基于数字图像相关方法的压头载荷作用下岩石变形破坏的实验研究

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1、天津大学2013届本科生毕业论文中文译文基于数字图像相关方法的压头载荷作用下岩石变形破坏的实验研究张皓，黄干云，宋海鹏，亢一澜摘要实验中，砂岩试件是由一个圆柱形压头进行加载直到试件破坏。在加载的过程中，具有无损的光学技术的数字图像相关方法（DIC）将记录下砂岩试件表面的渗透力曲线和变形场。通过DIC分析实验结果，裂缝和裂纹出现的长度演化已经可以确定下来。在试件开裂之前，DIC分析进一步揭示了在一些区域可能作为剪切裂纹的劈裂断裂模型的滑移。从这个意义上说，通过对应于此压缩实验的劈裂断裂模型和实验结

2、果对比可以表明，劈裂断裂机理可能在压头载荷作用下砂岩试件的破坏过程中占主导地位。关键词：压缩，数字图像相关方法，裂纹识别，劈裂断裂模型1.介绍机械开挖，如钻孔和隧道掘进机，在采矿业、交通运输和地下空间开发利用中起着重要的作用Error!Referencesourcenotfound.。各种开挖机械对岩石的切割可以简化为楔形或其他形状压头对岩石的压缩Error!Referencesourcenotfound.。岩石的压缩是采用机械方法开挖和破碎岩石的基本过程，因此，我们有必要深入研究岩石在受压过程

3、中变形和破坏的基本机制。压头压入引起的岩石变形和破坏涉及到许多复杂的现象，如赫兹裂纹、径向裂纹、中位裂纹和横向裂纹等各种形式的裂纹Error!Referencesourcenotfound.。基于Boussinesq解，像最大切应力准则和最大拉应力准则，被认为是适用于压头载荷作用下的岩石破坏机制Error!Referencesourcenotfound.。当Boussinesq应力在载荷点奇异时，需要引入考虑非弹性变形区的空腔膨胀模型Error!Referencesourcenotfound.。

4、对于岩石受压破坏过程，其他机制如劈裂破坏模式也被提到Error!Referencesourcenotfound.。在另一方面，人们通过更多的实验观察岩石的破碎现象,对压缩载荷下岩石的破坏机制的有了进一步了解Error!Referencesourcenotfound.。结合声发射技术和电子散斑干涉测量技术我们已经确定压头载荷作用下的非弹性变形区域的扩展可能导致随后拉伸裂纹的形成Error!Referencesourcenotfound.12天津大学2013届本科生毕业论文。然而值得一提的是，在加载

5、过程中位移场信息仍然缺乏。同时，如果获得这些信息将具有重要的意义，因为通过它我们可以检测出可能发展成裂纹的核。因此，通过获得整个加载过程直到最终破坏的位移场，将大大提高我们对岩石破坏机制的理解。而数字图像相关方法可以很好的达到目的Error!Referencesourcenotfound.。事实上，由于DIC具有非接触、实时监测、全场、测量范围宽等优点，使我们有了可能在样品名词解释表面测量位移和应变Error!Referencesourcenotfound.。这项技术已成功地应用在单轴压缩试验中

6、用以研究岩石破裂过程Error!Referencesourcenotfound.。在本文中，压缩试验通过DIC技术观测四川砂岩试件的变形和破坏过程，最终得到其位移场。有了位移场，也就获得了它的位移梯度场。然后，我们提出并验证了以位移梯度为基础的裂纹识别方法，并分析出载荷下变形和裂纹扩展的演变过程，从而得到了岩石劈裂破坏模式占主导的结论。12天津大学2013届本科生毕业论文2.实验2.1．实验试件和加载系统压缩实验在同样尺寸为150×100×20mm的四川砂岩上进行。实验室测试表明，四川砂岩的弹性

7、模量为时，泊松比为，无侧限抗压强度为。该测试系统包括一个CSS-44100电子万能试验机，最大载荷为100kN，由约束夹施加侧压力。岩石试件由一个圆筒状的压头（直径20mm）以0.1mm/min的恒定加载速度进行加压，直到试件破坏。同时，通过一个数据采集系统连续地记录载荷-位移曲线。2.2．数字图像相关技术（DIC）的实验原理数字图像相关技术通过比较试件变形前和变形状态下的数字图像，从而推断出与之相对应的位移变化Error!Referencesourcenotfound.。由于具有非接触式、非破

8、坏性和光学装置简单的特性，DIC在很多领域被用于测量工程材料和一些结构的变形和断裂参量Error!Referencesourcenotfound.。图1.加载装置：（a）原理图;（b）通过CCD拍摄的图像DIC的实验装置包括一个具有1004×1003像素分辨率的BaslerA202kCCD相机、Matrox采集卡和两个白色的灯（如图1）。CCD捕获区域的实际范围为62×62mm，因而成像系统的长度像素比约为61.7μm/像素。选择用于DIC计算的区域为40×40mm。通过理论分析，实验的位移误差