CN109632487A - 一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法,属于室内岩石力学试验研究领域，包括以下步骤：1)试件的制备与放置；2)进行纵波波速测量；3)在试件表面布置声发射传感器；4)加载系统对试件施加荷载，进入加载过程；运用声发射系统与DIC系统对整个加载过程进行数据采集；5)得出试件散斑面的最大主应变云图与视应力场云图；6)通过对比相同时刻试件散斑面的视应力场图与试件散斑面的最大主应变云图，对比二者表现出的分布情况，建立二者之间的定性关系；7)获取岩石试件内部的各个剖面的视应力场云图，根据步骤6所述的定性关系，由各个剖面的视应力场分布规律，得到各个剖面的应变场分布规律。

Description

一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法
技术领域
本发明属于室内岩石力学试验研究领域，具体涉及一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法。
背景技术
伴随着国内大型岩石力学的施工建设，例如锦屏二级水电站、白鹤滩水电站、川藏铁路等，现场施工过程中遇到了新的岩石力学问题。室内岩石力学实验试验人们更好的了解了岩石的力学特性。室内试验中岩石在载荷作用下的应变状态是研究岩石试件失稳破坏的主要参数之一。
查阅相关资料可知，目前实验室内应变测量主要采用应变片电测法、光纤Bragg光栅法、与光学非接触测量方法。应变片电测法属于接触测量方法，试件在载荷作用下产生应变时，电阻应变计发生相应的电阻变化用应变仪测出这个变化，即可计算出被测点的应变。应变片测量结果得到的应变值为应变栅长度范围内的平均应变值，且只能测量试件表面应变，无法进行3D应变测量。光纤Bragg光栅测试法将光纤预埋到试件内部，试件在载荷作用下发生变形时引起光栅发射光中心波长的变化，通过相应的程序进行计算获得光纤光栅传感器处的应变值。光纤Bragg光栅测试法具有易于构建分布式测量系统且抗电磁干扰适合用于长距离信号传输，但也有明显的温度耦合效应与必须预埋至试件内部的不足之处。光学非接触测试方法主要包括激光全息干涉法、数字图像相关技术(简称DIC)、云纹干涉法等通过光学原理测试试件表面的全场应变。岩石本身的不均质性决定了其内部应变状态与表面应变状态存在着无法预测的差别，现有的测试方法无法对岩石内部进行应变的无损测试。现有的测量方法无法准确有效的获得岩石在载荷作用下内部应变场的分布规律。
现有室内岩石力学实验中应变测量只能测量试件表面应变，而岩石本身的不均质性、试件结构的特殊性与载荷施加的多样性决定了岩石内部应变状态与表面应变状态可能存在明显的差别。
基于以上测试方法的不足，本发明通过提出一种室内岩石载载荷作用下内部应变场的定性测试方法，该方法能够定性的获得岩石在载荷作用下内部的应变状态，为室内岩石力学实验揭示岩石破坏机理提供一种观测岩石内部应变情况的新途径。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件的制备与放置；
针对即将进行加载的试件，在试件表面上确定加载面和散斑面；对所述加载面进行打磨，在所述散斑面制作散斑；
将试件放置于加载系统内，使加载面的位置与加载系统的加载动作相对应；将DIC系统的聚光灯和工业相机对准散斑面；
步骤2，进行纵波波速测量；
通过波速测试仪对每一个试件进行3次或3次以上纵波波速测量，取各次测量的平均值作为该试件的纵波波速；
步骤3，在试件表面布置声发射传感器；
所述声发射系统包括声发射传感器；所述声发射传感器均匀的分布在试件上除加载面之外的试件表面，即临空面上；
步骤4，加载系统对试件施加荷载，进入加载过程；运用声发射系统与DIC系统对整个加载过程进行数据采集；
加载过程开始的同时，开始声发射系统与DIC系统的数据采集；试件破坏后加载系统停止施加荷载，加载过程结束，同时停止声发射系统与DIC系统的数据采集；
所述DIC系统的数据采集过程中，调节工业相机使采集数据所显示的散斑画面达到最大清晰度；
