一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法及分析方法技术

本发明专利技术提供了一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法及分析方法，所述透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法通过设计透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，定量化表征透明岩体内孕灾变起裂扩展的空间展布规律，打破了传统岩石力学领域中黑箱问题，使得岩石劣化过程全程定量可见；所述透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构的分析方法提出了一种基于断裂力学的灾变空间演化判据，能够准确地表征岩石灾变演化特征并可以预测三维岩石力学工程灾害。本发明专利技术可应用于岩石力学工程的灾变预测中，可以更加准确的预测岩石力学工程灾害，为岩石力学工程的试验方法及灾变预测提供新思路。路。路。

【技术实现步骤摘要】
一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法及分析方法


[0001]本专利技术涉及水工岩石力学
，具体涉及一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法及分析方法。

技术介绍

[0002]水利工程大多建于高山峡谷之中，其岩体内部富含大量的缺陷如节理、裂隙、孔洞、软弱夹层等等(统一称之为“灾变”)。在复杂的水力耦合作用下，岩体内部灾变演化导致隧洞突水、山体崩塌、坝体开裂等工程灾害现象的发生，对水利工程长期安全稳定运行及灾区周围人民生命财产安全造成严重威胁。因此，掌握岩体内孕灾变的水力耦合演化机制无疑将对保障水利工程安全建设与长期稳定运行提供重要指导作用。
[0003]然而，由于岩体的不透明特性，岩体内部灾变演化是一个典型的“黑箱”问题，“看不见，进不去，摸不着”。正因为岩体内部的灾变不可见，其空间展布形态难以被定量描述。传统分析方法将岩石等效为连续介质，在此基础上推导一系列岩石本构方程及失效准则。这种处理方式对岩石力学的表征性不足，由此造成采用传统分析方法及数值方法难以预测岩石工程中准确的破坏部位。因此，水工岩石力学工程中“岩石不透明
→
灾变展布规律不定量
→
机制判据不清
→
预测不准”的连锁问题已经严重制约水工岩石力学工程的设计、施工水平。
[0004]目前，虽有部分学者针对透明岩体内孕灾变开展相应的裂纹扩展研究，但是对三维内孕灾变空间演化过程却仅仅采用定性描述，无法准确定量地获得三维内孕灾变实时扩展的展布形态；CT扫描技术虽然可以或者不透明岩体内部的灾变分布规律，但是实时性较差，同时成本较高；现有判据囿于试验结果的不定量，无法准确预测真实岩石内孕灾变起裂扩展，同时尚无考虑水力耦合下的三维内孕灾变起裂判据的研究。

