CN113758807B - 一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，包括以下步骤：1)准备试样：在试样的观测面喷涂或水转印不同尺度且耐受高水压的散斑；2)试样安装：将喷涂散斑后的试样安装到试验装置中；3)加载：进行水压和轴压的联动控制加载，直至试样破坏；4)试验过程记录：利用宏观尺度相机和细观尺度相机拍摄，并实时记录水压等实验数据；5)试样固定：水力耦合破坏的试样从试验装置中移出置于硅胶模具中；6)裂纹追踪：观察样品中的细观特征并进行裂纹追踪；7)图像处理：实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在空间上的高精度匹配；8)结果分析。与现有技术相比，本发明具有同时进行宏观和细观监测、成像质量高、精度高等优点。

Description

一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法
技术领域
本发明涉及岩体裂隙检测领域，尤其是涉及一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法。
背景技术
岩体在地质力学作用下，其内部和表面会存在各个尺度的不连续结构面(断裂带、断层、节理、裂隙)，这些结构面共同构成了岩体内部的裂隙网络结构。在深埋地下洞室施工和深部资源开采中，由于外部扰动和复杂的水力耦合作用，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布，极易导致裂隙网络的扩展和贯通，降低围岩强度和稳定性，进而给深部地下空间开发和深部资源开采造成极大困扰。因此，研究高应力、高水压耦合作用下的岩体裂隙扩展规律，可促进裂隙岩体水力耦合机理认识，具有重要的工程意义和学术价值。
开展室内试验是提升裂隙岩体水力耦合机理研究的重要方式，然而，高应力、高水压下的水力耦合试验条件极为苛刻，对试验方法提出了很高的要求，需要在密封高压水的条件下同时施加荷载。针对裂隙岩体水力耦合的试验研究大多采用试验完成后观测的研究方式，或采用声发射的观测方式间接采集数据。试验后观测的研究方式只能依据试验后现象对进行推测，无法确定水力耦合演化过程。声发射的间接观测易受噪声干扰，定位精度低、结果难以还原水力耦合断裂过程，相比于直接观测水力耦合过程，上述试验方法难以深刻揭示裂隙岩体水力耦合机理。
当前裂隙岩体室内试验研究的尺度有宏观尺度(研究尺度为数厘米到数十厘米内)和细观尺度(其研究尺度为数十微米到数毫米内)。单一宏观尺度下的现象无法反映出材料细观特征对水力耦合的影响，无法揭示岩体损伤细观机理；单一细观尺度下其观测范围太小，无法反映岩体裂隙的整体破坏情况。因此，研究裂隙岩体水力耦合问题的宏细观机理需要同时在宏观和细观尺度的条件下直接观测水力耦合破坏过程。
在宏观和细观尺度下直接观测裂隙岩体水力耦合破坏过程，能够直接获取试验损伤破坏的宏宏观、细观损伤演化的全过程、还原断裂机理。已有研究实现了高水压的可视化密封，然而同时实现宏观和细观尺度的直接观测并不是简单地布置多台相机，而是在实际操作中面临着诸多试验方法上的难题。现有技术无法实现同时在宏观和细观尺度上直接观测裂隙岩体水力耦合破坏过程，也难以实现协同宏观尺度和细观尺度的分析。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，用以同时实现在宏观和细观的观测尺度下对裂隙岩体水力耦合试验的观测，该方法包括以下步骤：
1)准备试样：对加工好的试样进行扫描，记录试样在宏、细观尺度上的初始特征，并在试样的观测面喷涂或水转印不同尺度且耐受高水压的散斑，将喷涂散斑后的观测面再次扫描，记录喷涂的散斑用于评定散斑的质量；
2)试样安装：将喷涂散斑后的试样安装到试验装置中；
