基于环绕测点子区分割的数字图像相关方法剪切带宽度测量研究

提出了一种致力于改善狭窄、高应变梯度剪切带宽度测量精度的数字图像相关方法.通过对测点的原始子区的有限分割,使后代子区环绕在测点周围,以使一些后代子区位于简单变形区域,进而以最佳后代子区的结果作为测点结果.通过对比提出方法和粗-细方法的虚拟剪切带宽度测量结果,验证了提出方法的有效性,并从理论上分析了剪切带宽度测量误差.研...     

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数，研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后，岩石的本构模型分别取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明，增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变，并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加，可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后，由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加，因而，轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时，岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比，甚至是负的体积应变；岩样失稳破坏的前兆更加明显。     

基于DIC方法的土样剪切带倾角的演变规律研究

采用数字图像相关(DIC)方法测量了单轴压缩长方体土样变形破坏过程中表面的应变场,并根据最大剪应变场研究了土样剪切带倾角的演变规律。剪切带倾角是通过对包含剪切带的四边形区域内最大剪应变逐行或逐列搜索获得的最大值对应的坐标进行线性拟合得到的。首先,分析了搜索方式及插值点的数量对剪切带倾角的影响,发现采用逐行搜索方法且当插值点的数量与原始测点的数量之比大于16时,获得的剪切带倾角比较准确;然后,对12个土样中24条剪切带的倾角的演变规律进行了测量,发现在剪切带发展过程中,剪切带的形状逐渐由不规则向规则转变,剪切带倾角的最大及最小变化量分别为9°和0.6°,剪切带倾角的范围为46.5°~72.3°,随着纵向应变的增加,剪切带倾角的演变规律主要包含5种模式。     

平面应变条件下含孔洞土样受内压作用的变形破坏过程

在不同加载速率下,利用自主研制的平面应变模型加载及观测系统对平面应变条件下含孔洞土样进行双轴压缩实验。垂压由试验机施加,土样受到的内压和侧压作用由气囊施加。在对土样施加内压和侧压后、进行位移控制加载前,操控数码相机对喷涂了散斑的土样表面图像进行拍摄,以记录土样在位移控制加载过程中的全部变形过程。利用数字图像相关方法获得土样的位移场,利用能较好滤掉位移场噪声的局部位移最小二乘拟合方法获得最大剪切应变的分布及演变规律。为了定量获得最大剪切应变且分析方便,根据清晰剪切带位置,布置曲折测线并在其两侧布置平直测线。研究发现：当加载速率较低且纵向应变达到一定值时,拉破坏导致土样的孔洞顶部和底部发展出高角度应变局部化带,而当加载速率较高时,未出现上述现象;当纵向应变较高时,在孔洞表面附近,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则逐渐下降;当纵向应变较高时,在离孔洞表面较远处,随着向孔洞表面的逐渐靠近,大多数剪切带内测线上的最大剪切应变逐渐增加,而大多数带外测线上的最大剪切应变则变化复杂。     

平面应变压缩岩样侧向变形特征数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法对岩样的应变局部化启动、传播、形成及侧向位移特征进行了数值模拟。在数值计算中,采用了莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。研究发现,试样的侧向位移具有非均匀性。由于端面约束的作用,接近试样上、下端面的节点的侧向位移远小于试样中部节点的侧向位移。在试样的上、下端面附近,由于弹性应变的恢复快于塑性应变的增加,因而,轴向压缩应力-侧向位移曲线出现了快速回跳现象。通常,可以通过检测岩样不同位置的侧向位移-时步曲线识别出变形局部化启动的时刻。相同高度的侧向位移-时步曲线最先发生分离的时刻,即为局部化启动的时刻。局部化启动之后,试样两侧的侧向位移具有非对称性,侧向位移变化具有非同步性。     

样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论，局部化带的尺寸由特征长度确定，得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明：剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和；轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比，其比例系数与剪切带倾角有关；轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量；当流动应力为0时，剪切带消耗的能量达到最大值；轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和；增加剪切带倾角，侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力，剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸，因此，不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”，将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论，可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上的失稳判据，结果表明，二者是相同的。失稳判据不仅和岩石材料的自身特性有关，还和岩石试件的结构尺寸相关。     

多孔介质岩土材料剪切带孔隙特征研究(1)——孔隙度局部化

基于梯度塑性理论，分析了剪切局部化引起的剪切带内部孔隙度的不均匀性。以剪切带内部的微小单元体为研究对象，假设剪胀引起的局部塑性剪切应变与局部塑性体积应变成比例，比例系数为扩容角，得到了局部孔隙度的解析解。结果表明，剪胀后的孔隙度、孔隙比、孔隙度增量、孔隙比增量、孔隙度变化率及孔隙比变化率均具有局部化特征，在剪切带中部其值最大。在应变软化过程中，剪切带内部的孔隙度、孔隙比、孔隙度增量及孔隙比增量越来越不均匀。随着剪应力卸载率的增加，孔隙度变化率及孔隙比变化率越来越明显。内部长度越小，剪胀后剪切带内部孔隙比梯度越大。内部长度不影响剪切带内部最大孔隙比，而剪切降模量则影响剪切带内部最大孔隙比和孔隙比梯度。     

考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

岩样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论,局部化带的尺寸由特征长度确定,得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明:剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比,其比例系数与剪切带倾角有关;轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量;当流动应力为0时,剪切带消耗的能量达到最大值;轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;增加剪切带倾角,侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力,剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸,因此,不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”,将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论,可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上     

岩样单轴压缩峰后泊松比理论研究

研究了单轴压缩岩样应变软化阶段侧向应变与轴向应变的比值(峰后泊松比)的变化规律。岩样的塑性变形假设根源于塑性应变局部化。岩样的轴向及侧向变形被分别分为两部分:弹性变形(由虎克定律描述)及由局部化引起的塑性变形(由梯度塑性理论及几何关系确定)。应变软化阶段的轴向应变-侧向应变曲线、轴向应力-轴向应变曲线及轴向应力-侧向应变曲线都得到了实验验证。在峰值强度时,峰后泊松比等于峰前泊松比。当压缩应力降至零时,峰后泊松比达到临界值。该临界值可能比峰前泊松比大,也可能比它小。峰后泊松比还和试件尺寸有关,这与峰前泊松不同。峰后泊松比与轴向压应力之间的关系可能是一条直线,也可能是上凸的,或上凹的。这取决于岩石的本构参数(弹性模量、剪切及软化模量、剪切带宽度及峰前泊松比)、试件的结构尺寸(试件宽度及高度)及剪切带倾角之间的关系。