隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法
【专利摘要】一种隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法，属于岩土工程模拟试验方法。方法步骤如下：(1)将透明相似材料隧道模型浸泡于与其具有相同折射率的透明液体中，同时采用均匀的LED光源照射模型；(2)在隧道开挖和围岩破裂过程中，每当裂纹产生时该处将出现不透明现象，在模型的一侧或两侧设置三维数字图像采集系统拍摄模型内部裂纹的三维图像；(3)先前出现的裂纹因透明液体的填充而裂纹消失，从而避免影响后续裂纹的观测，实现裂纹扩展演化全过程的实时采集；(4)对采集的图像序列进行处理与分析后即可获得裂纹三维扩展的真实演化过程。优点：能真实再现隧道围岩裂纹的三维扩展过程。该模拟方法操作简单、过程直观、结果可靠。
【专利说明】
隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种岩土工程模拟试验方法，特别是一种隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法。
【背景技术】
[0002]在岩土工程模拟试验领域，实时获取模型内部变形和裂纹扩展的真实过程是进行工程围岩失稳机理与稳定控制技术研究的可靠前提。
[0003]目前可用于探测模型内部裂纹扩展的方法主要有CT扫描、超声探测和透明模型试验等。前两种方法不仅对模型尺寸和模具材质有较苛刻的要求，而且数据采集精度和直观性不够理想，CT扫描还不能实现连续采集。常规的透明模型试验技术虽然能直观地连续获取模型内部变形的真实过程，但一旦产生裂纹，不透明的裂纹就会干扰后续裂纹的采集。因而，现有各种方法都不能实时获取模型内部裂纹的真实扩展过程。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要提供一种隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法，解决现有各种方法都不能实时获取模型内部裂纹的真实扩展过程的问题，实现对模型内部裂纹扩展过程的实时精确采集，为研究隧道围岩失稳机理与稳定控制技术提供可靠的基础数据。
[0005]本发明的目的是这样实现的:本发明包括隧道围岩裂纹扩展三维可视化模拟方法和围岩突水过程三维可视化模拟方法。
[0006]所述的隧道围岩裂纹扩展三维可视化模拟方法步骤如下:
[0007](I)将透明相似材料隧道模型浸泡于与其具有相同折射率的透明液体中，同时采用均匀的LED光源照射模型，要求该透明液体既不与透明模型材料发生化学反应又不会显著影响材料的物理力学性能；
[0008](2)在隧道开挖和围岩破裂过程中，每当裂纹产生时该处将出现不透明现象，随后该不透明的裂纹将因为透明液体的渗入而裂纹消失，从而避免影响后续裂纹的观测;在模型的一侧或两侧设置三维数字图像采集系统，连续拍摄模型内部裂纹不断产生和裂纹消失的三维图像;所述的裂纹不断产生状态为不透明状态;所述的裂纹消失状态为恢复透明状态；
[0009](3)采用相关专业软件对采集的图像序列进行处理与分析后即可直观而定量地获得模型内部裂纹扩展的三维演化过程。
[0010]所述的围岩突水过程三维可视化模拟方法步骤如下:
[0011](I)采用与透明模型具有相同折射率的透明液体作为突水水源，同时采用均匀的LED光源照射模型，要求该液体既不与透明模型材料发生化学反应又不会显著影响材料的物理力学性能；
[0012](2)透明隧道模型在突水前未浸泡于透明液体而处于干燥状态，随着隧道的开挖围岩中将出现越来越多不透明的裂纹；当开挖裂纹与突水水源导通后，水源将沿着导通裂纹流动而使其流经的裂纹消失；
[0013](3)在模型突水水源的一侧设置三维数字图像采集系统，连续拍摄突水过程中模型内部裂纹由多变少、逐渐消失的三维图像，采用相关专业软件对图像序列进行处理与分析后即可直观而定量地获得突水过程的三维演化过程。
[0014]所述的透明模型材料是物理力学性质与岩石相近的透明块体，所述的透明块体为熔融石英、二氧化硅、硅胶或脆化树脂中的一种，相应的透明液体要求与透明模型材料具有相同折射率且不明显影响材料的性质，所述的透明模型材料为透明矿物油、碘化钠水溶液或溴化钙水溶液中的一种。
[0015]有益效果:由于采用了上述方案，透明材料中产生的裂纹后，由于裂纹中气体的折射率与透明材料的折射率不匹配而使裂纹处不透明，据此可以在普通LED光源的照射下采用三维数字图像采集技术获得该裂纹的立体图像。为了避免先产生的裂纹影响后续裂纹的观测，在新裂纹产生前用与透明模型材料具有相同折射率的透明液体充填裂纹，使先前产生的裂纹及时恢复透明，从而实现对每个时刻新产生的裂纹进行实时采集。解决了现有其他方法不能实时获取模型内部裂纹的真实扩展过程的难题，实现对模型内部裂纹扩展过程的实时精确采集，为研究隧道围岩失稳机理与稳定控制技术提供可靠的基础数据。
[0016]优点:
[0017](I)能真实再现隧道围岩裂纹的三维扩展过程。