3)加载：分别通过独立伺服控制的力学试验机和注塞泵，进行水压和轴压的联动控制加载，直至试样破坏；
4)试验过程记录：利用宏观尺度相机和细观尺度相机实时拍摄并同步记录水压实验数据；
5)试样固定：在试验结束后将水力耦合破坏的试样从试验装置中移出置于硅胶模具中，将配制好的环氧树脂导入硅胶模具中，抽真空后转移到干燥通风条件下静置固化；
6)裂纹追踪：确定细观观测区域，切割固定后的试样取下样品，观察样品中的细观特征并进行裂纹追踪；
7)图像处理：实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在空间上的高精度匹配；
8)结果分析：利用数字图像相关方法获取宏观和细观尺度下试样破坏全过程中的位移场和应变场，以揭示宏细观尺度的裂隙岩体在水力耦合作用下的破坏机理。
所述的步骤1)中，采用显微镜对加工好的试样进行扫描，记录的初始特征包括矿物组成、晶体颗粒分布和初始缺陷，喷涂或水转印不同尺度散斑的颗粒大小与观测尺度相适应，耐受水压为20MPa。
所述的步骤2)具体包括以下步骤：
21)在O型橡胶密封圈附近及试样表面均匀涂抹疏水剂，提高试验装置的密封性；
22)将金属板和面板组装好后倒置，采用针管注水器向面板上的橡胶圈内部注满水，将试样放在注满水的橡胶圈上并压上金属板，采用针管注射器通过金属板上的注水孔伸入到试样的裂隙中注水直至水从注水中溢出，排出试验装置和试样裂隙中的空气；
23)按对角线顺序依次拧紧试验装置四个角的螺丝，避免在试样中产生不均匀内力干扰试验结果。
所述的步骤3)中，加载方案包括水力诱导破坏和高水压下偏应力诱导破坏。
所述的步骤4)具体包括以下步骤：
41)将细观尺度相机布设在实验装置近端正对试样拍摄，宏观尺度相机布设在实验装置远端倾斜拍摄，调整拍摄路径避免两台相机在空间上的光路互相遮挡；
42)在实验装置正前方设置两个卤素灯作为光源；
43)采用后触发控制确保两台高速相机能够捕捉到试样裂纹起裂时刻以及该时刻之前设定时间段的照片，并以破坏触发时刻为基准实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在时间上的高精度匹配。
所述的步骤42)中，卤素灯与观测面法线方向夹角为30°以减小反光，在细观尺度相机上安装隔热罩，避免卤素灯长时间照射导致相机过热，并在两台相机的镜头上安装偏振镜，减小水和透明观测面板界面处的反光影响照片质量。
所述的步骤5)中，环氧树脂的配置具体为：
通过环氧树脂A液和B液按照体积比2.5:1混合后掺入示踪剂，搅拌均匀，搅拌速度固定并始终向同一方向进行避免混入气泡。
所述的步骤5)中，在环氧树脂配置完成后导入硅胶模具中，使其刚好没过试样顶部，待自流平后将模具转移到真空脱泡桶中，抽真空保持5分钟，在负压条件下消除环氧树脂中的气泡后转移到干燥通风条件下静置24h使其充分固化。
所述的步骤6)具体为：
根据试验方案确定细观观测区域，采用水刀切割固定后的试样取下样品，以减小取样过程中的机械损伤，将取下的样品磨片或制作成光片，采用偏光显微镜、电子显微镜观察样品中的细观特征，并通过示踪剂追踪裂纹。
所述的步骤7)具体包括以下步骤：
71)将宏观尺度相机倾斜拍摄的照片利用图像处理方法进行坐标变换批处理，将倾斜的照片根据坐标变换原理修正；
72)利用图像配准算法将宏观尺度照片和细观尺度照片进行亚像素级位置配准，实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在空间上的高精度匹配。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过在试样表面喷涂或水转印耐水、耐高压的散斑，能够满足高水压(20Mpa)条件下水力耦合作用加载。
2、本发明通过在O型橡胶密封圈附近及试样表面均匀涂抹疏水剂，有效的提高了装置的密封性能。
3、本发明采用先注水再装样的方法，排除装置和试样裂隙中的空气，避免气泡对试验的干扰。
