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。     

用数字图像相关技术进行岩石损伤的变形分析

提出用数字图像相关技术研究含微裂纹的岩石的变形。在不同载荷作用下，用扫描电镜获得细砂岩表面的灰度分布图，用相关分析处理灰度分布图获得位移分量。将加载和卸载试件表面的灰度分布图进行相关计算，得到的位移分布与微裂纹分布密切相关，在裂纹附近，位移指向裂纹，大小和方向都很不规则，而远离裂纹，位移的方向较一致，大小变化也不大，表明在微裂纹所分隔的不同区域内，位移场是不同的，表现出岩石损伤中的微裂纹的张开或闭合效应。最后对该系统在地震、滑坡、岩体工程和地形变等领域非接触变形测量中的应用前景进行了讨论。     

基于DIC方法的混凝土压缩试件裂纹识别

基于特殊设计的混凝土试件单轴压缩破坏试验,结合高分辨率CMOS采集到的逐级加载过程中的变形图像,采用数字图像相关方法(Digital Image Correlation,以下简称DIC方法),应用由MATLAB和C++语言混合编程的开放式二维数字图像相关方法计算平台,研究分析了混凝土试件表面受力变形直至破坏全过程位移场分布、特点,计算获得了较为准确的试件裂纹表面形态、长度、位置等数字化的基本裂纹信息,为进一步直接、准确地建立混凝土试件或构件的裂纹有限元分析模型,以及进一步研究混凝土结构的破坏特征和断裂机理有着重要的意义和价值。     

目标追踪算法在岩石表面变形测量中的实现与应用

变形测量是岩石力学理论研究和工程实践的基础，数字图像相关算法在岩石变形测量中得到了广泛的应用，但在实际应用中存在位移云图边缘检测收敛性差、定量刻画参数少等问题。基于此，将目标追踪方法引入到岩石变形测量领域，提出基于目标追踪算法的岩石表面变形测量方法，该方法通过Harris角点检测，获取图像中关键特征点的位置，之后采用KLT算法计算出跟踪点在变形后图像中所对应的位置，从而确定岩石表面的全场位移。为验证算法的可靠性，开展室内岩石剪切试验，对比分析目标追踪算法和数字图像相关算法的试验结果。研究结果表明：目标追踪算法能够实现岩石表面的非接触位移测量，相比数字图像相关算法，精度和稳定性有一定提升。目标追踪算法解决了数字图像相关算法在岩石边缘处变形量计算不收敛、稳定性差等问题，真正实现了在可计算范围内全场位移量的拾取。提出利用信息熵来定量刻画岩石破坏过程变形场的演化特征，有助于更全面、更准确地分析岩石在各种复杂外载荷作用下的力学行为。所提出的一种新的岩石表面变形场测量方法，为可视化研究岩石表面变形演化规律及损伤特征提供有效的技术手段，同时也为岩土工程领域非接触变形测量提供一定借鉴。     

岩石压剪耦合破坏过程的实时监测研究

将实时激光全息干涉光路布置与岩石力学压剪加载装置组构成光学-力学最优匹配测量系统，通过数据图像采集系统，实时动态捕获了压剪应力作用下花岗岩岩样压剪耦合破坏全过程的实时全息干涉图；根据全息干涉条纹解释原理和图像处理计算，试样表面动态干涉条纹的分布与移动规律高精度直观地揭示了岩石压剪耦合破坏过程中局部变形场分布、微破裂微裂纹的演化路径与速率以及岩石失稳破裂的力学性状。结果表明，该方法能够为岩石损伤与断裂力学问题的研究提供有效的试验技术支持。     

楔刀作用下含水平节理岩体的位移场特征及损伤演化试验研究

 为了研究水平节理对盘形滚刀破岩机制的影响,对实际条件进行简化后,在改进的试验装置上进行楔形刀具作用下相似材料的贯入破坏试验。用CCD相机对试件表面的变形、破坏过程进行实时拍摄,并采用数字散斑相关方法对采集图像进行分析,获得试件表面的位移场分布特征。通过位移场方差的演化对节理试件刀具荷载下的破坏进行表述。在采用相机拍摄数字图像的同时,采用声发射测试系统对试件破坏过程中微破裂源进行二维平面定位,研究含水平节理试件在楔形刀具作用下微震裂源的形成机制和微破裂分区聚集成核的特点。     

