一种模拟复杂应力下岩体水力劈裂扩展可视化的试验装置的制作方法

本发明涉及工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟复杂应力下岩体水力劈裂扩展可视化的试验装置。

背景技术

岩体水力劈裂是指岩体在高应力作用后内部萌生细微裂纹，高压水侵入岩体中的软弱节理面，若岩水无法达成平衡，既有裂纹将进一步开裂、延伸，最终发生贯通破坏的现象。岩体水力劈裂广泛地存在于山体隧道开挖、城市地铁修建等施工过程中，其发生的潜在性对施工过程的安全进行带来了很大的威胁，因此，众多科研工作者对岩体水力劈裂这一问题进行了深入的研究。其中模型试验是最常见、最有效的方法之一。

然而目前还很少有针对复杂应力下岩体水力劈裂发展过程的试验设备。在本发明前，中国申请发明专利“模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置和试验方法”（申请号：2016108445708.6）公布了一种包括模具、钢片、测压导管、应变片、密封装置、弯矩施加装置、水压力供给装置和测量采集仪器组成的试验装置，该装置可实现重力坝坝踵处这一薄弱区域水力劈裂情况的真实模拟，克服了传统劈裂试验中机械力无法模拟的真实情况、模拟应力状态简单以及试验过程中水压、应变数据同步采集困难等缺陷。但是该发明技术所针对的工程背景过于局限，不利于对常规应力状态下岩土或混凝土水力劈裂发展过程的理论研究，并且由于岩土或者混凝土材料的不透明性，难以对劈裂破坏发展过程中的应力应变及位移变化进行可视化观测，因而存在一定的局限性。

透明岩是由物理力学性质与天然岩体相似的透明颗粒材料混和具有相同折射率的液体制备而成，因制备过程所需的固、液两相材料的折射率相同而呈现透明状，并且其物理力学性质与天然岩体相似；透明岩因其具备透明可视性好、制备容易、与岩石性质相似等优点在土木工程试验领域得到了广泛的应用。因此，利用透明岩材料，提出一种可模拟复杂应力下岩体水力劈裂扩展可视化的试验装置可就显得尤为必要了。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，提出一种可用于模拟复杂应力下岩体水力劈裂的试验装置，解决了水力劈裂过程中既有裂缝扩展中应力、位移不可见的难题，实现了复杂应力下岩体水力劈裂的可视化模拟。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种模拟复杂应力下岩体水力劈裂扩展可视化的试验装置，其特征在于：包括模具系统、荷载系统、透明岩、数据采集系统；

所述模具系统由瓣模15、底板16、钢片19等组成；

所述荷载系统由油压装置、伺服作动器6、加载杆5、加载板13组成，所述伺服作动器6与加载杆5相连，所述加载杆5与加载板13相连；

所述数据采集系统由激光器3、ccd相机4、计算机1组成。

所述的瓣模15可通过螺丝14相互连接并与底板16连接。所述的钢片19和瓣模15内壁涂抹一层凡士林。

所述瓣模15的侧面在1/3~2/3处设有预留槽口17。

所述混合油8为与透明岩11组成中具有相同质量比的液体石蜡和正十三烷的混合溶液。

所述玻璃筒10由与透明岩11、混合油8具有相同折射率的有机玻璃材料制成。

所述的透明岩11为液体石蜡和正十三烷的混合溶液与硅粉按一定比例混合、搅拌、抽真空、入模、拆模制成。

所述的激光器3安置在机架2的左侧或者右侧。

所述的ccd相机4安置在机架2的正前方。

所述的ccd相机4与计算机1相连，可通过计算机1实现对图像数据的实时查看和存储。

所述的伺服作动器6与计算机1相连，可利用计算机1通过加载杆5对加载板13施加随时间变化的荷载。

一种模拟复杂应力下岩体水力劈裂扩展可视化的试验装置，其特征在于：具有以下步骤：

1)按照试验要求配置侧壁有开口的圆柱形透明岩11；

2)将制备好的透明岩11放置于充满混合油8的玻璃筒10内，组装荷载系统和数据采集系统；

3)利用荷载系统施加不同的围压和轴压，直至透明岩11发生劈裂破坏，并用数据采集系统记录该过程；

4)利用计算机图像处理软件对所获得图像数据进行分析。

所述的计算机图像处理软件为piv。

有益效果：

1)本发明装置简单，经济可行性高，可拆卸反复利用；

2)本发明技术克服了传统研究水力劈裂装置中应力状态过于简单的缺点，通过施加围压和轴压可实现对复杂应力下岩体水力劈裂的模拟，更符合工程实际；

3)本发明技术创新性地将透明岩技术与计算机图像处理技术相结合并应用到岩体水力劈裂的研究中，解决了水力劈裂过程中既有裂缝扩展中应力、位移不可见的难题，实现了复杂应力下岩体水力劈裂的可视化模拟。

附图说明：

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明中模具示意图；

图3为本发明中钢片示意图；

图中标记：1为计算机；2为机架；3为激光器；4为ccd相机；5为加载杆；6为伺服作动器；7为上盖；8为混合油；9为预留裂缝；10为玻璃筒；11为透明岩；12为下盖；13为加载板；14为螺丝、15为瓣模、16为底板、17为预留槽口、18为螺丝孔、19为钢片。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供一种模拟复杂应力下岩体水力劈裂扩展可视化的试验装置，包括模具系统、荷载系统、透明岩、数据采集系统。