4、本发明按照对角线顺序拧紧螺丝，可以避免试样在安装的过程中破坏。
5、本发明利用独立伺服控制的双轴流变仪和两个注塞泵系统实现水压和轴压的联动控制加载。
6、将宏观尺度相机布设在远端并倾斜拍摄，以避免两台相机在空间上光路的互相遮挡。
7、卤素灯观测面法线方向夹角约为30°，能够有效减小反光。
8、在高速相机镜头前安装偏振镜，减小界面反光对成像的影响。
9、细观尺度相机上方安放隔热罩，防止相机过热。
10、采用后触发技术，确保宏观尺度相机和细观尺度相机能够捕捉到试样破坏的时刻，并以破坏时刻为基准实现两台高速相机的时间同步控制。
11、采用硅胶模具盛放试样和环氧树脂，便于脱模。
12、利用环氧树脂固定试样破坏时刻的裂纹状态，同时加入荧光染剂等示踪剂方便与试验结束后新产生的裂纹加以区分。
13、环氧树脂凝固前需抽真空5min，在负压条件下消除气泡。
14、利用水刀切割试样，减小取样过程对观测结果的影响。
15、利用紫外线照射被荧光染剂等示踪剂填充的裂缝，来追踪试验在过程中产生的裂纹的位置。
17、利用数字图像处理方法对宏观相机拍摄的照片进行坐标变换，将倾斜的照片予以修正。
18、利用图像配准算法实现宏观和细观尺度照片在空间上的高精度位置配准。
19、利用数字图像相关方法得到试样在宏观和细观尺度上破坏全过程中的位移场和应变场，并结合SEM、CT、偏光显微镜等宏细观观测手段揭示宏细观尺度的裂隙岩体在水力耦合作用下的破坏机理。
附图说明
图1为装样示意图，其中，图(1a)为倒置装置与密封圈内注水示意图，图(1b)为安放试样示意图，图(1c)为安装金属后盖板示意图，图(1d)为裂隙内注水示意图，图(1e)为螺栓拧紧顺序示意图。
图2为联合拍摄示意图。
图3为试样固定及裂纹追踪示意图，其中，图(3a)为硅胶模具固定试样示意图，图(3b)为真空脱泡桶抽真空示意图，图(3c)为水刀切割细观观测区示意图。
图4为本发明的方法流程图。
图中标记说明：
1、金属板A，2、亚克力面板，3、六角螺栓，301、第一六角螺栓，302、第二六角螺栓，303、第三六角螺栓，304、第四六角螺栓，4、O型橡胶密封圈，5、针管注水器，6、试样，7、预制裂纹，8、金属板B，9、注水孔，10、试样宏观观测区，11、试样细观观测区，12、卤素灯，13、细观尺度高速相机，14、宏观尺度高速相机，15、偏振镜，16、电脑A，17、电脑B，18、触发器，19、硅胶模具，20、破坏的试样，21、掺有示踪剂的环氧树脂，22、真空脱泡桶，23、水刀，24、细观观测区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，该方法针对裂隙岩体水力耦合试验需求，实现跨尺度的可视化分析。在准备试样时，首先在试样表面喷涂大小合适、防水且耐高压的散斑；在试样安装过程中，在密封圈附近及试样表面涂抹疏水剂以提高密封性；在装样过程中，通过提前在装置和试样的裂隙内注水避免气泡对观测过程的干扰；在试验加载过程中，通过协同的伺服控制系统实现水压和轴压的联动控制；试验加载过程中，采用两台高速相机实时记录实验过程，通过优化两台相机和光源的空间位置排布关系，将宏观尺度的相机布设在远端并倾斜，以避免两台相机互相遮挡光路，利用后触发控制确保高速相机能够捕捉到试样破坏的时刻，以破坏时刻为基准实现两台相机的时间同步控制；试样破坏后，将水力耦合破坏后试样用环氧树脂固定，并使用荧光染剂等示踪剂标记裂纹，在环氧树脂固化后用水刀设备切割细观观测的样品，磨片后利用偏光显微镜观察微裂缝，并利用紫外线照射被荧光物质填充的裂纹，以追踪试验过程中产生裂纹的位置；在试验结果分析中，利用数字图像处理方法对宏观相机拍摄照片进行坐标变换，将倾斜照片进行修正，并用图像配准算法将宏观照片和细观照片在空间上实现高精度匹配；在试验结果分析中，利用数字图像相关方法分析宏观和细观尺度的照片，得到试样在破坏全过程中的位移场和应变场，并结合SEM、CT、偏光显微镜等多种宏细观观测手段揭示宏细观尺度的裂隙岩体水力耦合机理，该试验方法包括以下步骤：