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。     

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。     

基于真实细观结构的岩土工程材料三维数值分析方法

提出基于真实细观结构的岩土工程材料三维数值分析方法。运用数字图像技术，将岩土工程材料的表面图像转换为材料的真实矢量细观结构。然后通过一种简单变换，将该矢量结构转换为单层的三维结构。最后采用研磨及扫描循环系统，逐步扫描并生成每一层材料的表面细观结构，将这些沿深度方向连续的细观结构逐层逐层叠加起来，从而形成了整个试件的三维真实细观结构。该细观结构可以与传统数值计算方法耦合来分析非均质岩土工程材料的力学性能。以香港花岗岩为例，采用有限差分法软件FLAC^3D，分析岩石在单轴受压情况下的三维应力分布及裂纹的产生及扩展过程。计算结果显示真实细观结构能显著影响材料的力学性能及破裂模式。     

粉煤灰掺量对应变硬化水泥基复合材料力学性能及损伤特征的影响

通过单轴拉伸、三点弯曲和抗压强度试验，研究粉煤灰掺量对应变硬化水泥基复合材料（SHCC）力学性能和损伤特征的影响，并利用数字图像相关技术对整个拉伸加载过程进行分析，提出利用开裂面积和分形维数量化SHCC试件的损伤程度，得到SHCC在加载过程中的应变演化和损伤特征.结果表明：随着粉煤灰掺量的增加，SHCC的拉伸强度、抗压强度及抗弯强度均逐渐降低，耗能能力逐渐提高，变形性能得到改善，但损伤程度增加；通过数字图像相关技术获得的应变云图可以直观观测SHCC的应变演化；开裂面积比和分形维数能够有效表征SHCC的损伤程度及开裂复杂性，可作为描述其损伤的度量指标.     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

用数字图像相关技术进行红砂岩细观裂纹损伤特性研究

通过对红砂岩试样应变响应和表面裂纹图像的同步观测试验,以及试样表面细观裂纹萌生、扩展图像信息的采集和量化方法的研究。提出了用数字图像相关技术处理不同含水状态下红砂岩试样动态变形过程中的灰度分布图;并去除微裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学之间的关联。为了获得试样微观预制裂纹扩展的定量描述,引入裂纹损伤度与损伤张量2个物理量,定量评价了含水状态下红砂岩预制细观裂纹动态渐进扩展损伤特性,进一步了解了单轴压缩状态下细观裂纹扩展的演化规律。     

带裂纹花岗岩试件三点弯变形演化及破裂机制

为建立岩石工程灾害精准预测预报体系,开展含预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验,研究岩石试样变形演化及破裂机制。以声发射技术和数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过矩张量反演方法研究岩石破裂类型。通过对岩石预制裂纹扩展长度及声发射振铃计数、能量和体积参数进行分析,研究岩石试件变形演化特征和破裂机制。研究结果表明:(1)三点弯岩石试样裂纹扩展具有明显的阶段性和不连续性,其过程为某次裂纹扩展 微裂纹静默积累-裂纹再次扩展;(2)预制裂纹扩展与不同破裂类型裂纹的声发射指标具有相关性。预制裂纹扩展时,张拉裂纹体积参数、能量和振铃计数随之出现;预制裂纹扩展前后,3种类型裂纹体积参数、能量和振铃计数随机产生;在预制裂纹长度保持稳定不变时,没有声发射信号产生;(3)裂纹扩展后到下一次裂纹扩展前,先是在贯通裂纹尖端附近随机出现各种破裂类型的裂纹,随着微裂纹的积累,贯通裂纹所主导的裂纹类型占比开始增加,直至产生新的贯通裂纹。     

数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明：采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

用数字图像处理技术进行膨胀红砂岩细观结构动态劣变特征研究

针对南京红山窑水利枢纽工程红砂岩具有微膨胀、易风化、易湿化的特点,采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、MTS81503岩石力学刚性电液伺服试验机等先进设备为测试手段,获得大量红砂岩在不同吸水时间下的细观结构照片,并对图片进行灰度处理,提出用数字图像相关技术处理不同含水状态下红砂岩试验随时间动态劣化过程的灰度分布图;进一步探讨不同注水时间的红砂岩细观结构劣变状态及裂纹扩展的定量描述,从而为分析与定量评价膨胀红砂岩随时间膨胀变形破坏机制,寻求一种可靠的研究方法.这一结果对南京红山窑水利枢纽工程地基处理方案设计与施工具有重大的参考价值.