪切设备进行调试；采用室内岩石结构面直剪试验仪对透明剪切试样进行试验，剪切过程中采用位移控制模式；试验开始时，同时进行试样的加载以及图像的拍摄，保持两者时间上的对应。拍摄直至达到设定的剪切位移，然后停止加载，退出试验。从剪切盒中取出试样，观察记录试样破坏情况。...

【技术特征摘要】
1.一种岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)选定需要分析的工程岩体结构面；(2)采用三维激光扫描仪对结构面进行扫描获得原岩三维结构面模型，并存为STL格式；(3)制作相似模型结构面试样；(4)将模型结构面安放在直剪试验仪上，在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机；(5)若结构面放入边长>500mm，把结构面分为4等份，并在试样上各区域交界用记号笔标记为设定颜色，便于摄影过程对各区域位置的区分，将不同区域进行编号，分别为①、②、③、④；若结构面的边长≤500mm，在前后面各放置一台CCD摄像机对应负责两个区域结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄；(6)调整摄像机的位置，距模型表面距离均d，确保相机的内部误差参数在目的面上为一致；此距离下，CCD相机拍摄景物垂向尺寸为h，h＝0.45d，水平尺寸为v，v＝0.6d；根据结构面的尺寸调整距离d，使得摄像尽可能全面覆盖对应拍摄区域并且拍摄清晰；(7)可视化设备安置完成后，对剪切设备进行调试；采用室内岩石结构面直剪试验仪对透明剪切试样进行试验，剪切过程中采用位移控制模式；试验开始时，同时进行试样的加载以及图像的拍摄，保持两者时间上的对应。拍摄直至达到设定的剪切位移，然后停止加载，退出试验。从剪切盒中取出试样，观察记录试样破坏情况。2.如权利要求1所述的岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：(8)采用高速数字图像采集卡与上述CCD相机连接，将CCD全程拍摄的图像传输到图像卡进行数字化后存储到计算机中以备处理；一台计算机同时连接多台CCD...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄曼，马成荣，刘燕强，杜时贵，夏才初，罗战友，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33