CN108613869A - 结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，包括如下步骤：(1)对原岩结构面进行三维扫描获取模型，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；(2)基于全过程可视化试验方法，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；(3)试验数据的记录与多方位CCD拍摄同步进行；(4)结构面形貌的对比按区域进行，分别对每个区域结构面表面破坏情况直观描述；(5)综合各个拍摄区域，直观描述裂纹产生的位置、数量以及扩展情况；(6)分别进行不同表面形态和不同应力条件的剪切试验研究。本发明分析不同结构面表面形态和不同应力条件下，结构面剪切形貌特征渐变过程及结构面周围裂隙扩展变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中的岩土工程技术领域，特别是一种结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法。
背景技术
岩体是地质历史的产物，是赋存于地质环境中的、经历过变形及破坏改造的、并且具有一定岩石成分及结构的地质体。岩体由岩石和结构面组成，结构面是岩体中的薄弱环节，往往对岩体的变形和破坏起着控制作用。多年以来，许多学者对结构面力学行为进行了大量的研究，利用了许多手段包括试验以及数值模拟来揭示结构面力学性质的特性。有研究表明，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。
发明内容
为了深入了解剪切试验中结构面表面形貌的剪切渐变过程及细观力学响应，本发明以岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法为基础，通过多方位CCD测量技术，全过程追踪拍摄表面形貌的变化图，通过图像的定量处理，分析对应剪切点的形貌，最后确定结构面形貌渐变过程以及试验过程中结构面周围裂隙扩展与力学曲线之间的对应关系，为示踪剪切全过程的三维形貌渐变规律及结构面周围裂隙扩展提供一种新方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，所述方法包括如下步骤：
(1)选取原岩结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后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；在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机负责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，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；
(2)基于全过程可视化试验方法，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；试验时采用水平向力传感器测量水平剪切力，采用位移传感器测量测试件剪切变形，采用力传感器测量测试件荷载；试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展；试验完成后，根据试验结果得到剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移曲线以及多方位CCD拍摄图像；
(3)试验数据的记录与多方位CCD拍摄同步进行，因此同一时刻的CCD拍摄图像与各力学曲线进行对应；在同一坐标轴中进行剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移曲线关键点对应标注；
(4)对应完成后进行各关键点图像对比，结构面形貌的对比按区域进行，分别对每个区域结构面表面破坏情况直观描述；对于每个区域哪些地方发生破坏，破坏明显程度，破坏的范围以及形式，哪些没有发生破坏情况都要描述清楚；然后进行不同阶段分区域比较，分析对应剪切点的形貌，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；
(5)剪切作用下结构面周围裂隙的萌生扩展分为四个阶段，阶段1：达到峰值剪切强度之前；阶段2：随着变形增加，裂纹加速扩展；阶段3：在达到残余强度之前；阶段4：剪切强度达到残余强度；试验完成后对这四个阶段裂隙图像与力学曲线进行对比分析，综合各个拍摄区域，直观描述裂纹产生的位置、数量以及扩展情况；
(6)根据以上步骤，分别进行不同表面形态和不同应力条件的剪切试验研究。
进一步，所述步骤(6)中，利用可视化全过程动态观测技术，追踪剪切每个阶段的表面形态破坏区域及周围裂隙扩展，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；依据结构面剪切试验结果，确定剪切实际接触区域，研究剪切作用下结构面表面形貌的变化规律及试验过程中结构面周围裂隙扩展情况。
再进一步，所述步骤(2)中，剪切过程中采用位移控制模式，加载速率为0.5mm/min。
本发明的技术构思为：本发明以岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法为基础，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。依据结构面剪切试验结果以及结构面表面形貌变化等信息，分析不同结构面表面形态和不同应力条件下，结构面剪切形貌特征渐变过程及结构面周围裂隙扩展变化规律。
本发明的有益效果主要表现在：以岩石模型结构面剪切试验全过程可视化方法为基础，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。依据结构面剪切试验结果以及结构面表面形貌变化等信息，分析不同结构面表面形态和不同应力条件下，结构面剪切形貌特征渐变过程及结构面周围裂隙扩展变化规律。
附图说明
图1是结构示意图；
图2是图像—力学曲线关键点对应图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，包括如下步骤：
(1)选取原岩结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后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。在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机负责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，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况。
(2)基于全过程可视化试验方法，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。试验时采用水平向力传感器测量水平剪切力，采用位移传感器测量测试件剪切变形，采用力传感器测量测试件荷载。剪切过程中采用位移控制模式，加载速率为0.5mm/min。试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展。试验完成后，根据试验结果得到剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移等曲线以及多方位CCD拍摄图像。
(3)试验数据的记录与多方位CCD拍摄同步进行，因此同一时刻的CCD拍摄图像可以与各力学曲线进行对应。在同一坐标轴中进行剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移等曲线关键点对应标注。