步骤5，得出试件散斑面的最大主应变云图与视应力场云图；
运用步骤4中所述声发射系统采集的数据与步骤2中所测量的岩石试件波速，计算得到试件表面及各个剖面的视应力场云图；
运用步骤4中DIC系统采集的图像信息，得到试件散斑面的应变场，进而得到试件散斑面的最大主应变云图；
步骤6，通过对比相同时刻试件散斑面的视应力场图与试件散斑面的最大主应变云图，对比二者表现出的分布情况，建立二者之间的定性关系，即最大主应变大的区域视应力同样也大，两者之间存在明显的对应关系，即视应力场能够定性的表示岩石在载荷作用下最大主应变的存在状态；
步骤7，获取岩石试件内部的各个剖面的视应力场云图，根据步骤6所述的定性关系，由各个剖面的视应力场分布规律，得到各个剖面的应变场分布规律。
所述步骤1中，在所述花岗岩试件与工业相机之间放置钢化玻璃防止试件失稳对工业相机造成损坏。
所述步骤1中，在所述花岗岩试件的所述上表面的中部位置上放置一个80mm宽的承压板，下表面的两侧位置下分别放置两个110mm宽的承压板。
所述步骤1中，所述试件为300*200*100mm的长方体花岗岩试件。
所述步骤1中，所述加载面为所述花岗岩试件的上表面和下表面。
所述步骤1中，所述散斑面为所述花岗岩试件上的一个300mm*200mm的表面。
所述步骤2中，运用波速测试仪对所述花岗岩试件进行3次波速测量，分别为4256m/s、4086m/s和4124m/s，取三次测量的平均值4155.3m/s作为所述花岗岩试件的纵波波速。
所述步骤3中，所述声发射传感器采用Nano30型号，黏贴在所述临空面；所述声发射传感器与试件表面通过耦合剂黏贴，确保二者之间紧密接触。
所述步骤4中，在数据采集过程中，所述声发射系统的主要参数设置为：门槛值45db，采集频率10MHz,模拟滤波器下限100K、上限3M，采集长度5K，前置放大40倍增益；所述DIC系统的采集频率为1张/s。
本发明的有益效果：
本发明提供一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，通过建立表面应变场与三维视应力场在试件表面分布情况之间的定性关系，进而根据岩石内部任意位置剖面的视应力场云图定性的获得其内部应变场的分布规律。本发明提供的测试方法为研究岩石在载荷作用下失稳破坏提供了新的分析途径，能够更好的揭示其破坏及失稳原因。
本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中所述室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法所需的装置与材料布置示意图；
图2为本发明具体实施方式中所述试件的散斑面方向上承压板和声发射传感器的布置示意图；
图3为本发明具体实施方式中所述试件的散斑面的背面方向上承压板和声发射传感器的布置示意图；
图4为本发明具体实施方式中所述加载系统的应力加载路径示意图；
图5为本发明具体实施方式中所述花岗岩试件的剖面示意图；
图6为本发明具体实施方式中所述试件散斑面的最大主应变云图；
图7为本发明具体实施方式中所述试件散斑面的视应力场图；
图8为本发明具体实施方式中所述试件剖面的视应力场云图。
图中：1、聚光灯；2、工业相机；3、钢化玻璃；4、DIC系统；5、试件；6、声发射系统；7、声发射传感器；8、承压板；9、散斑面；10、加载系统；11、剖面；12、DIC系统计算机；13、声发射系统计算机；14、声发射系统采集仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，所需的装置与材料如图1所示，包括：DIC系统4、声发射系统6、加载系统10、钢化玻璃3、试件5、承压板8和波速测试仪；
所述DIC系统4包括聚光灯1、工业相机2和DIC系统计算机；
所述声发射系统6包括声发射系统计算机13和声发射系统采集仪14；
所述室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件5的制备与放置；
