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。

岩石圆孔结构破坏过程变形场演化的实验研究

采用自行设计的岩石材料破坏过程变形场监测系统(Geo-DSCM系统),观测了受单轴压缩的岩石圆孔结构破坏过程中的变形场演化。圆孔结构由大理岩方板在中心钻孔加工而成,以0.02 mm/min的位移加载速度进行单轴压缩至破坏。实验结果表明,载荷水平较低时圆孔结构的拉应力集中部位发生变形集中现象;当载荷水平接近加载曲线的峰值点时,变形集中在两条共轭的与加载方向成一定角度的局部化带上;之后,变形的集中迁移到其中一条带上集中,结构最终在此带上形成宏观裂纹而破坏。

数字图像灰度相关性用以描述岩石试件损伤演化的研究

岩石试件表面的数字图像可作为试件表面变形或裂纹扩展的信息载体。为从加载过程中记录的数字图像中分析出定量的信息,提出一种新的分析方法:计算两幅图像灰度的相关性,用灰度相关性的分布表征变形和破裂的发展。介绍了图像灰度相关性的计算方法,并用模拟的变形和破裂图像验证了灰度相关性在表征变形与破裂上的有效性,最后用此方法对一个岩石结构加载过程中的图像序列进行分析。结果表明,图像灰度相关性分布的演化与结构的变形局部化演化在空间和时间上都存在对应关系。因此,试件表面数字图像灰度相关性可作为描述岩石材料损伤演化的一种工具。

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。

数字散斑相关方法用于岩石结构破坏过程观测

介绍了数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及用 DSCM 进行岩石力学实验观测的观测系统,用此系统进行了一个岩石圆孔结构变形破坏过程的变形场观测,实验结果显示了此种岩石结构的复杂破坏过程。岩石结构的破坏经历损伤的积累及局部化过程,结构最终沿某一局部化带发生宏观破坏,但局部化带的演化在时间和空间上均不稳定,甚至存在跳跃与竞争现象。

白光DSCM方法用于岩石变形观测的研究

本文分析了白光 DSCM(数字散斑相关测量 )方法用于岩石材料表面变形观测的可行性及优越性 ,并根据岩石材料变形的特点将普通的 DSCM方法进行改进 .DSCM方法应用于岩石变形观测中 ,使观测过程得到简化 ,同时有助于解决岩石力学中一些难题 .文中的实验结果证实了该方法的可行性和优越性 .

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。

力学虚拟实验系统及其在实验力学教学中的作用

力学实验教学中普遍存在的仪器和师资不足的问题严重影响了实验教学效果.本文发展了一套基于虚拟现实技术的力学虚拟实验系统,不仅能仿真实验结果,而且能仿真实验仪器和实验操作过程.系统可实现光弹性、电子散斑干涉、几何云纹、投影条纹、数字图像相关以及应变片实验共6个实验的仿真模拟.力学虚拟实验系统可作为常规实验力学教学的重要补充,在很大程度上缓解实验力学教学中存在的问题,改进教学效果.

室外竞技状态下运动员姿态摄像测量及应用

为解决竞技状态下运动员三维姿态现场测量的需求,利用非接触式摄像测量方法和为冬季体育运动项目量身打造的专用观测设备,采集了8名跳台滑雪运动员在训练过程中的原始数据.通过深度学习的改进方法识别与定位运动员关节点的三维信息,进而开展了运动员姿态测量与动作分析研究,获得了起跳阶段运动员的起跳速度对飞行距离的影响及主要关节夹角的变化规律.研究发现起跳速度是影响飞行距离的重要因素,同时获得了起跳到飞行初始阶段肢体角度的变化规律.该方法和设备可为各类体育项目的运动员姿态及器械运动参数测量提供新的手段,其所获得的观测结果可为教练员指导运动员技术动作提供精细化的数据支持.

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。 论文发展了适用于岩石破坏过程测量的DSCM测量系统,其主要成果为:⑴发展了适于岩石破坏测量DSCM的关键技术,包括分别用于快速预分析和高精度最终分析的相关公式、搜索算法以及亚像素估计算法;⑵设计和实现了用于岩石破坏测量DSCM的硬件和软件系统,可以完成普通岩石力学实验环境下岩石破坏过程的动态图像采集及按不同要求的变形场处理及分析;⑶提出了以相关系数分布来估计岩石表面破坏程度的观点并用实验进行了验证;⑷设计了一种用于岩石破坏实时观测分析的实时DSCM系统;⑸改进了散斑图模拟算法,并分别用该算法生成的模拟散斑图和实际散斑图对系统进行了验证。上述研究成果为岩石破坏测量提供了一种更加适合的测试方法。 论文的另一部分工作是采用上述观测系统对岩石破坏中的一些重要问题进行研究,其主要成果为:(1)

围岩振动诱发冲击地压机制

采用非线性振动方程描述了结构受围岩振动的运动规律，建立了振动诱发冲击地压的尖点突变模型。指出当围岩的振动在一定的频带和力幅范围内，会引起结构位移的突跳，从而诱发冲击地压。

岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出:岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。

断层黏滑动态变形过程的实验研究

实验研究断层黏滑过程的变形演化,尤其是失稳黏滑瞬间的断层位移演化特征,对于了解地震从孕育到发生的全过程具有重要意义.本文基于数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM),用三套图像采集系统(两套低速和一套高速图像采集系统)搭建了断层黏滑过程的多观测区域、多时间尺度的变形场测量系统,并用此系统对一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究.对间黏滑期和黏滑期断层位移演化特征进行深入分析的结果表明:间黏滑期断层位移演化体现出空间上的非均匀性和时间上的"趋同化"特征,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式;断层黏滑动态过程持续时间非常短(本文300mm断层黏滑过程持续时间约在1ms量级),黏滑失稳前会出现预滑,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑由若干个滑动速度不同的、小的失稳滑动组成,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.

