一种岩石横向变形精确测量的方法

摘要

一种种岩石横向变形精确测量的方法，在圆柱形岩石试样上画出四等分垂直分割线，利用单轴实验仪、高清摄像机进行试验，将摄像机拍摄的影像导入计算机中处理，在AutoCAD中得到精确数据。本发明结构简单，操作方便，可行性强，一次测量可记录试样横向变形的整个过程，得到更多更精确的实验数据：能够得到任意时刻，任意高度的位移图，得到精确测横向变形量，进而更加精确地计算试样的泊松比；可以计算整个式样的体积变形量，得到精确体应变；计算结果可以知道具体的变形破坏位置以及局部压缩或者膨胀。

权利要求

1.一种岩石横向变形精确测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）试样处理：在待测的圆柱形试样侧面画出四等分垂直分割线，即等分侧面的四条母线，并将画好四等分垂直分割线的试样安置在单轴试验仪上；

2）摄像机架设：两台高清摄像机分别正对相邻的两条垂直分割线支放，调整高清摄像机与试样的距离，使图像最为清晰，且两台摄像机与试样距离要求相等，在镜头中找到固定参照点；

3）摄像机拍摄：开启单轴实验仪器，并同时开启两台摄像机进行拍摄，待实验结束停止摄像机拍摄；

4）数据处理：将所述两台高清摄像机中拍摄的影像导入计算机，选取3个间隔为30秒的时刻对两台摄像机拍摄的图像进行截图，并插入到AutoCAD中，并按时间先后将3个时刻记为1、2、3；在AutoCAD中把3个时刻的图像外部轮廓线描出，并缩放成与试样实际尺寸相等的大小；

使用AutoCAD中的工具测量3个时刻左右两侧面轮廓线和原始侧线所围成的面积，分别计算左右两侧的等效横向变形相加得到试样的横向变形，3个时刻的轴向高度减去原始高度得到轴向变形，算出泊松比，并于单点测量进行比较；将3个时刻图形的面积测出，计算出图形的等效宽度，即为试样的等效直径，将两台摄像机的图像取平均值，得到试样的平均直径和平均高度，计算出试样的体积以及体应变。

2.根据权利要求1所述的岩石横向变形精确测量的方法，其特征在于：所述的高清摄像机每一台都配有可调节的支架，每台摄像机的帧数应大于每秒20帧。

3.根据权利要求1所述的岩石横向变形精确测量的方法，其特征在于：所述两台高清摄像机架设相同的高度，即镜头焦点与试样垂直方向中点平行，以使试样更为完整的呈现在镜头中，减小视觉误差，提高测量精度。

4.根据权利要求1所述的岩石横向变形精确测量的方法，其特征在于：摄像机的镜头与试样所组成的两条视线夹角为90°。

5.根据权利要求1所述的一种岩石横向变形精确测量的方法，其特征在于：所述两台高清摄像机拍摄的影像导入计算机中处理，使用Corel VideoStudio选取不同时刻截图，然后将图片放入AutoCAD中处理，得到精确数据。

说明书

一种岩石横向变形精确测量的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种岩石横向变形精确测量的方法。

背景技术

[0002] 在岩石力学中，单轴实验是一项最基本的实验，测量试件的横向变形是研究试件力学特性很重要的一环。通过对岩体的横向变形测量可以确定岩体的泊松比，对岩体的体积应变进行精确计算以及表征岩体损伤。

[0003] 现有岩石横向变形的测量方法主要有两类：一类是点式，即选取岩石柱体相对的两条高的中点作为测量点，用百分表或者千分表直接观察记录数据，用此代表岩柱体的横向变形。另一类是环式，即选取岩石柱体中间圆周测量变化量，用以代表岩柱体的横向变形。这两种方法的不足之处均在于只能单一反应岩柱体侧面某一点或者是某一圆周上的横向变形量，我们知道岩柱受压所产生的横向变形并不是呈单一的线性，因此上述两种方法在实际操作中均存在较大误差。并对进一步得到岩体基本物理参数，如泊松比、体应变等存在更大误差。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能够反应岩石横向整体变形情况，测量精度高、误差小的岩石横向变形精确测量的方法。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种岩石横向变形精确测量的方法，包括以下步骤：

