[发明专利]一种新型三维数字化软岩力学试验系统

说明书

本发明涉及一种新型三维数字化软岩力学试验系统，属于岩石力学测试领域。本发明由软岩可视化加载系统和三维数字成像系统组成，可实现软岩赋水条件不同围压的常规三轴试验，同时测量软岩的全场细观应变并进行三维图形的构建。本发明的价值在于：一、实现软岩全场细观应变的测量和三维数字化构建，能够更加全面的研究软岩的大变形特征。二、提供了一套将数字化成像系统应用于室内三轴试验的方案。

技术领域

本试验装置和方法涉及软岩室内试验细观应变测量技术，更具体涉及一种三维数字化软岩力学试验系统，属于岩石力学测试领域。

技术背景

越来越多的工程问题表明软岩是很多滑坡、塌方、水土流失等地质灾害的主要影响因素。软岩赋存的区域往往岩体条件差，且强富水。软岩本身强度低于硬岩，在水和风化作用的影响下会迅速崩解造成进一步的岩体条件劣化。中国华南地区大量赋存着红层软岩，红层软岩富含黏土矿物、孔隙裂隙发育，表现出强烈的水理致灾性，这给华南地区各类工程的施工带来了巨大挑战。

岩石室内试验的主要目的是还原原岩的应力状态，揭示岩石的基本力学规律。国际岩石力学学会将单轴强度小于20MPa的岩石定义为软岩，软岩是一种特殊的软弱岩体，富含节理、易风化、遇水易崩解。软岩的水力耦合问题是学者们的研究重点，大量研究表明软岩在水的作用下更倾向于表现出弹塑性的力学特征，其受载过程体现出明显的流变特征，具有蠕变、弹性后效等宏观力学现象。这些过程伴随着大变形。最初的常规三轴试验仪器主要针对硬岩，能够在恒定的围压下进行轴压加载，通过加载伺服控制系统研究岩样的应力-应变关系。由于硬岩的灾害以岩爆为主，且对水-力耦合作用的情况不敏感因此大部分硬岩三轴加载系统无法用来研究软岩的变形和水力耦合问题。其主要存在的问题如下：

(1)传统硬岩三轴试验系统的围压系统采用油压加载，以油为介质无法模拟软岩的水-力耦合赋存条件，并且油液不完全透明，无法实现可视化加载。

(2)传统硬岩加载系统的位移传感器只能测得平均轴向位移和横向位移，无法测得全场应变，对于软岩的大变形情况无法很好的描述。

(3)传统硬岩加载系统的加载室为密封的高强度空心圆柱腔体，无法提供可视化加载环境，无法完成软岩变形过程的三维图像构建。

发明内容

针对上述问题，本发明采用如下技术方案：一种三维数字化软岩力学试验系统，包括可视化加载系统和三维数字成像系统(DIC)；所述可视化加载系统由透明加载室、围压加载系统、轴压加载系统、应力测量系统、位移测量系统组成；所述透明加载室由加载室顶盖、高强度螺钉、高强度透明玻璃腔、加载室底盖、高刚度卡扣组成，加载室顶盖通过高强度螺钉连接加载室底盖，高强度透明玻璃腔置于顶盖与底盖中间，加载室底盖通过高刚度卡扣卡紧在底座上；所述围压加载系统由电脑控制压力泵伺服控制围压；所述轴压加载系统由电脑控制作动器并通过压头均匀传递应力；所述应力测量系统由压头上的应力传感器采集数据并记录于电脑；所述位移测量系统由作动器上的位移传感器采集数据并记录于电脑；所述三维数字成像系统由多组图像采集相机和散斑位移计算系统组成；所述图像采集相机由8个高清摄像头和强光灯组成；所述散斑位移计算系统由电脑和相应软件组成。

一种用于软岩水力耦合试验的三维数字成像系统，采用了所述的模拟水压条件下软岩三轴压缩试验的装置以及全场应变测量装置, 具体实施步骤如下:

步骤一：在软岩表面喷漆、描点制作均匀分布的散斑。

步骤二：将四组高清相机环绕布置在加载室周围，调整相机距离与焦距，采用校正板标定位置，经过一系列调平校正后确保计算机算法可以识别并关联每组相机。

步骤三：接通围压加载系统、轴压加载系统、油泵的电源。

步骤四：打开加载室，使加载室底座和加载室底盖分离。

步骤五：将透明乳胶套包裹到软岩试样上，将软岩试样放置在承载压头上并调整试样位置，保证试验过程中试样均匀受载。