一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法与流程

本发明涉及岩体模拟试验方法，具体为一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法。

背景技术：

1、在岩土工程、矿山开采、隧道建设以及其他地质工程中，对岩石的力学行为和变形机制的理解至关重要。这些理解不仅是安全评估的基础，也是确保结构设计的可靠性和效率的关键。由于地下岩体的复杂性，传统的岩体模型试验常常无法准确模拟和观测岩石在深部高应力环境下的真实行为，特别是在内部应力、应变和位移的详细分布方面存在明显的观测盲区。

2、传统的岩体模拟方法主要包括理论分析和实验模拟两大类。理论分析往往依赖于计算机模拟和数学建模，而这些方法的准确性严重依赖于模型假设的合理性和初始条件的设定。在实验模拟方面，常用的有物理模型试验和数值模拟试验。物理模型试验虽然能较直观地展现岩体在受力后的宏观表现，如裂纹发展、块体位移等，但对于裂纹的起始、扩展以及岩体内部的应力分布等微观变化的观测却往往力不从心。此外，许多实验由于材料和技术的限制，很难在模型中准确地再现天然岩石的物理和力学特性，使得实验结果与实际情况之间存在偏差。

3、尽管通过改进材料和技术，现有的模拟试验方法已经取得了一定的进展，但仍然存在一些不可忽视的缺陷和不足。例如，许多模型试验主要依赖于外部观测，如视频记录和表面位移的跟踪，而对模型内部的应力和应变状态了解不足。这种情况在进行复杂应力条件下的试验时尤为明显，内部应力和应变的真实分布无法有效捕捉，导致无法深入分析岩体破坏的具体机制。此外，现有的测试方法如电阻应变片虽然能部分监测到应变信息，但由于其尺寸和安装方式的限制，往往会对岩体材料的本征性质造成干扰，影响试验的真实性。

4、鉴于传统方法的局限，岩土工程界对能够提供高精度、无损检测的新技术需求迫切。特别是在建设关键基础设施如核废料存储设施、深海油气开采平台及地下空间开发等领域，对岩体内部变形和破坏机制的精确掌握尤为关键。因此，开发一种新型的岩体模型物理试验方法，能够直接观测岩体内部的变形过程，并提供准确的数据支持，是当前岩土力学研究的重要方向。

5、新的试验方法需要能够综合利用现代材料科学、传感技术和计算机视觉等多领域的先进成果，克服传统试验的局限，提供更全面的数据支持和更深入的分析能力。例如，使用高透明度材料制成的岩体模型，配合微型传感器技术和高精度成像系统，可以实现对岩体内部变形过程的连续、实时观测。通过这种方式，不仅可以观测到裂纹的生成和扩展过程，还可以详细了解岩体在复杂应力状态下的内部应力分布。这种技术的发展对于提高地质灾害预测的准确性、优化工程设计和施工方案以及提高岩土工程安全性都具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法，包括如下步骤：

3、s1：制作透明岩体模型，该模型能够模拟真实岩体的物理和力学性质；

4、s2：在模型中按照预定位置嵌入至少一种传感器，用于监测岩体在受力时的内部应力、应变或位移；

5、s3：使用高分辨率成像系统对模型进行实时监控，以捕捉内部变形的图像；

6、s4：利用计算机系统收集和分析从传感器和成像系统获得的数据，用于评估岩体模型的力学行为。

7、作为本发明优选的技术方案：所述传感器模块包括应力传感器、应变传感器和位移传感器，应力传感器采用光纤布拉格光栅传感器，应变传感器采用微型应变片，位移传感器采用线性变为传感器。

8、作为本发明优选的技术方案：所述透明岩体模型聚丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或硅橡胶制模型。透明岩体模型的制备方法

9、材料选择：选用聚丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)或硅橡胶作为模型基础材料。这些材料不仅提供良好的透明度，而且能模拟天然岩石的某些力学性质。