[0006] 1)试样处理：在待测的圆柱形试样侧面画出四等分垂直分割线，并将画好四等分垂直分割线的试样安置在单轴试验仪上；

[0007] 2)摄像机架设：两台高清摄像机分别正对相邻的两条垂直分割线支放，调整高清摄像机与试样的距离，使图像最为清晰，且两台摄像机与试样距离要求相等，在镜头中找到固定参照点；

[0008] 3)摄像机拍摄：开启单轴实验仪器，并同时开启两台摄像机进行拍摄，待实验结束停止摄像机拍摄；

[0009] 4)数据处理：将所述两台高清摄像机中拍摄的影像导入计算机，选取3个间隔为30秒的时刻对两台摄像机拍摄的图像进行截图，并插入到AutoCAD中，并按时间先后将3个时刻记为1、2、3；在CAD中把3个时刻的图像外部轮廓线描出，并缩放成与试样实际尺寸相等的大小；

[0010] 使用AutoCAD中的工具测量3个时刻左右两侧面轮廓线和原始侧线所围成的面积，分别计算左右两侧的等效横向变形相加得到试样的横向变形，3个时刻的轴向高度减去原始高度得到轴向变形，算出泊松比，并于单点测量进行比较；将3个时刻图形的面积测出，计算出图形的等效宽度，即为试样的等效直径，将两台摄像机的图像取平均值，得到试样的平均直径和平均高度，计算出试样的体积以及体应变。

[0011] 所述的高清摄像机每一台均都配有可调节的支架，每台摄像机的帧数应大于每秒20帧。

[0012] 所述两台高清摄像机架设相同的高度，即镜头焦点与试样垂直方向中点平行，以使试样更为完整的呈现在镜头中，减小视觉误差，提高测量精度。

[0013] 同时，应使摄像机的镜头与试样所组成的两条视线夹角为90°。

[0014] 所述两台高清摄像机拍摄的影像导入计算机中处理，使用Corel VideoStudio选取不同时刻截图，然后将图片放入AutoCAD中处理，得到精确数据。

[0015] 本发明提供的岩石横向变形精确测量的方法，具有以下有益效果：

[0016] 1、本发明采用的设备结构简单，操作方便，省时省力，可行性强，适用于单轴压缩实验中岩石试样的横向变形精确测量。

[0017] 2、利用本发明进行岩石试样横向变形测量时，一个人即可完成工作，且一次测量可记录试样横向变形的整个过程，得到更多更精确的实验数据。

[0018] 3、通过本发明，能够得到任意时刻，任意高度的位移图，有效地弥补了原有方法只能测量某点或者某一圆周的不足，可以一次性地测量两条侧面轮廓线的变化，可以观察到边界侧线不止向外扩张还有凹陷过程进而得到横向变形精确值。

[0019] 4、利用得到的变形数据能够更加精确地计算试样任意时刻的泊松比，与原有方法存在巨大差异，原有方法是在体积不变的前提下计算泊松比，此方法可以计算得到精确体膨胀量，进而可以判定张拉裂隙是使泊松比大于0.5的原因，在实验之前标志可能的张拉和挤压部位可以得到详细的数据。

[0020] 5、计算整个式样的体积变形量，得到精确体应变。

[0021] 6、计算结果可以知道具体变形破坏位置以及局部压缩或者膨胀。

[0022] 7、使摄像机的镜头与试样所组成的两条视线夹角为90°，使摄像机中试样的侧线即为相对的两条垂直分割线，好处是用四条等分垂直分割线的变形代表整个侧面的变形，更具代表性，提高测量精度。

附图说明

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0024] 图1是本发明的设备布置示意图。

[0025] 图2是本发明的设备布置俯视图。

[0026] 图3是现有技术中点式和环式两种传统测量方法的示意图。

[0027] 图4是摄像机拍摄轮廓线示意图。

[0028] 图5－8为测量实例中边界侧线变化示意图；其中图5中分别为新方法1号机左侧及传统方法左侧边界侧线变化示意图；图6中分别为新方法1号机右侧及传统方法右侧边界侧线变化示意图；图7中分别为新方法2号机左侧及传统方法左侧边界侧线变化示意图；图8中分别为新方法2号机右侧及传统方法右侧边界侧线变化示意图。

[0029] 图中，1、岩石试样，21为一号高清摄像机，22为二号高清摄像机，3、四等分垂直分割线；图2的Ⅰ代表一号高清摄像机所拍摄到的垂直分割线；Ⅱ代表二号高清摄像机所拍摄到的垂直分割线。

