CN109342190A - 岩石裂纹尖端塑性区计量方法及系统 - Google Patents

岩石裂纹尖端塑性区计量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种岩石裂纹尖端塑性区计量方法及系统，所述方法包含：将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸；将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区尺寸。

Description

岩石裂纹尖端塑性区计量方法及系统
技术领域
本发明涉及岩土工程及岩石力学领域，尤指一种岩石裂纹尖端塑性区计量方法及系统。
背景技术
自二战以来，断裂力学逐渐发展起来。而岩石作为大自然最常见的固体材料，其断裂特性一直被广泛研究。针对于裂缝尖端的塑性区，前人提出了两个观点，分别是Irwin模型和D-B模型，但这都是理论层面上，并没有从实际观测到裂缝尖端的塑性区，因而对其的认识始终是感性的。因此，研究一种实际的观测手段，对于裂纹尖端塑性区的认识会有较大提高，对于实验室研究和工程实际都具有重要意义。
岩石在加载过程中，其塑性区会随着加载力的变大而变大。岩石从弹性阶段进入塑性阶段会积蓄能量，外力做功，在塑性区范围内势必会有能量的产生和耗散。而这些能量会以不同的形式向外传播，比如声和热；该些能量并未被现有技术有效利用，予以判断分析岩石裂纹尖端塑性区尺寸。
发明内容
本发明目的在于通过观察裂纹尖端区域能量的变化，来观察塑性区的范围，利用观察到的塑形区范围调整现有理论的应用缺陷，提高岩石裂纹尖端塑性区计量的精准性。
为达上述目的，本发明所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，具体包含：将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸；将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量方法中，优选的，获得加载过程中所述人工裂缝试件的变化图像数据包含：通过红外摄像仪监测所述人工裂缝试件在加载过程中的图像数据；通过颜色处理所述图像数据获得裂纹尖端出现热反应的区域；根据所述热反应的区域获得变化图像数据。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量方法中，优选的，根据所述热反应的区域获得变化图像数据包含：根据时间与所述热反应的区域变化的对应关系得到随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图；根据所述随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图获得变化图像数据。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量方法中，优选的，获得加载过程中所述人工裂缝试件的加载数据包含：获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线，根据应力与应变曲线和时间之间的关系，获得应力与时间曲线。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量方法中，优选的，所述获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线包含三个加载区间；所述加载区间包含裂缝闭合区间，裂缝起裂与稳定扩展区间，裂纹加速扩展区间。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量方法中，优选的，将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载包含：以0.02mm/min的轴向位移速度将所述预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量方法中，优选的，所述预设模型包含Irwin模型和D-B模型。
本发明还提供一种岩石裂纹尖端塑性区计量系统，所述系统包含数据采集模块、热反应区域计算模块、比较模块和计量模块；所述数据采集模块用于将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；所述热反应区域计算模块用于根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸；所述比较模块用于将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；所述计量模块用于通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量系统中，优选的，所述数据采集模块还包含红外摄像单元，所述红外摄像单元用于通过红外摄像仪监测所述人工裂缝试件在加载过程中的图像数据；通过颜色处理所述图像数据获得裂纹尖端出现热反应的区域；根据所述热反应的区域获得变化图像数据。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量系统中，优选的，所述数据采集模块还包含匹配单元，所述匹配单元用于根据时间与所述热反应的区域变化的对应关系得到随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图；根据所述随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图获得变化图像数据。
在上述岩石裂纹尖端塑性区计量系统中，优选的，所述数据采集模块还包含建模单元，所述建模单元用于获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与时间曲线，根据应力与应变曲线，根据应力与应变曲线和时间之间的关系，获得应力与时间曲线。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。