(1)准备试样：首先，将加工好的试样采用显微镜进行扫描，记录下试样在宏、细观尺度上的矿物组成、晶体颗粒分布和初始缺陷等初始特征；然后，根据可视化试验需求，在试样的观测面喷涂或水转印不同尺度的散斑，散斑颗粒大小须与观测尺度相适应，且要求该散斑防水且能够耐受高达20MPa的水压；最后，将喷涂散斑后的观测面再次采用显微镜进行扫描，记录喷涂的散斑用于评定散斑的质量。
(2)试样安装：首先，在O型橡胶密封圈附近及试样表面均匀涂抹疏水剂，以提高装置的密封性；然后，将钢板和面板组装好后倒置，用针管在面板上的橡胶圈内部注满水，将试样轻轻放在注满水的橡胶圈上，轻轻压上金属板，用针管注射器通过金属板上的小孔伸入到试样的裂隙中注水直至水从小孔中溢出，以排出装置和试样裂隙中的空气；最后，按对角线顺序依次拧紧装置四个角的螺丝，以避免在试样中可能产生不均匀内力干扰试验结果。
(3)加载：分别通过独立伺服控制的力学试验机和柱塞泵，进行水压和轴压的联动控制加载，直至试样破坏，加载方案包括但不限于水力诱导破坏、高水压下偏应力诱导破坏等。
(4)试验过程记录：利用高速相机实时记录实验数据。首先，将细观尺度相机布设在近端正对试样拍摄，宏观尺度相机布设在远端倾斜拍摄，精确调整拍摄路径，以避免两台相机在空间上的光路互相遮挡；然后，在装置正前方设置两个卤素灯作为光源，卤素灯与观测面法线方向夹角约为30°以减小反光，在细观尺度相机上安装隔热罩，避免卤素灯长时间照射导致相机过热，其中在两台相机的镜头上安装有偏振镜，减小水和透明观测面板界面处的反光影响照片质量；最后，利用后触发控制确保两台高速相机能够捕捉到试样裂纹起裂时刻及之前一段时间的照片，并以破坏触发时刻为基准实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在时间上的高精度匹配。
(5)试样固定：根据试样尺寸制作大小合适的模具，磨具材质为硅胶以保证脱模方便；试验结束后将水力耦合破坏的试样从装置中小心移出置于硅胶模具中；将环氧树脂A液和B液按照体积比2.5:1混合，并掺入适量的荧光染剂等示踪剂，然后搅拌均匀，搅拌速度始终向同一方向进行以避免混入大量气泡。环氧树脂准备完成后导入模具中，使其刚好没过试样顶部，待自流平后小心将模具转移到真空脱泡桶中，然后抽真空保持5分钟，在负压条件下消除环氧树脂中的气泡，随后转移到干燥通风条件下静置24h使其充分固化。
(6)裂纹追踪：根据试验研究方案确定需要进一步细观观测的区域，用水刀切割固定后的试样取下样品，其中，采用水刀切割可以极大程度的减小取样过程中的机械损伤。将取下的样品磨片，或按照需要制作成光片等，采用偏光显微镜、电子显微镜等设备观察样品中的微裂缝等细观特征，并利用步骤(5)中加入的示踪剂追踪裂纹，比如紫外线下被荧光染填充的裂缝会发出荧光，同时示踪剂还可以用于判断裂纹是否是后续制样中产生的，若为后续制样导致的裂纹则不会有荧光染剂填充。
(7)图像处理：首先，将宏观尺度相机倾斜拍摄的照片利用图像处理方法进行坐标变换批处理，将倾斜的照片根据坐标变换原理予以修正；然后，利用图像配准算法将宏观尺度照片和细观尺度照片进行亚像素级位置配准，实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在空间上的高精度匹配。
(8)结果分析：利用数字图像相关方法对照片分析，得到宏观和细观尺度下试样破坏全过程中的位移场和应变场，并结合SEM、CT、偏光显微镜等多种宏细观观测手段，揭示宏细观尺度的裂隙岩体在水力耦合作用下的破坏机理。
上述各步骤还包括以下特点：
步骤(1)中在试样表面制作耐水、耐高压的散斑，以实现高水压条件下水力耦合加载。
步骤(2)中在O型橡胶密封圈附近及试样表面均匀涂抹疏水剂，以提高装置的密封性。
