CN109187917A - 一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水‑力耦合作用下岩石360°全视角测试装置和方法，装置包括：侧壁透明的密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；伺服单轴加载***，包括用以对试样进行轴向加载的顶部压头和刚性底座；湿度控制仪，其与密闭容器通过管路密闭连接，用以控制密闭容器内的湿度；湿度控制***，与湿度传感器和湿度控制仪连接；图像采集装置，其以可绕密闭容器旋转的方式设在密闭容器的外侧，用以采集试样侧面全视角的变形前后的图像；图像控制分析***，其与图像采集装置连接，用以获取图像采集装置传输的数据，并基于双目立体视觉原理，还原试样表面各点变形前后的三维空间坐标，实现试样表面形貌特征信息重构。

Description

一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置及方法

技术领域

本公开一般涉及岩石力学性能测试领域，具体涉及一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置及方法。

背景技术

地下水在岩体裂隙中的渗流会导致岩石强度弱化，加之巨大的原岩压力，往往是重大工程灾害产生的主要原因。当开挖环境受到水-力耦合作用，易造成岩体内部裂隙变形，威胁工程安全，水-力耦合作用下岩石的破坏机理已成为岩土工程界关注的焦点。传统的单轴或三轴加载仅能获得岩石试样的宏观破坏形态及承载力，无法实现水-力耦合作用下岩石试样的细观破坏过程追踪。

国内关于水力耦合作用下岩石软化破坏机理的研究大部分仍基于传统的加载装置，较少对岩石试样全场破坏形态进行分析，下面对具有代表性的适用于水-力耦合作用的试验***及方法进行介绍：

2013年2月，公开号为CN 102914630 A的中国专利申请《一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验***》中提供了一种岩石水-力耦合流变损伤多尺度力学试验***，适用于模拟再现高压动/静水及其它工作液体环境条件下岩石水-力耦合软化破坏全过程。

2017年8月，公开号为CN 108088860 A的中国专利申请《一种水力耦合试验三维裂隙类岩石试样的制作装置及方法》中提出了一种制作含三维裂隙岩石试样的模具，能够精确定位三维裂隙，适用于水力耦合试验。

2018年5月，公开号为CN 107666608 A的中国专利申请《一种岩土水力耦合分析***及其控制方法》中提供了一种岩土水力耦合分析***和岩土水力耦合分析***的控制方法，结合三维CT扫描技术、湿度循环控制***和伺服加载技术实现岩土介质水力耦合作用下的微观结构测量。

上述代表性的水-力耦合作用***一定程度上实现了水-力耦合作用下岩石试样破坏形态及破坏机理的分析，但是传统的加载***仅能够从宏观上判断岩石试样的破坏程度及破坏过程，无法细观描述，迄今为止，尚未有能够全方位实时观测岩石试样在水力耦合作用下破坏过程的试验***及方法。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，包括：

侧壁透明的密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；

伺服单轴加载***，包括用以对试样进行轴向加载的至少部分的设于所述密闭容器内部的顶部压头和刚性底座；

湿度控制仪，其与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；

湿度控制***，与所述湿度传感器和所述湿度控制仪连接；

图像采集装置，其以可绕所述密闭容器旋转的方式设在所述密闭容器的外侧，用以采集所述试样侧面全视角的变形前后的图像；

图像控制分析***，其与所述图像采集装置连接，用以获取所述图像采集装置传输的数据，并基于双目立体视觉原理，还原所述试样表面各点变形前后的三维空间坐标，实现所述试样表面形貌特征信息重构；

通过所述伺服单轴加载***调节对所述试样施加的不同压力，所述湿度控制***通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，在试验过程中调节所述图像采集装置绕所述密闭容器的旋转角度，从而得到所述试样各个部位在不同压力、不同湿度下的破坏形态。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

所述图像控制分析***利用DIC软件实现对所述试样表面形貌特征信息的重构。数字图像相关技术（DIC）具有自动化、非接触、高精度、全场测量的优点。将力学性能试验***与DIC***相结合可以获得加载试样的全场应变图像，从而得到试样表面微裂纹的扩展过程，揭示岩石试样的破坏机理。

