岩石变形破坏的数字散斑相关方法研究

 采用白光数字散斑相关方法作为实验的观察手段,对单轴压缩条件下岩石变形破坏进行实验研究。根据实验中数据采集方式的不同要求,将实验分成2组进行：一组是通过CCD相机记录岩石加载全程的试件表面散斑图像,进行岩石加载全程的变形演化实验研究,根据计算结果对岩石加载全程的变形演化和变形集中区域的位移演化进行研究;另一组是通过高速相机记录岩石破坏瞬态过程的试件表面散斑图像,进行岩石破坏瞬态过程的变形演化实验研究,采用不同时刻的散斑图像作为参考帧,分别进行塑性硬化到峰值阶段变形场演化特征、峰值到破坏阶段变形场演化特征的分析。同时,实验研究中还得到试件加载过程中局部化带内变形量值、带内变形最大值与最小值之比,带内最大值与带外平均值之比,以及试件表面裂纹扩展的平均速度等定量参数。     

数字散斑相关方法在岩石破坏测量中的发展与应用

岩石材料的破坏涉及许多岩石工程的安全，直接导致地震等灾害的发生，因而一直是岩石力学界的重要研究课题。但是，这一研究目前尚缺少一种理想的实验观测方法。本文结合岩石破坏过程的特点和数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理，发展了一种专门适用于岩石破坏过程测量的DSCM系统，并用此系统对岩石破坏中的一些重要问题进行实验研究，得到了一些有价值的结果。     

用白光散斑法测量钢筋混凝土构件的变形

本文研究探讨如何将白光散斑法应用到钢筋混凝土构件变形的现场测试中去。总结出了一套完整的经验技术和方法。并对斜腹杆双肢柱构件在模拟地震荷载作用下节点处的应变场进行了现场测试,得到了较为理想的结果。     

白光散斑结构变形测试技术

详细介绍了工程测试分析方法———白光散斑法的原理、应用领域和测试方法。通过与传统电测法的比较说明该种方法的优越性,并论述了该种方法的实用性和可实施性。     

岩石材料基于天然散斑场的变形观测方法研究

许多类岩石材料由于其成分的原因在表面形成良好的散斑结构，用DSCM方法对这些岩石材料进行变形观测时可直接拍摄表面得到散斑图。基于这种天然散斑场的变形观测方法，进行了岩石材料变形的观测实验，验证了方法的可行性和优越性。     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

基于岩土渐进变形特征的数字散斑相关优化分析法

图像分析效率是数字散斑相关方法(DSCM)在岩土工程试验应用中的关键问题之一,而一些岩土类材料在荷载作用下的位移大小与方向具有缓慢变化的图像特征。为提高DSCM图像分析效率,提出了一种基于岩土渐进变形特征的“局部定向搜索”(LDSM)优化分析方法,给出了该方法适用的前提条件以及具体算法和实用公式,并在自行研制的数字照相量测软件PhotoInfor中编程实现了相应功能。此外,给出了“局部定向搜索法”的关键参数——搜索角度的推荐取值范围(30°~45°)。研究表明:“局部定向搜索”优化方法分析结果与常规方法相同;在搜索角度为45°时,其计算效率相对于常规方法提高(1.3~1.6)倍;随着测点数量的增多,计算效率呈现出一定的稳定性。局部定向搜索法对于DSCM在岩土力学与工程试验研究领域中的广泛应用,具有比较重要的的实用价值。     

数字散斑相关方法测定岩石I型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含I型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿–辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。     

浅谈数字散斑相关测量方法

指出数字散斑相关方法是一种高精度的二维面内位移与应变的测试方法,在理论研究与实际工程中都有着广泛的应用前景,并对影响数字散斑相关方法位移测量精度的热点问题进行了分析,以推广该技术。     

基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术研究

数字散斑相关方法是通过图像匹配的方法分析试件表面变形前后的散斑图像,跟踪试件表面上几何点的运动得到位移场,在此基础上计算得到应变场和应力场.与传统光学测量技术相比,具有光路简单、要求测量环境简单、可以在野外应用等优点.文章探讨将数字散斑相关方法运用于膜结构检测技术的理论依据、技术关键及研究意义.     

煤破坏过程中的温度演化特征实验研究

 以红外热像仪和数字散斑相关方法作为试验观测手段,对一种煤试件进行实验研究,观测和分析煤试件从变形到破坏过程中的变形演化、温度演化及二者的对应变化关系。研究结果表明：(1) 煤试件变形场演化主要体现为初期的均匀变形演化到加载峰值前的变形集中带形成,加载峰后阶段主要为变形集中带的加速滑动;(2) 煤试件温度场演化在加载峰前由于受压应力作用,内部质点间距发生改变的热力耦合效应引起温度上升,在加载峰后阶段由于变形集中带内煤体受拉剪作用及变形集中带的滑动,引起温度降低;(3) 煤试件在变形破坏过程中存在明显的温度场变化,且变形集中带内、外温度演化特征相似,加载峰前阶段温度增加,加载峰后阶段温度降低,但变形集中带内温度总体高于带外温度。     

岩石破坏动态变形场观测系统及应用

基于高速图像采集设备和数字散斑相关方法（DSCM）,建立了一套岩石破坏动态变形场观测实验系统,介绍了系统的组成和原理,重点阐述了用于岩石动态变形测量时光源的选择、采集速率的设置和图像采集的触发等关键技术。用此动态变形场观测实验系统可完成动（静）态载荷作用下岩石破坏瞬间试件表面图像的准确高速采集,并进一步完成变形场的定量分析。用设计的系统完成了岩石巴西圆盘实验和岩石I型裂纹动态断裂实验,对动态变形场观测实验系统的可行性和有效性进行了验证。观测系统获得的脆性岩石失稳破坏过程中动态、定量的变形场数据可为深入研究岩石失稳破坏机理提供基础的数据和认识。     