步骤(2)中通过先在面板上的密封圈内注水，再安放试样和金属板，再利用针头通过金属板的小孔深入试样的裂隙内注水，以排除装置和试样裂隙中的空气，避免气泡对试验的干扰。
步骤(2)中按对角线顺序依次拧紧装置四个角的螺丝，以避免在试样中产生不均匀内力。
步骤(3)中利用独立伺服控制的双轴流变仪和两个柱塞泵，进行水压和轴压的联动控制加载，直至试样破坏。
步骤(4)中将宏观尺度相机布设在远端并倾斜拍摄，以避免两台相机之间在空间上光路的互相遮挡。
步骤(4)中卤素灯观测面法线方向夹角约为30°，以减小反光。
步骤(4)中在高速相机镜头前安装偏振镜，减小界面反光对照片成像质量的影响。
步骤(4)中在细观尺度相机上安装隔热罩，避免与卤素灯距离过近造成相机过热。
步骤(4)中利用后触发控制确保高速相机能够分别在宏观和细观尺度上捕捉到试样裂纹起裂时刻的照片，并以破坏时刻为基准实现两台相机的时间同步控制。
步骤(5)中破坏的试样从装置中移出后要放入硅胶模具中，便于在环氧树脂固化后脱模。
步骤(5)中用环氧树脂固定试样破坏时刻的裂纹状态，同时加入荧光染剂等示踪剂，用于追踪裂纹并区分裂纹是否是在后续制样中新产生的。
步骤(5)中将模具放入真空脱泡桶里抽真空5min，使环氧树脂在负压条件下消除气泡。
步骤(6)中用水刀切割试样，减小加工过程中对试样的影响。
步骤(6)中利用紫外线照射被荧光染剂等示踪剂填充的裂缝，追踪试验过程中产生的裂纹的位置。
步骤(7)中利用数字图像处理方法对宏观相机拍摄的照片进行坐标变换，将倾斜的照片予以修正。
步骤(7)中并利用图像配准算法实现宏观和细观照片在空间上的高精度位置配准。
步骤(8)中利用数字图像相关方法得到试样在宏观和细观尺度上破坏全过程中的位移场和应变场，并结合SEM、CT、偏光显微镜等宏细观观测手段揭示宏细观尺度的裂隙岩体在水力耦合作用下的破坏机理。
实施例
如图1所示，图1为装样示意图，具体包括以下步骤：
步骤一：将六角螺栓3倒置，以此在其上面平放金属板A1和亚克力板2，亚力克板2内刻有凹槽，凹槽上嵌固O型橡胶密封圈4；
步骤二：在O型橡胶密封圈4附近以及试样6表面涂抹疏水剂，然后用针管注水器5在O型橡胶密封圈4内注满水，随后将试样6轻轻压在注满水的O型橡胶密封圈4上，并注意预制裂纹7要限制在橡胶圈4内部；
步骤三：安放金属板B 8，将针管注水器5通过金属板B 8内的注水孔9伸入到试样中的预制裂纹7的底部注水，直至水从金属板B中的注水孔9中溢出，说明裂纹和装置中的气泡已排尽；
步骤四：按照301-302-303-304的顺序依次拧紧螺栓；
如图2所示，图2为联合拍摄示意图，具体包括以下步骤：
步骤一：将试样和装置放在双轴流变仪上进行水力耦合加载，在试样前方安放两个卤素灯12，卤素灯12与试样观测面夹角约为30°，将细观尺度相机13在近处正对试样6拍摄，调整镜头使之刚好可以拍摄到细观观测区11，在细观尺度相机13上需要安装隔热罩以避免相机过热；
步骤二：将宏观尺寸相机14布设在远端倾斜拍摄，调整倾斜角度θ使高速相机的光路在空间上刚好没有互相遮挡，并调整宏观尺寸相机14使之刚好可以拍摄的试样宏观观测区10，为了避免界面反光的影响，需要事先在镜头前安装偏振镜15；
步骤三：细观尺度相机13和宏观尺度相机14分别与电脑A16和电脑B17连接，然后用一个触发器18控制两台高速相机
如图3所示，图3为试样固定及裂纹追踪示意图，具体包括以下步骤：
步骤一：将破坏的试样20从装置中取出，放入硅胶模具19中，倒入掺有荧光染剂等示踪剂的环氧树脂21固定试样；
步骤二：将破坏的试样20连同模具19放入真空脱泡桶22中抽真空5min，在负压条件下排出气泡，取出试样后，静置24h，使环氧树脂固化；
步骤三：用水刀23切割细观观测区24，磨片后用显微镜观测样本中的微裂纹，并利用紫外线照射样本追踪试验过程中产生的裂纹的位置；