针对即将进行加载的试件5，在试件5表面上确定加载面和散斑面9；对所述加载面进行打磨，在所述散斑面9制作散斑；
将试件5放置于加载系统10内，使加载面的位置与加载系统10的加载动作相对应；
将DIC系统4的聚光灯1和工业相机2对准散斑面9；
本实施例中，所述试件5为300*200*100mm的长方体试件5；
所述加载面为所述试件5的上表面和下表面；通过所述打磨过程，使各个加载面的最大不平整度小于0.02mm，最大偏差不超过0.25°；
所述散斑面9为所述试件5上的一个300mm*200mm的表面；
所述加载系统10的型号为ZLCJS-5000抗冲击双轴加载试验机；
在所述试件5与工业相机2之间放置钢化玻璃3防止试件5失稳对工业相机2造成损坏；
如图2和图3所示，在所述试件5的上表面的中部位置上放置一个80mm宽的承压板8，下表面的两侧位置下分别放置两个110mm宽的承压板8；
步骤2，进行纵波波速测量；
通过波速测试仪对每一个试件5进行3次或3次以上纵波波速测量，取各次测量的平均值作为该试件的纵波波速；
本实施例中，运用波速测试仪对所述试件5进行3次波速测量，分别为4256m/s、4086m/s和4124m/s，取三次测量的平均值4155.3m/s作为所述试件5的纵波波速；
步骤3，在试件5表面布置声发射传感器7；
所述声发射系统6包括声发射传感器7，用于接受声发信号；所述声发射传感器7均匀的分布在试件5上除加载面之外的试件表面，即临空面上；
本实施例中，所述声发射传感器7采用Nano30型号，黏贴在所述临空面，声发射传感器7的布置方式如图2和图3所示；所述声发射传感器7与试件表面通过耦合剂黏贴，确保二者之间紧密接触；
步骤4，加载系统10对试件5施加荷载，进入加载过程；运用DIC系统4及声发射系统6对整个加载过程进行数据采集；
加载过程开始的同时，开始声发射系统6与DIC系统4的数据采集；试件5破坏后加载系统10停止施加荷载，加载过程结束，同时停止声发射系统6与DIC系统4的数据采集；
所述DIC系统4的数据采集过程中，调节工业相机2使采集数据所显示的散斑画面达到最大清晰度；
本实施例在数据采集过程中，所述声发射系统6的主要参数设置为：门槛值45db，采集频率10MHz,模拟滤波器下限100K、上限3M，采集长度5K，前置放大40倍增益；所述DIC系统4的采集频率为1张/s；所述加载过程中的应力加载路径如图4所示；
步骤5，得出试件散斑面9的最大主应变云图与视应力场云图；
运用步骤4中所述声发射系统6采集的数据与步骤2中所测量的岩石试件波速，计算得到试件表面及各个剖面的视应力场云图；
运用步骤4中DIC系统4采集的图像信息，得到试件散斑面9的应变场，进而得到试件散斑面9的最大主应变云图；
本实施例中，在加载过程中，加载应力为260kN时，在试件表面及各个剖面中，试件散斑面9的视应力场图如图7所示，试件散斑面9的最大主应变云图如图6所示；
步骤6，通过对比相同时刻试件散斑面9的视应力场图与试件散斑面9的最大主应变云图，对比二者表现出的分布情况，建立二者之间的定性关系，即最大主应变大的区域视应力同样也大，两者之间存在明显的对应关系；
本实施例中，对比图6与图7，图6在下部边缘出现集中现象，视应力场云图在相同位置出现集中现象，最大主应变云图在下部边缘出现集中现象，视应力场云图在相同位置出现集中现象。即说明图6与图7在相同时刻、相同位置出现集中现象，最大主应变大的区域视应力同样也大，两者之间存在明显的对应关系，即视应力场能够定性的表示岩石在载荷作用下最大主应变的存在状态；
步骤7，获取试件5内部的各个剖面的视应力场云图，根据步骤6所述的定性关系，由各个剖面的视应力场分布规律，得到各个剖面的应变场分布规律；
本实施例中，对于如图5所示的试件5的剖面11，该剖面在260kN载荷作用的视应力场云图如图8所示；该剖面的视应力场从下至上逐步减小，下部出现明显的集中现象，进而可知最大主应变在该剖面上具有相同的分布规律，即从下至上逐步减小，下部出现集中现象。

Claims (9)

1.一种室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，试件的制备与放置；