技术实现思路

[0005]针对现有技术不能定量描述水力耦合条件下岩石内孕灾变起裂扩展的技术问题，本专利技术提供了一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法，实现对裂纹扩展演化全过程的定量分析；本专利技术还提供了一种透明岩体水力耦合内孕灾变的分析方法。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采取以下技术方案：一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，包括应力加载装置、水压加载装置、3D打印透明岩体内孕灾变试样、相机设备组以及计算机控制系统，所述计算机控制系统与所述应力加载装置和所述水压加载装置连接，所述3D打印透明岩体内孕灾变试样内置三维空腔和与所述三维空腔连通延伸至所述3D打印透明岩体内孕灾变试样顶部的通水导管，所述水压加载装置包括放置在所述3D打印透明岩体内孕灾变试样上方的水压转向垫块，所述应力加载装置设置在所述水压转向垫块的上方，所述水压转向垫块设有侧面开孔和底部开孔，所述侧面开孔与所述底部开孔在所述水压转向垫块的内部连通实现对水压加载，所述底部开孔与所述通水管道的顶部对准。
[0007]进一步地，所述相机设备组为4组双目相机，对称安装在所述3D打印透明岩体内孕
灾变试样的四周。
[0008]进一步地，所述水压加载装置包括与所述水压转向垫块的侧面开孔通过出水管道连通的活塞腔体，所述活塞腔体的一端设有出水阀门和进水阀门，所述活塞腔体内设有活塞和与所述活塞固定连接的活塞杆，所述活塞杆尾部的电机驱动活塞杆沿活塞腔体轴向滑动，所述电机的底部安装滑块和与滑块进行滑动配合的滑槽，所述活塞的外壁与所述活塞腔体的内壁密封接触，通过所述出水阀门控制活塞腔体的水进入所述出水管道，所述进水阀门通过进水管道与水箱连通，所述水压加载装置还包括控制电机启动或关闭的开关。
[0009]进一步地，所述3D打印透明岩体内孕灾变试样由光固化3D打印机打印，形状为长方体，其长度为80mm、宽度为80mm、高度为160mm，所述三维空腔为圆形空腔，直径为40mm、厚度为2mm，所述通水导管的管内径为2mm。
[0010]一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法，采用上述透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，步骤包括：
[0011](1)试样准备：向三维空腔注水后的3D打印透明岩体内孕灾变试样放置在应力加载装置下方的加载台中心位置；
[0012](2)关闭出水阀门和打开进水阀门，启动电机驱动活塞杆沿活塞腔体轴向向外滑动，使水箱内的水进入活塞腔体；
[0013](3)关闭进水阀门和打开出水阀门，启动电机驱动活塞杆沿活塞腔体轴向向内滑动，使活塞腔体内的水通过出水管道进入水压转向垫块后关闭开关；
[0014](4)启动应力加载装置对3D打印透明岩体内孕灾变试样施压预应力，启动水压加载装置至一定水压值且保持不变时，启动应力加载装置至试样内孕灾变扩展至破坏，双目相机捕捉内孕灾变演化形态；
[0015](5)通过搭建的三维双目立体视觉感知系统得到内孕灾变扩展规律，内孕灾变扩展规律包括内孕灾变临界偏转角θ
e
。
[0016]进一步地，所述步骤(4)中预应力数值为1000N，水压数值为2MPa。
[0017]进一步地，所述步骤(5)中将三维内孕灾变空间点位置关系通过空气与试样的折射率转换后，得到内孕灾变的点云，通过点云的曲面拟合得到三维内孕灾变的空间定量展布形态。
[0018]一种透明岩体水力耦合内孕灾变的分析方法，包括步骤：
[0019]步骤一、权重系数初定：基于M积分计算水力耦合作用下内孕灾变前缘的I
‑
II
‑
III型应力强度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ，通过分析I、II、III型应力强度因子比重初步确定应力强度因子的权重系数η'
I
、η'
II
、η'
III
，其权重系数确定公式如下：
[0020][0021][0022][0023][0024]其中：K
I
、K
II
、K
III
分别为M积分计算所得的内孕灾变前缘的应力强度因子，l为围绕
内孕灾变一周的路径；S
KI
、S
KII
、S
KIII
分别为K
I
、K
II
、K
III
对内孕灾变路径l的积分；
[0025]步骤二、临界偏转角计算：选择改进的最大能量释放率准则作为内孕灾变水力耦合判据，
[0026]使得G(θ)达到最大的方向角即为内孕灾变临界偏转角θ，表达式如下：
[0027][0028]式中，θ为内孕灾变临界偏转角，G(θ)为应变能释放率，η
I
、η
II
、η
III
分别为I、II、III型应力强度因子的权重系数，K
Ir
(θ)、K
IIr
(θ)、K
IIIr
(θ)分别为I、II、III型断裂类型所对应的应力强度分量；
[0029]步骤三、调整权重系数：将所述步骤二计算所得的临界偏转角θ与上述透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法得到的临界偏转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，其特征在于，包括应力加载装置、水压加载装置、3D打印透明岩体内孕灾变试样、相机设备组以及计算机控制系统，所述计算机控制系统与所述应力加载装置和所述水压加载装置连接，所述3D打印透明岩体内孕灾变试样内置三维空腔和与所述三维空腔连通延伸至所述3D打印透明岩体内孕灾变试样顶部的通水导管，所述水压加载装置包括放置在所述3D打印透明岩体内孕灾变试样上方的水压转向垫块，所述应力加载装置设置在所述水压转向垫块的上方，所述水压转向垫块设有侧面开孔和底部开孔，所述侧面开孔与所述底部开孔在所述水压转向垫块的内部连通实现对水压加载，所述底部开孔与所述通水管道的顶部对准。2.根据权利要求1所述的透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，其特征在于，所述相机设备组为4组双目相机，对称安装在所述3D打印透明岩体内孕灾变试样的四周。3.根据权利要求1所述的透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，其特征在于，所述水压加载装置包括与所述水压转向垫块的侧面开孔通过出水管道连通的活塞腔体，所述活塞腔体的一端设有出水阀门和进水阀门，所述活塞腔体内设有活塞和与所述活塞固定连接的活塞杆，所述活塞杆尾部的电机驱动活塞杆沿活塞腔体轴向滑动，所述电机的底部安装滑块和与滑块进行滑动配合的滑槽，所述活塞的外壁与所述活塞腔体的内壁密封接触，通过所述出水阀门控制活塞腔体的水进入所述出水管道，所述进水阀门通过进水管道与水箱连通，所述水压加载装置还包括控制电机启动或关闭的开关。4.根据权利要求1所述的透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构装置，其特征在于，所述3D打印透明岩体内孕灾变试样由光固化3D打印机打印，形状为长方体，其长度为80mm、宽度为80mm、高度为160mm，所述三维空腔为圆形空腔，直径为40mm、厚度为2mm，所述通水导管的管内径为2mm。5.一种透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
4所述的装置，步骤包括：(1)试样准备：向三维空腔注水后的3D打印透明岩体内孕灾变试样放置在应力加载装置下方的加载台中心位置；(2)关闭出水阀门和打开进水阀门，启动电机驱动活塞杆沿活塞腔体轴向向外滑动，使水箱内的水进入活塞腔体；(3)关闭进水阀门和打开出水阀门，启动电机驱动活塞杆沿活塞腔体轴向向内滑动，使活塞腔体内的水通过出水管道进入水压转向垫块后关闭开关；(4)启动应力加载装置对3D打印透明岩体内孕灾变试样施压预应力，启动水压加载装置至一定水压值且保持不变时，启动应力加载装置至试样内孕灾变扩展至破坏，双目相机捕捉内孕灾变演化形态；(5)通过搭建的三维双目立体视觉感知系统得到内孕灾变扩展规律，内孕灾变扩展规律包括内孕灾变临界偏转角θ
e
。6.根据权利要求5所述的透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法，其特征在于，所述步骤(4)中预应力数值为1000N，水压数值为2MPa。7.根据权利要求5所述的透明岩体水力耦合内孕灾变实时重构方法，其特征在于，所述步骤(5)中将三维内孕灾变空间点位置关系通过空气与试样的折射率转换后，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：郁舒阳，汪相宇，孙召花，任旭华，张继勋，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：