循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

 将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130 kN,频率为0.04 Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明：循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。     

冻融腐蚀后大理岩变形局部化规律研究

为探索冻融腐蚀后大理岩变形局部化规律研究,采用人工配制的酸性溶液对大理岩开展了化学腐蚀与冻融循环,并对冻融腐蚀后的岩石进行了单轴压缩试验。同时,使用CCD摄像机分别采集了原始岩样、冻融腐蚀15次、冻融腐蚀30次后的大理岩加载过程中的散斑场,通过数字散斑相关方法对采集的散斑场进行分析处理,得到了3种状态下大理岩岩样在加载过程中不同时刻的最大剪切应变场,观测了最大剪切应变场的演化过程,得到了冻融腐蚀共同作用下大理岩的裂隙演化与变形规律,同时对大理岩岩样整体与局部化带外区域(弹性区)的能量演化特征进行分析。研究结果表明:(1)从原始岩样、冻融腐蚀15次岩样到冻融腐蚀30次岩样,形成初始局部化带峰值强度占比降低,稳定局部化带时强度占比提高,稳定局部化带宽度增大;(2)随着损伤程度的加剧,岩样整体与局部化带的能量演化趋势相同,在能量积累阶段,岩样的弹性最大变形能密度随着损伤加剧而降低;在能量释放阶段,岩样能量释放速度随着损伤程度的加剧而降低。     

岩石破坏过程中试件表面应变场演化特征研究

 分析了2种岩石试件(一种大理岩方柱试件和一种含圆孔大理岩平板试件)在单轴压缩下试件表面的应变场演化过程,得到了最大剪应变场的特征统计量(方差S)随加载的演化规律：S值在试件的均匀变形阶段较小且变化缓慢,在试件的非均匀变形段急剧上升。根据S值的变化趋势,将2个试件的变形破坏过程划分为5个不同的阶段,并给出了5个阶段的代表应变场,总结了各阶段的变形特征。应变局部化是其中一个重要阶段,是联系岩石均匀变形和非均匀变形的“桥梁”。实验结果表明,2个试件的应变局部化开始于加载曲线峰值前非常接近峰值的时刻(方柱试件为99.2%峰值应力处,含圆孔平板试件为92.2%最大载荷处),结束于峰值点。峰值后岩石试件的变形主要表现为弱化带和宏观裂纹的活动。     

光测方法在岩石力学实验观测中的应用述评

综述了常用光测方法在岩石力学实验观测中的应用,总结了这些光测方法相对于岩石力学中常用的其他方法的特点。最后在分析岩石力学实验观测新趋势的基础上,指出发展一种以数字散斑相关方法(DSCM)为基础的岩石力学观测系统,将可以满足岩石力学观测中的新的需要。     

数字照相量测在岩石隧道模型试验中的应用研究

在节理岩石隧道的三轴相似模型试验研究中,应用数字照相变形量测技术,采用自行研发的岩土工程数字照相量测软件系统PhotoInfor,对隧道围岩的变形破坏模式和不同围压作用下的变形破裂演变过程进行试验观测和定性、定量分析;针对隧道围岩破裂带量测难点问题,提出一种基于图像相关分析的围岩破裂带的准确识别新方法——图像钻孔法,通过在试验图像上沿着隧道周边径向设置多组pixel测点(一组测点称之为一个图像钻孔,各组测点间距为1pixel),利用PhotoInfor得到隧道围岩破裂带分布图,根据各组图像钻孔测点位移的突变位置,可对围岩破裂带的范围进行准确界定,同时发现,隧道围岩破裂带产生后破裂区内岩块再破裂的现象,这将有助于进一步深入分析岩体破坏后的力学行为。研究结果表明:数字照相量测不仅在砂土模型试验中应用效果良好,也是岩石相似模型试验中有效的变形量测手段,在岩土力学与岩土工程试验研究领域中可广泛进行推广应用。     

含动态裂隙岩体的高精度数字散斑相关量测方法

数字图像相关与相关系数计算是数字散斑相关方法（ DSCM ）的基本原理与基础算法,然而,岩体在产生裂隙前后,会导致裂隙区数字图像相关性的明显改变和依据相关系数计算结果的错误判断,因此,常规以点为中心来构建图像相关分析像素块的方法必然会产生较大误差甚至错误。为此,基于岩体裂隙的分布特征及其简化型式的分析,提出一种简单有效的新方法——“一点五块”法以消除裂隙影响,在自行研制的 PhotoInfor 软件系统中实现了这一功能,并针对一含双孔岩石试件单轴压缩下的变形与破裂过程进行了应用研究。结果表明：①“一点五块”法有效解决了含有动态裂隙岩体的 DSCM 量测的精度问题,巩固了数字照相量测技术在岩石破裂演变全场精细观测实验中的优势地位;② “ 一点五块 ” 法同时可作为一种 DSCM 通用精度提高算法,应用于包含动态裂隙与非动态裂隙的材料变形量测中;③在岩石单轴压缩过程中, DSCM 获得了岩体变形破裂演变过程与轴向应力之间的关系,发现了岩体在峰值附近开始出现局部较大剪应变,但岩体结构的严重破坏则发生在接近残余应力阶段;④ DSCM 能够揭示岩体内部结构破裂情况与孔洞周围变形之间的时间关系,从而为进一步研究通过孔洞洞壁的位移来预测围岩内部变化的方法提供一个有效的手段。