针对即将进行加载的试件，在试件表面上确定加载面和散斑面；对所述加载面进行打磨，在所述散斑面制作散斑；
将试件放置于加载系统内，使加载面的位置与加载系统的加载动作相对应；将DIC系统的聚光灯和工业相机对准散斑面；
步骤2，进行纵波波速测量；
通过波速测试仪对每一个试件进行3次或3次以上纵波波速测量，取各次测量的平均值作为该试件的纵波波速；
步骤3，在试件表面布置声发射传感器；
所述声发射系统包括声发射传感器；所述声发射传感器均匀的分布在试件上除加载面之外的试件表面，即临空面上；
步骤4，加载系统对试件施加荷载，进入加载过程；运用声发射系统与DIC系统对整个加载过程进行数据采集；
加载过程开始的同时，开始声发射系统与DIC系统的数据采集；试件破坏后加载系统停止施加荷载，加载过程结束，同时停止声发射系统与DIC系统的数据采集；
所述DIC系统的数据采集过程中，调节工业相机使采集数据所显示的散斑画面达到最大清晰度；
步骤5，得出试件散斑面的最大主应变云图与视应力场云图；
运用步骤4中所述声发射系统采集的数据与步骤2中所测量的岩石试件波速，计算得到试件表面及各个剖面的视应力场云图；
运用步骤4中DIC系统采集的图像信息，得到试件散斑面的应变场，进而得到试件散斑面的最大主应变云图；
步骤6，通过对比相同时刻试件散斑面的视应力场图与试件散斑面的最大主应变云图，对比二者表现出的分布情况，建立二者之间的定性关系，即最大主应变大的区域视应力同样也大，两者之间存在明显的对应关系，即视应力场能够定性的表示岩石在载荷作用下最大主应变的存在状态；
步骤7，获取岩石试件内部的各个剖面的视应力场云图，根据步骤6所述的定性关系，由各个剖面的视应力场分布规律，得到各个剖面的应变场分布规律。
2.根据权利要求1所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤1中，在所述花岗岩试件与工业相机之间放置钢化玻璃防止试件失稳对工业相机造成损坏。
3.根据权利要求1所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤1中，在所述花岗岩试件的所述上表面的中部位置上放置一个80mm宽的承压板，下表面的两侧位置下分别放置两个110mm宽的承压板。
4.根据权利要求1所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤1中，所述试件为300*200*100mm的长方体花岗岩试件。
5.根据权利要求4所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤1中，所述加载面为所述花岗岩试件的上表面和下表面。
6.根据权利要求4所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤1中，所述散斑面为所述花岗岩试件上的一个300mm*200mm的表面。
7.根据权利要求1所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤2中，运用波速测试仪对所述花岗岩试件进行3次波速测量，分别为4256m/s、4086m/s和4124m/s，取三次测量的平均值4155.3m/s作为所述花岗岩试件的纵波波速。
8.根据权利要求1所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤3中，所述声发射传感器采用Nano30型号，黏贴在所述临空面；所述声发射传感器与试件表面通过耦合剂黏贴，确保二者之间紧密接触。
9.根据权利要求1所述的室内岩石在载荷作用下内部应变场的定性测试方法，其特征在于，所述步骤4中，在数据采集过程中，所述声发射系统的主要参数设置为：门槛值45db，采集频率10MHz,模拟滤波器下限100K、上限3M，采集长度5K，前置放大40倍增益；所述DIC系统的采集频率为1张/s。
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