岩石作为自然界最常见的固体，其裂纹尖端的塑性区往往是研究的重点。在过去的研究中，只是在假设条件下建立理论模型，用近似的方法来消除裂纹尖端的应力奇异性来完成裂纹尖端塑性区的计算。而本发明与现有研究方法相比，从现实的角度观察裂纹尖端在加载过程中出现热反应的区域，并由此计算塑性区的大小，并与现有理论进行比较，对现有理论模型进行修正，更直观的认知裂纹尖端过程区，无论是对理论模型还是工程实践都有重要的意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量方法的流程示意图；
图4为本发明所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量系统的结构示意图；
图5为本发明一实施例所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量系统的结构示意图；
图6为本发明一实施例所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1所示，本发明所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，具体包含：S101将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；S102根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸；S103将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；S104通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区。以此，通过测量预制的人工裂缝试件，有效获知其热反应区，根据实际结果调整现有的计量模型，进一步增加岩石裂纹尖端塑性区计量的准确性，降低以往假设条件所带来的计量结果误差情况。其中，所述人工裂缝试件为预置的含人工裂缝的样本试件。
在上述实施例中，所述预设模型包含Irwin模型和D-B模型，或以Irwin模型和D-B模型为原型的其他已知优化模型；在实际工作中，本领域相关技术人员可根据实际需要选择需要优化的预设模型，本发明在此并不做任何限制。
请参考图2所示，在本发明一实施例中，获得加载过程中所述人工裂缝试件的变化图像数据包含：S201通过红外摄像仪监测所述人工裂缝试件在加载过程中的图像数据；S202通过颜色处理所述图像数据获得裂纹尖端出现热反应的区域；S203根据所述热反应的区域获得变化图像数据。其中，所述步骤S203中根据所述热反应的区域获得变化图像数据还包含：根据时间与所述热反应的区域变化的对应关系得到随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图；根据所述随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图获得变化图像数据。
请参考图3所示，在本发明一实施例中，获得加载过程中所述人工裂缝试件的加载数据包含：S301获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线，根据应力与应变曲线和时间之间的关系，获得应力与时间曲线；S302根据所述应力与时间曲线中的标识信息，得到多个加载区间的信息。其中获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线包含三个加载区间；所述加载区间包含裂缝闭合区间，裂缝起裂与稳定扩展区间，岩石加速扩展区间。
在上述实施例中，将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载包含：以0.005mm/min～0.02mm/min的轴向变形速度将所述预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载。
为更清楚的说明本发明所提供的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，以下以整体流程为例，对上述各实施例做结合说明；本领域相关技术人员当可知，该实施例仅为帮助理解上述实施例，并不对其做任何限制。
在实际工作中，使用所述岩石裂纹尖端塑性区计量方法时，具体步骤如下：
步骤一，将高精度红外摄像仪水平对准实验台上预制好人工裂缝的试件，试件采用10cm直径的半圆盘，在半圆盘中央预制1cm长1mm宽的竖直缝并将摄像得到红外摄像图像实时传输到电脑；
步骤二，对单轴试验机的实验台上的试件进行0.02mm/min的轴向位移加载，同时在电脑上对加载过程中的应力-应变曲线进行记录；
步骤三，对得到的红外摄像图像进行颜色处理，标记出裂纹尖端出现热反应的区域变化；
步骤四，处理试验数据得到应力-时间曲线；
步骤五，将步骤三与步骤四得到的图像在同一时间轴上进行比对，观察不同应力条件下，不同加载过程中裂纹尖端热反应的区域变化；
步骤六，根据实验数据和试件尺寸计算出Irwin模型和D-B模型的塑性区尺寸；
步骤七，对比理论计算出的塑性区尺寸与观察到的热反应区进行比较，对理论进行修正。
其中，上述步骤一中红外摄像仪可用中国公告号为CN204422071U公开的“高测温精度的红外摄像仪”。步骤二中单轴试验机可用中国公告号为CN204479411U公开的“单轴拉压试验机”。当然，实际工作时，因不同使用需要也可采用其他适当的红外摄像仪或单轴拉压试验机，本发明在此并不做限定。
以此，以修正后的模型或理论对未知的裂缝的试件进行计量，将有效提高其计量精度。
请参考图4所示，本发明还提供一种岩石裂纹尖端塑性区计量系统，所述系统包含数据采集模块、热反应区域计算模块、比较模块和计量模块；所述数据采集模块用于将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；所述热反应区域计算模块用于根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得不同加载阶段的裂纹尖端的热反应区尺寸；所述比较模块用于将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；所述计量模块用于通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区。其中，所述热反应区域计算模块根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸包含获得不同加载阶段的裂纹尖端的热反应区尺寸。