如图4所示，图4所示为本发明宏细观尺度裂隙岩体水力耦合可视化试验方法的具体流程。下面结合图4对试验方法的各步骤进行详细描述：
(1)准备试样：首先，将加工好的试样采用显微镜进行扫描，记录下试样在宏、细观尺度上的矿物组成、晶体颗粒分布和初始缺陷等初始特征；然后，根据可视化试验需求，在试样的观测面喷涂或水转印不同尺度的散斑，要求该散斑防水且能够耐受高达20MPa的水压；最后，将喷涂散斑后的观测面再次采用显微镜进行扫描，记录喷涂的散斑用于评定散斑的质量。
(2)试样安装：首先，在O型橡胶密封圈附近及试样表面均匀涂抹疏水剂，以提高装置的密封性；然后，将钢板和面板组装好后倒置，用针管在面板上的橡胶圈内部注满水，将试样轻轻放在注满水的橡胶圈上，轻轻压上金属板，用针管注射器通过金属板上的小孔伸入到试样的裂隙中注水直至水从小孔中溢出，以排除装置和试样裂隙中的空气；最后，按对角线顺序依次拧紧装置四个角的螺丝，以避免在试样中可能产生不均匀内力，导致试样破坏。
(3)加载：分别通过独立伺服控制的双轴流变仪和两个柱塞泵，进行水压和轴压的联动控制加载，直至试样破坏。
(4)试验过程记录：利用高速相机实时记录实验数据。首先，将细观尺度相机布设在近端正对试样拍摄，宏观尺度相机布设在远端倾斜拍摄，以避免两台相机之间在空间上光路的互相遮挡；然后，在装置正前方设置两个卤素灯作为光源，卤素灯与观测面法线方向夹角约为30°，以减小反光，其中在高速相机镜头上安装偏振镜，减小界面反光对照片质量的影响，在细观尺度相机上安装隔热罩，避免与卤素灯距离过近造成相机过热；最后，利用后触发控制确保两台高速相机能够分别在宏观和细观尺度上捕捉到试样裂纹起裂时刻的照片，并以破坏时刻为基准实现两台相机的时间同步控制。
(5)试样固定：将水力耦合作用下破坏的试样从装置中小心移出后置于硅胶模具中，并在其中浇筑环氧树脂固定试样，环氧树脂事先掺入一定比例的荧光染剂等示踪剂，等环氧树脂自流平后，将模具放入真空脱泡桶里抽真空5min，使环氧树脂在负压条件下消除气泡，随后在自然条件下静置24h使其充分固化。
(6)裂纹追踪：用水刀切割试样的细观观测区，磨片后利用显微镜观察样品的微裂缝，并利用紫外线照射被荧光染剂等示踪剂填充的裂缝，以追踪试验过程中产生的裂纹的位置。
(7)图像处理：首先，将宏观相机拍摄的照片利用数字图像处理方法进行坐标变换，将倾斜的照片予以修正；然后，利用图像配准算法对宏观和细观照片实现位置配准，实现宏观和细观尺度协同拍摄在空间上的高精度匹配。
(8)结果分析：利用数字图像相关方法对照片分析，同时得到试样在宏观和细观尺度下破坏全过程中的位移场和应变场，并结合SEM、CT、偏光显微镜等多种宏细观观测手段揭示宏细观尺度的裂隙岩体在水力耦合作用下的破坏机理。

Claims (7)

1.一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，用以同时实现在宏观和细观的观测尺度下对裂隙岩体水力耦合试验的观测，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)准备试样：对加工好的试样进行扫描，记录试样在宏、细观尺度上的初始特征，并在试样的观测面喷涂或水转印不同尺度且耐受高水压的散斑，将喷涂散斑后的观测面再次扫描，记录喷涂的散斑用于评定散斑的质量；
2)试样安装：将喷涂散斑后的试样安装到试验装置中；
3)加载：分别通过独立伺服控制的力学试验机和注塞泵，进行水压和轴压的联动控制加载，直至试样破坏；
4)试验过程记录：利用宏观尺度相机和细观尺度相机实时拍摄并同步记录水压实验数据；
5)试样固定：在试验结束后将水力耦合破坏的试样从试验装置中移出置于硅胶模具中，将配制好的环氧树脂导入硅胶模具中，抽真空后转移到干燥通风条件下静置固化；
6)裂纹追踪：确定细观观测区域，切割固定后的试样取下样品，观察样品中的细观特征并进行裂纹追踪；