[0018](2)能真实再现隧道围岩突水的三维演化过程。
[0019](3)该模拟方法操作简单、过程直观、结果可靠。
[0020](4)相对于CT扫描和超声探测设备，该方法所需装置价格低廉。
【具体实施方式】
[0021]实施例:本发明包括隧道围岩裂纹扩展三维可视化模拟方法和围岩突水过程三维可视化模拟方法。
[0022]所述的隧道围岩裂纹扩展三维可视化模拟方法步骤如下:
[0023](I)将透明相似材料隧道模型浸泡于与其具有相同折射率的透明液体中，同时采用均匀的LED光源照射模型，要求该透明液体既不与透明模型材料发生化学反应又不会显著影响材料的物理力学性能；
[0024](2)在隧道开挖和围岩破裂过程中，每当裂纹产生时该处将出现不透明现象，随后该不透明的裂纹将因为透明液体的渗入而裂纹消失，从而避免影响后续裂纹的观测;在模型的一侧或两侧设置三维数字图像采集系统，连续拍摄模型内部裂纹不断产生和裂纹消失的三维图像;所述的裂纹不断产生状态为不透明状态;所述的裂纹消失状态为恢复透明状态；
[0025](3)采用相关专业软件对采集的图像序列进行处理与分析后即可直观而定量地获得模型内部裂纹扩展的三维演化过程。
[0026]所述的围岩突水过程三维可视化模拟方法步骤如下:
[0027](I)采用与透明模型具有相同折射率的透明液体作为突水水源，同时采用均匀的LED光源照射模型，要求该液体既不与透明模型材料发生化学反应又不会显著影响材料的物理力学性能；
[0028](2)透明隧道模型在突水前未浸泡于透明液体而处于干燥状态，随着隧道的开挖围岩中将出现越来越多不透明的裂纹；当开挖裂纹与突水水源导通后，水源将沿着导通裂纹流动而使其流经的裂纹消失；
[0029](3)在模型突水水源的一侧设置三维数字图像采集系统，连续拍摄突水过程中模型内部裂纹由多变少、逐渐消失的三维图像，采用相关专业软件对图像序列进行处理与分析后即可直观而定量地获得突水过程的三维演化过程。
[0030]所述的透明模型材料是物理力学性质与岩石相近的透明块体，所述的透明块体为熔融石英，相应的透明液体要求与透明模型材料具有相同折射率且不明显影响材料的性质，所述的透明模型材料为透明矿物油。
[0031]实施例2:所述的透明块体为二氧化硅;所述的透明模型材料为碘化钠水溶液。其它与实施例1同。
[0032]实施例3:所述的透明块体为硅胶;所述的透明模型材料为溴化钙水溶液。其它与实施例1同。
[0033]实施例4:所述的透明块体为脆化树脂。其它与实施例1同。
【主权项】
1.一种隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法，其特征是:本发明包括隧道围岩裂纹扩展三维可视化模拟方法和围岩突水过程三维可视化模拟方法； 所述的隧道围岩裂纹扩展三维可视化模拟方法步骤如下: (1)将透明相似材料隧道模型浸泡于与其具有相同折射率的透明液体中，同时采用均匀的LED光源照射模型，要求该透明液体既不与透明模型材料发生化学反应又不会显著影响材料的物理力学性能； (2)在隧道开挖和围岩破裂过程中，每当裂纹产生时该处将出现不透明现象，随后该不透明的裂纹将因为透明液体的渗入而裂纹消失，从而避免影响后续裂纹的观测;在模型的一侧或两侧设置三维数字图像采集系统，连续拍摄模型内部裂纹不断产生和裂纹消失的三维图像;所述的裂纹不断产生状态为不透明状态;所述的裂纹消失状态为恢复透明状态； (3)采用相关专业软件对采集的图像序列进行处理与分析后即可直观而定量地获得模型内部裂纹扩展的三维演化过程； 所述的围岩突水过程三维可视化模拟方法步骤如下: (1)采用与透明模型具有相同折射率的透明液体作为突水水源，同时采用均匀的LED光源照射模型，要求该液体既不与透明模型材料发生化学反应又不会显著影响材料的物理力学性能； (2)透明隧道模型在突水前未浸泡于透明液体而处于干燥状态，随着隧道的开挖围岩中将出现越来越多不透明的裂纹；当开挖裂纹与突水水源导通后，水源将沿着导通裂纹流动而使其流经的裂纹消失； (3)在模型突水水源的一侧设置三维数字图像采集系统，连续拍摄突水过程中模型内部裂纹由多变少、逐渐消失的三维图像，采用相关专业软件对图像序列进行处理与分析后即可直观而定量地获得突水过程的三维演化过程。2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩裂纹扩展及围岩突水过程的三维可视化模拟方法，其特征是:所述的透明模型材料是物理力学性质与岩石相近的透明块体，所述的透明块体为熔融石英、二氧化硅、硅胶或脆化树脂中的一种，相应的透明液体要求与透明模型材料具有相同折射率且不明显影响材料的性质，所述的透明模型材料为透明矿物油、碘化钠水溶液或溴化钙水溶液中的一种。
【文档编号】G01N21/84GK105842242SQ201610144666
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月14日
【发明人】许国安, 仇跃, 靖洪文, 孟波, 齐燕军
【申请人】中国矿业大学