[發明專利]一種巖石壓縮破壞預測方法

在審

• 申請號: 201710390636.5
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107101888A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 陳凡秀;王日龍;馬鴻洋;張黎明
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 青島高曉專利事務所37104
• 代理人: 張世功

技術領域:

本發明屬于巖石破壞預測領域，涉及一種巖石壓縮破壞預測方法，從數字圖像相關方法中獲取全場應變，從其中選出典型點作為研究對象，探討典型點破壞前后應變變化規律，從中找到破壞的應變閾值，從而實現巖石破壞預測。

背景技術：

傳統的力學研究通常假定材料是連續均勻的，不考慮材料本身的缺陷或者裂紋，但是地下巖體中裂紋隨處可見，而且由于裂紋的存在大大降低了巖體的宏觀剛度，使得掩體的變形加劇，導致工程事故的發生。現有技術中，一般學者在研究巖石破壞時以理論分析為主，提出了各種巖石強度準則及修正方法，包括應用最早也是最廣泛的莫爾-庫倫準則，但是由于巖石的復雜性及隨機性，這些方法普遍存在缺陷，對很多問題并沒有解決好的解決辦法。后續有學者對上述方法進行改進和修正，也有學者提出統一強度理論，但沒有哪一種理論能夠完全描述巖石破壞機理；還有一部分學者采用數值模擬的方法研究巖石破壞，陳新等用ABAQUS有限元軟件進行模擬計算及起裂機制分析；胡明研應用ABAQUS有限元軟件對層狀復合巖石進行數值模擬研究，但是他們大多數都有一定的理論支持，數值模型以驗證可行性為目的。

通過實驗的方式研究巖石，能夠最直接獲得有效數據，隨著研究方法的不斷進步，對于巖石的研究也不斷加深，周火明等人用CT研究巖石，但是CT在普通實驗室難以實現，這也限制了其發展，而數字圖像相關法相比于其他方法具有以其非接觸式測量全場應變等優點，因此被廣泛應用于巖石研究，但是傳統的壓縮試驗，只能得到巖石破壞之前的應力-應變關系曲線及其峰值強度，這對巖石工程的發展和巖石力學性質的深入研究，已遠遠不能滿足要求，因此本發明設計一種預測巖石破壞的方法，從數字圖像相關方法中獲取巖石的全場應變，探討典型點破壞前后應變變化規律，從中找到破壞的應變閾值，從而實現巖石破壞預測。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計一種巖石壓縮破壞預測方法，提取巖石破壞過程中典型點在破壞前后的應變-時間關系，尋求巖石破壞時應變的大小，以實現巖石破壞的預測。

為了實現上述目的，本發明在巖石壓縮破壞預測裝置中實現的，該裝置的主體結構包括：萬能試驗機、萬能試驗控制系統、CCD工業相機和電腦，萬能試驗機用以壓縮砂巖試樣，萬能試驗控制系統與萬能試驗機連接，用以控制萬能試驗機的啟動和停止，所述萬能試驗機的前方置有CCD工業相機，用以對萬能試驗機在壓縮砂巖試樣過程進行圖像采集，所述CCD工業相機與電腦相連，用以保存采集的圖像。

利用該巖石壓縮破壞預測裝置進行巖石壓縮破壞預測，具體測試方法按照如下步驟進行：

1、選擇砂巖試樣的尺寸為直徑50mm，高100mm的圓柱體，將砂巖試樣的前表面噴黑色啞光漆作為散斑，散斑用以作為對比變形前后的重要信息，所述散斑均勻隨機分布；

2、調試CCD工業相機和萬能試驗機，將砂巖試樣置于萬能試驗機的正中間位置，并將砂巖試樣上噴有散斑的一面朝向CCD工業相機，將萬能試驗機的加載速度調至0.1Mpa/s，采集速度2幅/s，光源采用普通白光，根據成像亮暗程度進行光源亮度增減，以使光源達到符合要求的亮度；

3、按照步驟2所述方式調整好位置后，利用CCD工業相機拍攝一幅bmp格式圖像作為變形前的原始參考圖像存儲至電腦，作為初始對比圖像備用；

4、啟動萬能試驗機和CCD工業相機，利用CCD工業相機采集萬能試驗機壓縮砂巖試樣過程的圖像，并將采集到的圖像作為變形后的序列目標圖像；上述過程持續至砂巖試樣壓縮破壞后，關閉萬能試驗機和CCD工業相機，結束圖像采集；

5、從步驟4中將采集到的圖像挑選出10-15幅備用，圖像選擇以臨近破壞時間段為主；

6、利用數字圖像相關方法，對步驟3采集得到的原始圖像和步驟5篩選的變形后的目標圖像進行對比分析，得到變化后的圖像相對于變化前的圖像的位移和應變信息，其中，數字圖像相關方法的原理是：利用對比變形前后兩幅圖片的灰度信息，尋找到與變形前相關性最大的區域作為變形后的子區，從而計算得出變形后的位移和應變信息，具體相關性計算公式如下：

其中:f(x,y)和g(x+u,y+v)分別表示圖像各個像素點的灰度值；f_m和g_m是其圖像子區的平均灰度值；u、v是子區中心的位移，單位為像素；