测试装置还包括数据采集控制***，所述数据采集控制***接收所述伺服单轴加载***、所述湿度传感器和所述图像采集装置传输的数据和/或图像，并对所述伺服单轴加载***和所述湿度控制仪进行控制。

所述图像采集装置包括两台高速摄像机，两台所述高速摄像机相邻设置。两台相机可以组成最佳双目视觉***，提高拍摄精度。

测试装置还包括与所述高速摄像机保持相同运动状态的光源，时刻保证拍摄范围内的光线。

测试装置还包括以所述密闭容器为中心的环形滑轨，所述三维图像采集装置以可沿所述环形滑轨运动的方式设于所述环形滑轨上。

所述三维图像采集装置和所述光源通过滑块固定在所述环形滑轨上，所述环形滑轨固定在旋转底座上，通过所述旋转底座的旋转带动所述环形滑轨的转动。

所述图像采集装置固定在旋转底座上，通过所述旋转底座的旋转带动所述图像采集装置的转动。

所述旋转底座通过金属连接轴悬挂在所述密闭容器外侧，通过外接电动机控制所述旋转底座的旋转速率，继而带动所述图像采集装置和所述光源转动。

所述密闭容器通过支撑杆件固定在加载平台的底座、通过进气管路和出气管路与湿度控制仪连接，通过所述控制仪实现密闭容器内相对湿度的自动循环精确控制。

第二方面，本申请实施例还提供了一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试方法，包括以下步骤：

安装试样，并保证密闭容器的密闭性；

调节所述密闭容器的湿度至设定湿度；

对所述试样施加轴向荷载；

所述高速摄像机以设定速率围绕所述试样转动、并以设定频率对所述试样在加载前和加载过程中分别拍摄对照组图片和试验组图片；

加载试验结束，所述图像控制分析***接收所述试样的对照组图片和所述试验组图片的数据，利用DIC软件对各所述图片进行分析，实现对试样表面形貌特征信息的重构。

本申请实施例提供的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试方案，通过可绕密闭容器旋转的图像采集装置，可以采集试样全视角的变形前后的图像，即使在加载过程中试样存在裂纹出现和扩展方向的随机性，使得试样裂纹的重点部位不断改变，通过图像采集装置的这种设置方式，能及时跟踪试样不断变化的重点部位，并且能够测得岩石试样在水-力耦合试验过程中的全场变形及破坏形态，能够全方位实时观测岩石试样在水力耦合作用下的破坏过程。通过图像控制分析***，可以还原试样表面各点变形前后的三维空间坐标，实现所述试样表面形貌特征信息重构。力学性能试验***与DIC***相结合可以获得加载试样的全场应变图像，实现岩石试样360°全视角实时量测，通过分析试样实时的破坏形态，得到试样表面微裂纹的扩展过程，重现岩石试样在水力耦合作用下的破坏过程，充分揭示岩石试样的破坏机理。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试***示意图。

图2为一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试***中图像采集***俯视图。

其中：1-数据采集控制***、2-湿度控制仪、3-反力架、4-刚性平台、5-密闭容器、6-湿度传感器、7-岩石试样、8-圆形滑轨、9-进气口、10-出气口、11-高速摄像机，12-加载平台底座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和实施方案更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例，为便于描述，附图中仅展示出与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请实施例提供了一种岩石试样水-力耦合360°全视角测试***，该***包括：密闭容器5、单轴加载***、湿度控制仪2、图像采集装置、图像控制分析***和数据采集控制***1。

其中，密闭容器5的侧壁透明，其内部构成用以容纳试样的密闭空间，密闭容器5上设有湿度传感器6。

伺服单轴加载***通过顶部压头和刚性底座对试样进行轴向加载，伺服单轴加压装置的底座和压头位于密闭容器5内，通过调节液压***中液压油的出入量控制压力大小。

具体的，伺服单轴加载***还包括设在刚性平台4上的反力架3、试样底座、伺服加压装置，其中伺服加压装置由数据采集控制***1进行控制，反力架3和试样底座均为刚性。

湿度控制仪2与密闭容器5通过管路密闭连接，用以控制密闭容器5内的湿度。具体方式可以为，湿度控制仪2与密闭容器5通过预留的两个圆形的通气孔（进气口9和出气口10）以通气管方式连接。密闭容器5的内部为容纳试样的密闭空间，其通过支撑杆件固定在加载平台底座12上、通过进气管路和出气管路与湿度控制仪2连接，加载平台底座12由实心钢材制成。湿度传感器6位于密闭容器5右上部，与湿度控制仪2在预留孔处通过导线连接。可以理解的是，湿度传感器的具体布设位置可以根据情况进行调整，均在本申请的保护范围之内。