请参考图5所示，在本发明一实施例中，所述数据采集模块还可包含红外摄像单元，所述红外摄像单元用于通过红外摄像仪监测所述人工裂缝试件在加载过程中的图像数据；通过颜色处理所述图像数据获得裂纹尖端出现热反应的区域；根据所述热反应的区域获得变化图像数据。在上述实施例中，所述数据采集模块还可包含匹配单元，所述匹配单元用于根据时间与所述热反应的区域变化的对应关系得到随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图；根据所述随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图获得变化图像数据。
请参考图6所示，在本发明一实施例中，所述数据采集模块还包含建模单元，所述建模单元用于获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线，根据应力与应变曲线和时间之间的关系，获得应力与时间曲线。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。
岩石作为自然界最常见的固体，其裂纹尖端的塑性区往往是研究的重点。在过去的研究中，只是在假设条件下建立理论模型，用近似的方法来消除裂纹尖端的应力奇异性来完成裂纹尖端塑性区的计算。而本发明与现有研究方法相比，从现实的角度观察裂纹尖端在加载过程中出现热反应的区域，并由此计算塑性区的大小，并与现有理论进行比较，对现有理论模型进行修正，更直观的认知裂纹尖端过程区，无论是对理论模型还是工程实践都有重要的意义。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，所述方法包含：
将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；
根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸；
将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；
通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区尺寸。
2.根据权利要求1所述的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，获得加载过程中所述人工裂缝试件的变化图像数据包含：通过红外摄像仪监测所述人工裂缝试件在加载过程中的图像数据；通过颜色处理所述图像数据获得裂纹尖端出现热反应的区域；根据所述热反应的区域获得变化图像数据。
3.根据权利要求2所述的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，根据所述热反应的区域获得变化图像数据包含：根据时间与所述热反应的区域变化的对应关系得到随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图；根据所述随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图获得变化图像数据。
4.根据权利要求3所述的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，获得加载过程中所述人工裂缝试件的加载数据包含：获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线，根据应力与应变曲线和时间之间的关系，获得应力与时间曲线。
5.根据权利要求4所述的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，所述获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线包含三个加载区间；所述加载区间包含裂缝闭合区间，裂缝起裂与稳定扩展区间，裂纹加速扩展区间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载包含：以0.02mm/min的轴向位移速度将所述预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的岩石裂纹尖端塑性区计量方法，其特征在于，所述预设模型包含Irwin模型和D-B模型。
8.一种岩石裂纹尖端塑性区计量系统，其特征在于，所述系统包含数据采集模块、热反应区域计算模块、比较模块和计量模块；
所述数据采集模块用于将预制的人工裂缝试件放置于单轴试验机上加载，并获得加载过程中所述人工裂缝试件的热反应区域的变化图像数据及加载数据；
所述热反应区域计算模块用于根据所述变化图像数据和所述加载数据在同一时间轴上的变化情况，获得裂纹尖端的热反应区尺寸；
所述比较模块用于将所述热反应区尺寸与通过预设模型计算获得的裂纹尖端塑性区尺寸比较，根据比较结果获得岩石裂纹尖端塑性区计量模型；
所述计量模块用于通过所述岩石裂纹尖端塑性区计量模型与待测裂缝试件的相关数据，计算获得待测裂缝试件的塑性区尺寸。
9.根据权利要求8所述的岩石裂纹尖端塑性区计量系统，其特征在于，所述数据采集模块还包含红外摄像单元，所述红外摄像单元用于通过红外摄像仪监测所述人工裂缝试件在加载过程中的图像数据；通过颜色处理所述图像数据获得裂纹尖端出现热反应的区域；根据所述热反应的区域获得变化图像数据。
10.根据权利要求9所述的岩石裂纹尖端塑性区计量系统，其特征在于，所述数据采集模块还包含匹配单元，所述匹配单元用于根据时间与所述热反应的区域变化的对应关系得到随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图；根据所述随时间变化的裂纹尖端热反应区变化图得到变化图像数据。
11.根据权利要求10所述的岩石裂纹尖端塑性区计量系统，其特征在于，所述数据采集模块还包含建模单元，所述建模单元用于获得所述人工裂缝试件在加载过程中的应力与应变曲线，根据应力与应变曲线和时间之间的关系，获得应力与时间曲线。
12.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一所述方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至7任一所述方法的计算机程序。
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