巖土材料變形局部化的實(shí)驗(yàn)研究

1、第 2 7 卷第 3 期 2 0 0 2年 6月煤 炭 學(xué) 報(bào) J OURN ALOFC HI NA C OALS OCI E T Y V o 1 ． 2 7N o ． 3J u n e2 0 0 2文章 編號(hào) ： 0 2 5 3—9 9 9 3 ( 2 0 0 2 ) 0 3— 0 2 8 1 一o 4巖 土 材 料 變 形 局 部 化 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 潘一山， 楊小 彬， 馬少 鵬， 徐秉業(yè)( 1 ． 遼 寧工程技術(shù)

2、大學(xué) 力學(xué) 與工程科學(xué) 系 ，遼寧 阜新 1 2 3 0 0 0 ； 2 ．清華大學(xué) 工程力學(xué) 系，北京 1 0 0 0 8 4 )摘 要 ：采用白光數(shù) 字散 斑相 關(guān)方法研究 了巖土材料破壞過(guò)程 出現(xiàn)的變形局部化現(xiàn)象，得到 了花 崗巖 、煤 、土 3 種材料變形局部化 開(kāi)始時(shí)刻、寬度、傾 角及 演化規(guī)律 ，實(shí)時(shí)、定量地跟蹤和測(cè) 定 了巖 土材 料 破 壞 的全 過(guò) 程 ．關(guān)鍵詞 ：變形局部 化；白光數(shù) 字散 斑；巖土材料 中 圖分 類

3、 號(hào) ：T U 4 5文 獻(xiàn)標(biāo) 識(shí) 碼 ：A變形局部化是巖土材料 的一個(gè)重要特征 ， 目 前 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者采用不同的方法研究了局部化現(xiàn)象 ，如 鄭捷等人?采用光彈貼片方法研究 了濟(jì)南輝長(zhǎng)巖的變形局部化 ，但 在局部化開(kāi)始后光彈貼片已失 去作用 ，同時(shí)光彈貼片大大地影響了巖石的變形 ；B e r t h a u d [ 2采用激光散斑研究了脆性巖石 的變 形局部化 ，該 方 法測(cè)量 區(qū)域較小 ，光路布置復(fù)雜 ；此外鄭捷 和 B e r

4、t h a u d都未能定量 觀測(cè) 出變形局部 化帶的寬度 ，同時(shí)也 未能實(shí)時(shí)觀測(cè)到局部化的全過(guò)程．本文采用 白光數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)定量實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)了巖土材料的全程破 壞過(guò)程 ，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到了局部化的開(kāi)始時(shí)刻和局部化帶 的寬度．1白光 數(shù)字散 斑相 關(guān)方 法 數(shù)字散斑相 關(guān)方法 ( D S C M)是 在 2 0世紀(jì) 8 0年代 由 日本 的 I ． Y a m a g u c h i和美 國(guó) 的 W． H ． P e t e r 及

5、W． F ． R a n s o n等人 同時(shí)獨(dú)立提 出來(lái)的．該方法采用攝像機(jī)采集變形前后被測(cè) 物體 的兩 幅散斑 圖，經(jīng)模數(shù) 轉(zhuǎn)換得到數(shù)字灰度場(chǎng) ，通過(guò)兩幅數(shù)字灰度場(chǎng)的相關(guān)識(shí)別來(lái)達(dá)到位移測(cè)量的 目的．該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要做 復(fù)雜的預(yù)處理工作 ，直接從被測(cè)物體表面 自然或人工形成 的斑點(diǎn) ，通過(guò)數(shù)字 圖像處理技術(shù)提取所需 的變形 信息 ，同時(shí)對(duì)光路要求相對(duì)簡(jiǎn)單 ，光源可以是激光或 白光．但激光適合于小變形測(cè)量 ，對(duì) 于大變形 的散斑 場(chǎng)