数据采集控制***1包括湿度控制***和图像分析***，并且可以采集分析伺服单轴加载***的相关数据。湿度控制***通过湿度传感器6和湿度控制仪2监控并调节密闭容器5中的湿度，如通过控制不同湿度空气的流动来自动控制密闭容器5内的相对湿度，进而实现密闭容器5内相对湿度的自动循环精确控制，对试样进行不同湿度下的加载试验。

通气管的材料可以是PVC管，外径φ=5mm，壁厚1mm，长度根据湿度控制仪2与加载***的相对位置而定。这种结构设计简洁，且不易碰触管道，稳定性好。

密闭容器5可以由高强度有机玻璃制成，预留3个孔洞，分别连接湿度传感器6、进气管9、出气管10。密闭容器5直径200mm，壁厚5mm，高度250mm。

图像采集装置包括高速摄像机11（含自带光源），其以可绕密闭容器旋转的方式设在密闭容器5的外侧，用以采集试样侧面全视角的变形前后的图像。高速摄像机11包括相邻设置的相机和光源，其中高速摄像机11可以采用德国Dantec公司生产的分辨率为2500pixel×2000pixel的相机，两台相机可以组成最佳双目视觉***，提高拍摄精度。

可以理解的是，图像采集装置的具体设置形式可以是多样的，比如一种具体的方式为：测试装置包括以密闭容器5为中心的环形滑轨8，高速摄像机11和光源通过行走装置设在环形滑轨8上，通过控制行走装置，进而实现摄像机对密闭容器5中试样的拍摄角度。

另一种具体的方式可以为：高速摄像机11通过自带滑块固定于滑轨8上，滑轨8直径400mm，由直径25mm的钢管组成，壁厚5mm，能够支撑高速摄像机11和光源。环形滑轨8固定在旋转底座上，外接电动机通过导线与旋转底座连接，通过控制旋转底座缓慢转动，带动其上部的滑轨旋转，从而实现360°全视角图像采集。

具体的实现方式还可以为：高速摄像机11和相应的光源直接固定在旋转底座上，通过控制旋转底座的旋转，直接调节摄像机对试样的拍摄角度。

旋转底座的具体设置方式可以为，旋转底座通过金属连接轴悬挂在密闭容器5外侧，通过外接电动机控制其旋转速率，继而带动旋转底座上方的滑轨缓慢旋转，实现高速摄相机和光源绕试样转动。

图像分析***与高速摄像机11通过传输导线连接，拍摄完毕后通过图片传输进入图像处理步骤，能够实现试样加载过程中表面的实时变化。

该设备结构简单、操作方便、自动化程度高、控制精准、测量精度高，可测量不同相对湿度和轴向压力下，岩石试样7单表面的细观变化，包括整体变形、裂隙开展等，实现了水-力耦合作用下，岩石试样7360°全视角细观量测的功能。

本申请实施例的测试方法如下：

调节密闭容器5的湿度至设定湿度，按照预先设定的加载速率对试样施加轴向压力，加载过程中外接电动机带动旋转底座转动，实现高速摄像机11按照预先设定的采集频率进行360°全视角图像采集。

重复上述步骤，通过调整密闭容器5内的湿度值和轴向压力，可以实现不同湿度和/或不同轴向压力条件下试样加载过程中三维图像采集，通过分析图像***，可以重构岩石试样7的三维表面，从而揭示试样在水-力耦合作用下的细观破坏机理。

具体操作实施步骤是：

1）准备试样。适用于本设备试验的试样标准尺寸是直径φ=50mm、高度h=100mm的标准圆柱形试样，试样尺寸小于此标准试样尺寸也可以进行试验，需要预先对试样进行表面散斑喷涂。

2）安装试样。取下密闭容器5，把试样中心对齐平整的放在加载装置下端的试样底座上，试样顶部和底部涂抹凡士林，顶部安装加载垫块，试样放置完毕后安装密闭容器5，并固定在底部刚性底板上。