具体实施方式

[0030] 实施例：

[0031] 一种岩石横向变形精确测量的方法，包括以下步骤：

[0032] 1)试样处理：在待测的圆柱形试样侧面画出四等分垂直分割线，并将画好四等分垂直分割线的试样安置在单轴试验仪上；在四等分垂直分割线时用与试样颜色对比鲜明的标记笔画出，以便于摄像机拍摄；本例中的圆柱形试样直径48.7mm，高95.9mm，体积178544.381mm3；

[0033] 2)摄像机架设：两台高清摄像机分别正对相邻的两条垂直分割线支放，调整高清摄像机与试样的距离，使图像最为清晰，且两台摄像机与试样距离要求相等，在镜头中找到固定参照点；高清摄像机每一台均都配有可调节的支架，每台摄像机的帧数应大于每秒20帧；

[0034] 3)摄像机拍摄：开启单轴实验仪器，并同时开启两台摄像机进行拍摄，待实验结束停止摄像机拍摄；拍摄时在合适位置布置打光，使图像效果更好，两台高清摄像机的摆放位置和高度一旦确定，在整个实验过程中不能再改变；

[0035] 4)数据处理：即利用所测数据计算试样的横向变形、泊松比以及体应变，并与原有单点测量方法进行对比；

[0036] 具体如下：将所述两台高清摄像机中拍摄的影像导入计算机，本例中选用的摄像机帧数为每秒25帧，即精度为40ms；选取3个间隔为30秒的时刻对两台摄像机拍摄的图像进行截图，并插入到AutoCAD中，并按时间先后将3个时刻记为1、2、3；在AutoCAD中把3个时刻的图像外部轮廓线描出，并缩放成与试样实际尺寸相等的大小；

[0037] 使用AutoCAD中的工具测量3个时刻左右两侧面轮廓线和原始侧线所围成的面积，分别计算左右两侧的等效横向变形相加得到试样的横向变形，3个时刻的轴向高度减去原始高度得到轴向变形，算出泊松比，并于单点测量进行比较；将3个时刻图形的面积测出，计算出图形的等效宽度，即为试样的等效直径，将两台摄像机的图像取平均值，得到试样的平均直径和平均高度，计算出试样的体积以及体应变。

[0038] 计算数据见下表：

[0039] 表1 任意3个时刻CAD中所得数据

[0040]

[0041] 表2 任意3个时刻求得的体积

[0042]

[0043] 表3 两种方法所得体应变比较

[0044]

[0045] 表4 任意三个时刻横向变形面积

[0046]时刻 1左面积(mm2) 1右面积(mm2) 2左面积(mm2) 2右面积(mm2)
07：30：02 63.2278 38.8142 46.4631 74.6898
08：00：09 23.8602 8.4029 31.2401 35.2777
08：30：03 35.8274 17.241 33.8022 25.2589

[0047] 表5 任意三个时刻横向应变与轴向应变

[0048]

[0049] 表6 任意三个时刻两种方法求得泊松比比较

[0050]

[0051] 通过上述对比可知，本方法较原有方法精度有大幅度提高。

[0052] 所述两台高清摄像机架设相同的高度，即镜头焦点与试样垂直方向中点平行，以使试样更为完整的呈现在镜头中，减小视觉误差，提高测量精度。

[0053] 同时，使摄像机的镜头与试样所组成的两条视线夹角为90°,使摄像机中试样的侧线即为相对的两条垂直分割线，好处是用四条等分垂直分割线的变形代表整个侧面的变形，更具代表性，提高测量精度。

[0054] 上述实施例中：所述两台高清摄像机拍摄的影像导入计算机中处理，使用Corel VideoStudio选取不同时刻截图，然后将图片放入AutoCAD中处理，得到精确数据。

[0055] 本发明中的单轴实验仪器的操作及使用，根据相关标准实施。本方法主要针对单次实验，即仪器、摄像机的位置不能改变，如需进行多次实验，应对仪器、摄像机进行精确定位。

[0056] 在实验过程中，如受仪器限制，两台摄像机所成角度不一定成90°，可根据实际情况摆放，使两台摄像机仍可观测4条侧线(即四等分垂直分割线)即可。AutoCAD中应插入一张实验开始前试样的图像，并根据试样的原始尺寸确定比例因子并进行缩放，然后将所需时刻的图像插入，并按相同的比例进行缩放，之后再进行下一步操作。侧面上标记出的四等分垂直分割线是为了更好的观察试样的切向变形。