6、就很難得到較高的相關(guān) 系數(shù)．巖石的局部化實(shí)驗(yàn)要求觀測(cè) 的視場(chǎng)較大 ，而且?guī)r石接 近破壞 時(shí)變形較大 ，尤其在局部化帶 內(nèi)，所 以本文采用 白光光源作 實(shí)驗(yàn)．此外將粒度為 2 0～ 3 0m的玻璃微珠漆噴 涂在巖石 試件的表面形成人工散斑場(chǎng) ，這種漆噴涂在物體表面后形成 的散斑場(chǎng) ，當(dāng)用與攝像機(jī) 同軸方 向白光照射時(shí) 具有較高的反差 ，且這種漆 的剛度大不易變形 ，能夠形成穩(wěn)定 的散斑場(chǎng)．采用 白光數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)研究 煤巖破壞局部化現(xiàn)象

7、 ，其散斑相關(guān)公式為 廠 — ——————— _ 廠 — ————————_C = ∑∑[X i) 一 力 [ g (，) 一]／[) 一 門(mén)√[ g (，) 一 g ]． ( 1 )i1 ，1一 ‘JJ‘一 。。其 中 ， f (，Y 。 )為變形前散斑場(chǎng)的灰度值 ； f 為其 平均值 ； g (，)為變形后散斑場(chǎng)的灰度值 ；為其平均值 ；C為相關(guān)系數(shù)．式 ( 1 )可以消除背景光強(qiáng)的影響 ，相關(guān) 系數(shù)具有較好 的單 峰性．在散斑 圖

8、的處理過(guò)程 中，采用 了十字搜索法 ，其測(cè)量精度可達(dá)到 0 ． 0 1 個(gè)像素．2 巖 土材料 的變 形局部化 實(shí)驗(yàn)研 究 ( 1 )花 崗巖的局部化 實(shí)驗(yàn)研 究 將花崗巖加工成 5e m× 5e m× 1 0e m的標(biāo)準(zhǔn)試件 ，選其 中一個(gè) 比較光 收稿 日期 ：2 o 0 1 — 0 9 — 1 8維普資訊 http://www.cqvip.com 第 3期 潘一 山等 ：巖土材料 變形局部 化的實(shí)驗(yàn)研 究

9、2 8 3￡ ×l O 。 3(a )像素 ( c)3 0 02 2 0l 4 0( b)( d )應(yīng) 變 圖 5 煤的局部 化試驗(yàn) F i g5De f o r ma t i o nl o c a l i z a t i o ne x p e r i me n to fc o a l( a ) 煤樣 的全 程應(yīng)力 一 應(yīng) 變曲線 ； ( b ) 煤樣 1 — 4步加 載表面最大剪應(yīng) 變場(chǎng) ； ( c ) 煤 樣 4～ 7步加

10、載最大 剪應(yīng) 變場(chǎng) ； ( d ) 煤樣破壞后 表面散斑場(chǎng) 0 ~ 0 5 — 0L————?！猒——— l O 03 0 05 0 07 0 09 0 0e ×1 0 。(a)l 0 03 0 05 0 07 0 09 0 0l O 03 0 05 0 07 0 09 0 0像素 1 0 03 0 05 0 07 0 09 0 0像 素 ( d)00 0 45t0 ． 0 0 36應(yīng) 變 00 3 85圖 6 土的

11、局部化 試驗(yàn) F i g ． 6De f o r m a t i o nl o c a l i z a t i o ne x p e r i me n to fs o i l( a ) 土試樣的全程應(yīng) 力 一 應(yīng)變曲線 ；( b ) ，( c ) ，( d )土試樣 1 9 ，2 0 ，2 1 加 載步的最大剪應(yīng) 變場(chǎng) mmmmm № W_ 。 l哪8 l 4 7 如“0毗00m仉。 譬■ ● ● ● ■ I ?？Ш鳍?yuàn)櫋?/p>