10、模具制备：根据需要模拟的岩石样本的形状和尺寸设计模具。可以使用3d打印技术或传统的铸造技术制造模具，确保模具的内部表面光滑，以防止成型时出现气泡或不均匀。

11、在模具制作过程中，在设计中预留传感器和光纤的安装位置。

12、材料混合与脱气：将选择的树脂材料按比例混合。如果需要调整材料的力学性质，可以加入适量的增塑剂或填充物。

13、使用真空脱气机将混合好的树脂进行脱气处理，以去除混合过程中产生的气泡，保证材料的均一性和透明度。

14、倒模与固化：将脱气后的树脂缓慢倒入预先准备好的模具中，注意避免产生新的气泡。

15、根据所用材料的特性设置固化条件，如温度和时间。对于pmma和pc，通常在室温下固化24小时后，需要在温控箱中进行后固化处理以完全固化。

16、在固化过程中，可以使用紫外线或热能来加速固化过程。

17、传感器和光纤的安装：在树脂固化到一定阶段，但未完全硬化前，按照预设位置安装微型传感器和光纤。这一步骤需要精确操作，确保传感器和光纤的位置和方向正确。

18、继续固化直至完全硬化，确保传感器和光纤被完整固定在模型内部。

19、后处理与检验：固化完成后，从模具中取出模型，并进行后处理，如打磨和抛光，以提高模型的表面质量和透明度。

20、对模型进行视觉和机械性能检验，确保无结构缺陷，且力学性能符合要求。

21、最终检测：在实验开始前，对模型进行最终的完整性和功能性测试，包括传感器的响应测试和光纤的光学特性检测，确保在实验过程中能够准确收集数据。

22、作为本发明优选的技术方案：所述传感器按照预定的三维坐标系统x,y,z布置，确保能够全面并精确地捕捉到岩体模型在受力过程中的各个关键部位的应力、应变或位移数据。

23、作为本发明优选的技术方案：所述成像系统为高分辨率光学成像系统或x射线成像系统，用于从不同角度和深度直接观测岩体模型内部的变形过程。

24、作为本发明优选的技术方案：计算机系统利用以下公式对从传感器和成像系统获取的数据进行分析：

25、应力σ(帕斯卡，pa)计算公式为：其中f为作用力(n),a为受力面积(m2)；

26、应变(无单位)计算公式为：其中δl为长度变化(m),l0为原始长度m；

27、位移s(m)计算公式为：其中v为初速度m/s,a为加速度m/s2,t为时间s。

28、作为本发明优选的技术方案：所述计算机系统进一步使用数据融合技术将来自不同传感器的数据进行整合分析，以提高测量的精度和可靠性。

29、作为本发明优选的技术方案：其中进一步包括使用三维扫描技术在试验前后对岩体模型进行三维建模，以评估模型的初始和最终形态。

30、作为本发明优选的技术方案：其中三维扫描技术采用激光扫描或光学扫描技术，以确保三维模型的精确重建。

31、作为本发明优选的技术方案：该方法还包括利用人工智能算法优化数据分析过程，特别是在模式识别和预测模型变形行为方面，从而提高试验的自动化水平和结果的预测准确性。

32、有益效果：

33、利用透明岩体模型配合高精度传感器和成像技术，该技术能够提供对岩体内部变形和应力分布的直接观测，这种观测不仅局限于表面，还能深入到模型的内部。这提供了比传统方法更精确的数据，能够实时监控岩石在各种受力条件下的行为，极大地增强了数据的可靠性和实验的实时反馈能力

34、这种技术不仅适用于基础的岩土力学研究，还可以扩展到地震工程、矿山设计、隧道支护等领域。对于设计师和工程师来说，这种方法可以帮助他们更好地理解材料在实际工程条件下的行为，从而设计出更安全、更经济的结构。

35、结合现代计算技术，特别是人工智能和机器学习算法，可以对收集到的大量数据进行深入分析，从而识别出模型行为中的模式和趋势。这种分析和预测能力对于提前预测和防范地质灾害，优化工程设计和施工具有重要意义。

36、该技术可以作为一个有效的教学工具，在岩土工程和地质科学的教育培训中使用。透明岩体模型提供的直观观测结果可以帮助学生和新工程师更好地理解复杂的地质和力学问题，提高其实践能力和问题解决能力。

37、通过更准确的模拟和测试，工程师可以更好地评估岩土工程项目中可能遇到的风险，如滑坡、岩爆等，从而在设计阶段就采取相应的防范措施。这不仅能提高工程结构的安全性，还能有效降低施工中的风险和成本。

38、这种方法的开发和应用促进了材料科学、力学、光学和计算机科学等多个学科的交受影响与合作，推动了跨学科研究的发展，有助于解决更加复杂和多元化的工程问题。