(4)对应完成后进行各关键点图像对比，结构面形貌的对比按区域进行，分别对每个区域结构面表面破坏情况直观描述(参照未剪切时结构面形貌适当消除折射的影响)。对于每个区域哪些地方发生破坏，破坏明显程度，破坏的范围以及形式，哪些没有发生破坏等情况都要描述清楚。然后进行不同阶段分区域比较，分析对应剪切点的形貌，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况。
(5)剪切作用下结构面周围裂隙的萌生扩展主要分为四个阶段。达到峰值剪切强度之前(阶段1)；随着变形增加，裂纹加速扩展(阶段2)；在达到残余强度之前(阶段3)；剪切强度达到残余强度(阶段4)。因此试验完成后主要对这四个阶段裂隙图像与力学曲线进行对比分析，综合各个拍摄区域，直观描述裂纹产生的位置、数量以及扩展情况。
(6)根据以上步骤，分别进行不同表面形态和不同应力条件的剪切试验研究。利用可视化全过程动态观测技术，追踪剪切每个阶段的表面形态破坏区域及周围裂隙扩展，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况。依据结构面剪切试验结果，确定剪切实际接触区域，研究剪切作用下结构面表面形貌的变化规律及试验过程中结构面周围裂隙扩展情况。
实例：本实施例的结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，包括如下步骤：
(1)选定边长为100mm*100mm的工程岩体结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后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。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，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况，A摄像机负责前半区，B摄像机后半区，如图1所示。
(2)基于全过程可视化试验方法，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。试验时采用水平向力传感器测量水平剪切力，采用位移传感器测量测试件剪切变形，采用力传感器测量测试件荷载。剪切过程中采用位移控制模式，加载速率为0.5mm/min。试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展。试验完成后，根据试验结果得到剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移等曲线以及多方位CCD拍摄图像。
(3)试验数据的记录与多方位CCD拍摄同步进行，因此同一时刻的CCD拍摄图像可以与各力学曲线进行对应。在同一坐标轴中进行剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移等曲线关键点对应标注，主要分为以下四个阶段：弹性阶段结构面封闭，无法向位移；剪切应力达到峰值抗剪强度开始出现剪胀现象；在剪切应力未达到残余值时模型的剪切位移会处于较快的增长状态；当剪切应力在残余值附近波动时模型法向位移增长较小，曲线较为平缓。并在计算机中提取对应点时间CCD拍摄图像，如图2所示。
(4)对应完成后进行各关键点图像对比，结构面形貌的对比按区域进行，分别对每个区域结构面表面破坏情况直观描述(参照未剪切时结构面形貌适当消除折射的影响)。对于每个区域哪些地方发生破坏，破坏明显程度，破坏的范围以及形式，哪些没有发生破坏等情况都要描述清楚。然后进行不同阶段分区域比较，分析对应剪切点的形貌，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况。
(5)剪切作用下结构面周围裂隙的萌生扩展主要分为四个阶段。阶段1：达到峰值剪切强度之前，此时裂纹的数量比较少，只是在节理面的两端出现了少量的裂隙；阶段2：随着变形增加，裂纹加速扩展，切向裂纹开展迅速，向节理面的中部渐渐靠拢；阶段3：在达到残余强度之前，裂隙逐渐贯通，此时剪切带开始形成，切向裂纹占据主导地位；阶段4：剪切强度达到残余强度，裂隙逐渐贯通扩大，数量呈现指数增长，法向裂隙渐渐趋于稳定，如图2所示。
(6)根据以上步骤，分别进行不同表面形态和不同应力条件的剪切试验研究。利用可视化全过程动态观测技术，追踪剪切每个阶段的表面形态破坏区域及周围裂隙扩展，获得剪切渐进过程的三维表面形态及周围裂隙变化情况。依据结构面剪切试验结果，确定剪切实际接触区域，研究剪切作用下结构面表面形貌的变化规律及试验过程中结构面周围裂隙扩展情况。
Claims (3)
1.一种结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)选取原岩结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后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；在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机负责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，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；
(2)基于全过程可视化试验方法，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；试验时采用水平向力传感器测量水平剪切力，采用位移传感器测量测试件剪切变形，采用力传感器测量测试件荷载；试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展；试验完成后，根据试验结果得到剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移曲线以及多方位CCD拍摄图像；
(3)试验数据的记录与多方位CCD拍摄同步进行，因此同一时刻的CCD拍摄图像与各力学曲线进行对应；在同一坐标轴中进行剪切应力-剪切位移、法向位移-剪切位移曲线关键点对应标注；
(4)对应完成后进行各关键点图像对比，结构面形貌的对比按区域进行，分别对每个区域结构面表面破坏情况直观描述；对于每个区域哪些地方发生破坏，破坏明显程度，破坏的范围以及形式，哪些没有发生破坏情况都要描述清楚；然后进行不同阶段分区域比较，分析对应剪切点的形貌，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；
(5)剪切作用下结构面周围裂隙的萌生扩展分为四个阶段，阶段1：达到峰值剪切强度之前；阶段2：随着变形增加，裂纹加速扩展；阶段3：在达到残余强度之前；阶段4：剪切强度达到残余强度；试验完成后对这四个阶段裂隙图像与力学曲线进行对比分析，综合各个拍摄区域，直观描述裂纹产生的位置、数量以及扩展情况；
(6)根据以上步骤，分别进行不同表面形态和不同应力条件的剪切试验研究。
2.如权利要求1所述的结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，其特征在于：所述步骤(6)中，利用可视化全过程动态观测技术，追踪剪切每个阶段的表面形态破坏区域及周围裂隙扩展，获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；依据结构面剪切试验结果，确定剪切实际接触区域，研究剪切作用下结构面表面形貌的变化规律及试验过程中结构面周围裂隙扩展情况。
3.如权利要求1或2所述的结构面抗剪强度试验全过程视踪试验方法，其特征在于：所述步骤(2)中，剪切过程中采用位移控制模式，加载速率为0.5mm/min。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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