所述模具系统由瓣模15、底板16、钢片19等组成，所述的模具系统为不锈钢材质，瓣模15内壁15mm、外壁18mm、高30mm，底板16的尺寸为30mm×30mm×3mm。所述的瓣模15之间和瓣模15与底板16之间设置有与螺丝孔18配合的螺孔，可通过螺丝14紧密连接。所述的钢片19和瓣模15内壁涂抹一层凡士林。钢片19为不锈钢管材质的三菱柱。瓣模15的侧面在1/2处设有预留槽口17。

所述荷载系统由油压装置、伺服作动器6、加载杆5、加载板13组成，所述伺服作动器6与加载杆5相连，加载杆5穿过上盖7与加载板13相连；为了竖向加载结构的稳定性，所述加载杆5设置为四根；所述的伺服作动器6与计算机1相连，可利用计算机1通过加载杆5对加载板13施加随时间变化的荷载。本实例中所使用的伺服作动器6为汉中秦川液压伺服控制有限公司生产的trt位置伺服作动器6（型号为gyg50-120b/e），其工作液为与透明岩11具有相同折射率的混合油8。本实例中所使用的混合油8是与透明岩11中的矿物油在相同温度下（本实例中为24℃）、相同湿度下（本实例中为30％）按照相同的质量比（本实例中为0.87）制成的液体石蜡和正十三烷的混合溶液。该伺服作动器6的额定进油压力为12.5mpa，回油压力≤0.5mpa，启动压差：≤0.15mpa，额定输出力为20mn，可将来自液压源的液压能转换为机械能，也可根据需要通过产品自带的位移传感器进行伺服控制。

所述数据采集系统由激光器3、ccd相机4、计算机1组成。本实例中所采用的激光器3为半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，并配有线性转换器，可将点光源转化为线性光源。打开激光器3，并调整其具体位置，使其对准玻璃筒10中的透明岩11，形成明亮的散斑场；本实例中的激光器3与玻璃筒10的外立面垂直相距350mm。本实例中所采用的ccd相机4是德国basler产品（sca1600-14fm）；打开ccd相机4，并调整其支架的高度和角度，使得ccd相机4的镜头垂直对准玻璃筒10的外立面，保证其可视范围能够包含整个透明岩11；ccd相机4与计算机1相连，设置ccd相机4以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机1，并可通过计算机1实现对图像数据的实时查看和存储。

按照本试验所模拟岩体的物理力学性质（包括密度、单轴抗压强度、弹性模量等）设计透明岩11材料各组成成分的配和比；本实例中所采用透明材料的制备方法是将液体石蜡与正十三烷在一定的温度下（本实例中为24℃）、一定湿度下（本实例中30％），按照一定的质量比（本实例中为0.87）混合搅拌均匀制成矿物油，再按照硅粉与混合油8一定的质量比（本实例中为0.62）称取硅粉，接着向混合油8溶液中缓慢加入硅粉并用搅拌机不断搅拌以保证硅粉与矿物油均匀混合。本实例中透明岩11的折射率为1.477。

所述玻璃筒10的内径为15mm、外径18mm，高30mm，由与透明岩11、混合油8具有相同折射率1.477的有机玻璃材料制成。玻璃筒10放置在下盖12上。

所述玻璃筒10内装有与透明岩11具有相同折射率的混合油8。本实例中所使用的混合油8是与透明岩11中的矿物油在相同温度下（本实例中为24℃）、相同湿度下（本实例中为30％）按照相同的质量比（本实例中为0.87）制成的液体石蜡和正十三烷的混合溶液。

实施例1：

第一步：将配置好的矿物油和硅粉的混合物用小勺缓慢浇入模具中，浇入过程中轻晃模具，使其分布均匀。待固液混合物具有初凝强度前，将钢片19带韧的一边从瓣模15侧壁的预留槽口17中插入固液混合物中。浇模完成后用真空泵对透明岩11试验进行抽真空直至试样表面无气泡位置。在试验室静置一天后，利用起子将模具各螺丝14拧开，得到一侧壁有预留裂缝9的圆柱形透明岩11。本实例中透明岩11的折射率为1.477。

第二步：将制备好的透明岩11放置于充满混合油8的玻璃筒10内，组装荷载系统和数据采集系统。

第三步：利用计算机1调控伺服作动器6驱动加载杆5对透明岩11施加200mpa的轴向应力，通过油压装置设置试验过程的初始围压为50mpa，每次增加50mpa，间隔30min，直至透明岩11发生明显的劈裂破坏时停止试验。试验过程中利用数据采集系统记录该过程。试验结束后拆装并清洗试验仪器后放置于工具箱中。

第四步：利用计算机图像处理软件piv对所获得照片进行分析，得到轴压不变、围压逐渐增大下岩体水力劈裂过程中位移场和应力场的变化过程。

实施例2：

实施例1采用的是在透明岩11轴压恒定、逐渐增大围压的条件下进行岩体水力劈裂过程的研究，对于轴压变化下岩体水力劈裂过程的研究，可在实施例1的基础上，改变步骤3的实施方式。利用油压装置设置试验过程的围压为200mpa，通过计算机1调控伺服作动器6驱动加载杆5对透明岩11施加50mpa的初始轴向应力，每次增加50mpa，间隔30min，直至透明岩11发生明显的劈裂破坏时停止试验。试验结束后，利用计算机图像处理软件piv对所获得照片进行分析，得到围压不变、轴压逐渐增大下岩体水力劈裂过程中位移场和应力场的变化过程。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。