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。

加拿大岩爆灾害的研究现状

本文介绍了加拿大岩爆灾害的研究现状，包括对岩爆的认识、预测及处理方法。

断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究

以白光数字散斑相关方法作为试验的观察手段,采用双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动试验,通过搭建高速数据采集系统对断层冲击地压失稳瞬态过程进行研究,观测和分析冲击失稳过程中断层位移演化时间和空间的特征。试验结果表明:(1)断层冲击地压发生与侧向压力量值有关,断层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件,当侧向压力较小时,断层发生稳滑,不会发生冲击地压;(2)随着侧向压力的增加,发生断层冲击的峰值应力增加,断层冲击地压发生时的应力降增加;(3)冲击失稳过程中断层位移演化在时间上表现出间隔滑动特征,并且滑动间隔时间随着侧向压力的增加而增加,断层第一次失稳滑动的距离和滑动速度大于第二次滑动的距离和滑动速度;(4)冲击失稳过程中断层位移演化在空间上表现出滑动的差异性特征,断层不同位置处的失稳滑动量值和滑动演化特征不同,表现出断层观测点的滑动量值随着与加载端的距离增加而增加的趋势。

岩土材料变形局部化的实验研究

采用白光数字散斑相关方法研究了岩土材料破坏过程出现的变形局部化现象 ,得到了花岗岩、煤、土 3种材料变形局部化开始时刻、宽度、倾角及演化规律 ,实时、定量地跟踪和测定了岩土材料破坏的全过程 .

应用数字散斑相关方法实验研究雁列断层变形破坏过程

以数字散斑相关方法(DSCM)为观测手段,对雁列断层结构的破坏过程进行了实验研究,观测和分析了变形破坏过程中模型表面的变形场演化过程.断层结构由一块含两条平行割缝的大理岩平板模拟,模型试件在双轴试验机上加载;DSCM观测系统在加载过程中记录试件表面的散斑图像,然后分析得到模型表面待测区域各记录时刻的位移场及应变场.全场连续的变形数据清晰地反映了雁列断层结构的变形破坏过程的各种细节.实验结果显示,变形最初集中在断层带周围,然后迁移到雁列区,最后雁列区贯通,结构发生滑动导致整个结构发生失稳破坏.对变形破坏过程中的变形场进行统计分析发现,一种描述变形局部化特征的统计指标—Cv值,可以作为一个雁列断层破坏的前兆指标.

识别断层活动和失稳的热场标志--实验室的证据

利用一套双向伺服系统对含压性和张性雁列断层的标本进行变形实验,实验中应用红外热像仪和接触式测温仪同步记录岩石变形过程中热红外辐射的亮度温度场和温度场的变化;使用数字CCD相机同步采集标本表面的数字图像,并利用数字散斑方法对采集到的图像进行分析得到位移场和应变场的演化过程。实验结果表明:1)在断层贯通前压性雁列岩桥区温度最高,而张性雁列岩桥区温度最低;数字散斑结果显示压性岩桥区平均应变最高,而张性岩桥区平均应变最低。温度场对两类雁列断层在岩桥区相反的受力状态有清晰的响应,可以为判断断层应力状态提供标志。2)雁列断层经历了从岩桥区应力积累、破坏到断层失稳错动两个变形阶段,升温机制也由应变升温变为摩擦升温;伴随升温机制的转变,在岩桥区观测到断层失稳错动前的破坏降温、温度快速起伏以及升温脉冲等现象,是观测失稳前兆的最佳部位。3)在雁列岩桥区裂纹端点附近观测到升温脉冲,表现为温度快升快降,随后即出现断层带的快速升温。升温脉冲现象可能与裂纹端部的应力奇异集中和破裂扩展引起的应力释放有关。裂纹端部的扩展是断层失稳错动的条件,随后断层带的升温正是断层失稳错动造成的。断层带开始升温发生在失稳前2～3s内,岩桥区的降温发生在失稳前约20s,升温脉冲比断层错动早10～20s,它们是断层失稳错动的短临标志。对断层关键部位的温度变化开展观测与研究对发现断层活动十分重要,变温机制转变阶段对提前觉察断层失稳前兆尤为重要。

数字散斑相关测量中亚像素位移测量方法的比较

本文介绍了数字散斑相关测量中确定亚像素位移的几种方法,包括对相关系数的插值、拟合以及基于图像梯度的两种方法.文中详细比较了这几种方法,并以计算结果的相对误差为依据,给出了这几种方法在应用中的参考选择标准.