3）打开湿度传感器6，实时记录密闭容器5内的相对湿度值，打开湿度控制仪2，直至相对湿度达到预先设定值，并保持相对响度直至试验结束。

4）打开伺服加载控制***，按照预先设定的轴向荷载加压。

5）加载前对高速摄像机11焦距和光源进行调整，使其达到最清晰的拍摄效果，并且根据试验持续时间设定拍摄频率。

6）打开控制滑轨旋转的外接电动机，调整滑轨8的旋转速率至设定值。

7）预加载结束、正式加载开始前拍摄一组对比图片。

8）加载开始，摄相机11绕密闭容器5实现360°缓慢旋转并实时拍摄图片，加载过程中拍摄的图片暂存于相机内存中，试验结束后传输进图像分析***进行处理。

9）试验结束，关闭伺服加载装置，将压头提升归原位，关闭湿度控制仪2，取下密闭容器5，取下试样顶部的垫块，将试样取出。

此***操作简便，自动化程度高，控制精准，测量准确，为岩石试样7水-力耦合特性360°全视角测量提供了很好的技术手段，可以实现试样表面细观结构的实时重构。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，包括：

侧壁透明的密闭容器，其内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；

伺服单轴加载***，包括用以对试样进行轴向加载的至少部分的设于所述密闭容器内部的顶部压头和刚性底座；

湿度控制仪，其与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；

湿度控制***，与所述湿度传感器和所述湿度控制仪连接；

图像采集装置，其以可绕所述密闭容器旋转的方式设在所述密闭容器的外侧，用以采集所述试样侧面全视角的变形前后的图像；

图像控制分析***，其与所述图像采集装置连接，用以获取所述图像采集装置传输的图像数据，并基于双目立体视觉原理，还原所述试样表面各点变形前后的三维空间坐标，实现所述试样表面形貌特征信息重构；

通过所述伺服单轴加载***调节对所述试样施加的不同压力，所述湿度控制***通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，在试验过程中调节所述图像采集装置绕所述密闭容器的旋转角度，从而得到所述试样各个部位在不同压力、不同湿度下的破坏形态。

2.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，所述图像控制分析***利用DIC软件实现对所述试样表面形貌特征信息的重构。

3.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，测试装置还包括数据采集控制***，所述数据采集控制***接收所述伺服单轴加载***、所述湿度传感器和所述图像采集装置传输的数据和/或图像，并对所述伺服单轴加载***和所述湿度控制仪进行控制。

4.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，所述图像采集装置包括两台高速摄像机，两台所述高速摄像机相邻设置；所述测试装置还包括与所述高速摄像机保持相同运动状态的光源。

5.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，测试装置还包括以所述密闭容器为中心的环形滑轨，所述三维图像采集装置以可沿所述环形滑轨运动的方式设于所述环形滑轨上。

6.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，所述三维图像采集装置和所述光源通过滑块固定在所述环形滑轨上，所述环形滑轨固定在旋转底座上，通过所述旋转底座的旋转带动所述环形滑轨的转动。

7.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，所述图像采集装置固定在旋转底座上，通过所述旋转底座的旋转带动所述图像采集装置的转动。

8.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，所述旋转底座通过金属连接轴悬挂在所述密闭容器外侧，通过外接电动机控制所述旋转底座的旋转速率，继而带动所述图像采集装置和所述光源转动。

9.根据权利要求1所述的水-力耦合作用下岩石360°全视角测试装置，其特征在于，所述密闭容器通过支撑杆件固定在加载平台的底座、通过进气管路和出气管路与湿度控制仪连接，通过所述控制仪实现密闭容器内相对湿度的自动循环精确控制。

10.一种水-力耦合作用下岩石360°全视角测试方法，包括以下步骤：

安装试样，并保证密闭容器的密封性；

调节所述密闭容器的湿度至设定湿度；

对所述试样施加轴向荷载；

高速摄像机以设定速率围绕所述试样转动、并以设定频率对所述试样在加载前和加载过程中分别拍摄对照组图片和试验组图片；

加载试验结束，所述图像控制分析***接收所述试样的对照组图片和所述试验组图片的数据，利用DIC软件对各所述图片进行分析，实现对试样表面形貌特征信息的重构。