7)图像处理：实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在空间上的高精度匹配；
8)结果分析：利用数字图像相关方法获取宏观和细观尺度下试样破坏全过程中的位移场和应变场，以揭示宏细观尺度的裂隙岩体在水力耦合作用下的破坏机理；
所述的步骤1)中，采用显微镜对加工好的试样进行扫描，记录的初始特征包括矿物组成、晶体颗粒分布和初始缺陷，喷涂或水转印不同尺度散斑的颗粒大小与观测尺度相适应，耐受水压为20Mpa；
所述的步骤4)具体包括以下步骤：
41)将细观尺度相机布设在实验装置近端正对试样拍摄，宏观尺度相机布设在实验装置远端倾斜拍摄，调整拍摄路径避免两台相机在空间上的光路互相遮挡；
42)在实验装置正前方设置两个卤素灯作为光源；
43)采用后触发控制确保两台高速相机能够捕捉到试样裂纹起裂时刻以及该时刻之前设定时间段的照片，并以破坏触发时刻为基准实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在时间上的高精度匹配；
所述的步骤7)具体包括以下步骤：
71)将宏观尺度相机倾斜拍摄的照片利用图像处理方法进行坐标变换批处理，将倾斜的照片根据坐标变换原理修正；
72)利用图像配准算法将宏观尺度照片和细观尺度照片进行亚像素级位置配准，实现宏观和细观尺度协同拍摄照片在空间上的高精度匹配。
2.根据权利要求1所述的一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：
21)在O型橡胶密封圈附近及试样表面均匀涂抹疏水剂，提高试验装置的密封性；
22)将金属板和面板组装好后倒置，采用针管注水器向面板上的橡胶圈内部注满水，将试样放在注满水的橡胶圈上并压上金属板，采用针管注射器通过金属板上的注水孔伸入到试样的裂隙中注水直至水从注水中溢出，排出试验装置和试样裂隙中的空气；
23)按对角线顺序依次拧紧试验装置四个角的螺丝，避免在试样中产生不均匀内力干扰试验结果。
3.根据权利要求1所述的一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，其特征在于，所述的步骤3)中，加载方案包括水力诱导破坏和高水压下偏应力诱导破坏。
4.根据权利要求1所述的一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，其特征在于，所述的步骤42)中，卤素灯与观测面法线方向夹角为30°以减小反光，在细观尺度相机上安装隔热罩，避免卤素灯长时间照射导致相机过热，并在两台相机的镜头上安装偏振镜，减小水和透明观测面板界面处的反光影响照片质量。
5.根据权利要求1所述的一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，其特征在于，所述的步骤5)中，环氧树脂的配置具体为：
通过环氧树脂A液和B液按照体积比2.5:1混合后掺入示踪剂，搅拌均匀，搅拌速度固定并始终向同一方向进行避免混入气泡。
6.根据权利要求1所述的一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，其特征在于，所述的步骤5)中，在环氧树脂配置完成后导入硅胶模具中，使其刚好没过试样顶部，待自流平后将模具转移到真空脱泡桶中，抽真空保持5分钟，在负压条件下消除环氧树脂中的气泡后转移到干燥通风条件下静置24h使其充分固化。
7.根据权利要求1所述的一种跨尺度的裂隙岩体水力耦合可视化试验方法，其特征在于，所述的步骤6)具体为：
根据试验方案确定细观观测区域，采用水刀切割固定后的试样取下样品，以减小取样过程中的机械损伤，将取下的样品磨片或制作成光片，采用偏光显微镜、电子显微镜观察样品中的细观特征，并通过示踪剂追踪裂纹。
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