CN110658067B - 一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,包含如下步骤:制作岩石试样;岩石试样表面散斑处理;试验加载,采集岩石试样散斑面在试验加载过程中的图像;计算岩石试样散斑面全场位移;计算岩石试样散斑面全场应变;计算岩石试样体积应变、弹性体积应变及裂纹体积应变;获取岩石试样体积应变‑轴向应变曲线、裂纹体积应变‑轴向应变曲线及轴向应力‑轴向应变曲线,并绘制在同一副图中;判断岩石试样体积应变及裂纹体积应变的变化规律,确定岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种裂纹应力门槛值。本发明的优点是:对试验环境要求低,应用更方便,结果更可靠,更具有代表性和普适性。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学特性测试领域,具体的说是涉及一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法。
背景技术
岩石材料在受外力作用下,根据其应力-应变曲线关系可得到四种不同的裂纹应力门槛值,即:裂纹闭合应力σcc、裂纹起裂应力σci、裂纹损伤应力σcd及峰值应力σp。大部分学者认为,岩石裂纹起裂应力为岩石长期强度的下限值,而裂纹损伤应力则为岩石长期强度的上限值。在实际工程中,岩石的长期强度可被用来衡量工程的稳定性,故上述四种不同裂纹应力门槛值的确定及研究对实际工程设计具有较高的参考价值。
目前,测量岩石材料裂纹应力门槛值有如下几种方法,即:应变计算法、声发射法,但以上方法均具有一定的局限性。
其中,应变计算法是先通过在试样表面贴应变片或者安装环向应变规来对试样试验过程中所产生的轴向应变和环向应变进行记录并测量,然后再通过相应计算求得裂纹应力门槛值,此方法存在的缺点是:采取在试样上贴取的应变片数量是有限的,且测量的是试样局部应变变化数据,故所得结果可能不具有代表性;
其中,声发射法则是先通过在试样表面不同位置安装声发射探头来记录试验过程中声发射事件,然后再通过分析声发射事件变化规律来对裂纹应力门槛值进行确定,此方法存在的缺点是:受试验周边噪音影响较大,且岩石材料微观结构的非均质性,往往导致其测试结果在岩石力学测试中不理想。
发明内容
为消除背景技术中传统测量方法所带来的试验环境要求高及不具有代表性的缺点,本发明的目的在于提供一种对试验环境要求低,且测试结果更具有代表性和普适性的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其主要是采取的是先基于数字图像相关方法对岩石试样试验时其表面的全场应变进行测量,然后再通过计算得到岩石材料的裂纹应力门槛值。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,包含如下步骤:
S1、制作岩石试样;
S2、对岩石试样表面进行散斑处理;
S3、试验加载,采集岩石试样散斑面在试验加载过程中的图像;
S4、计算岩石试样散斑面的全场位移;
S5、计算岩石试样散斑面的全场应变;
S6、计算岩石试样体积应变、弹性体积应变及裂纹体积应变;
S7、获取岩石试样体积应变-轴向应变曲线、裂纹体积应变-轴向应变曲线及轴向应力-轴向应变曲线,并绘制在同一副图中;
S8、判断岩石试样体积应变及裂纹体积应变相对岩石试样轴向应变的变化规律,确定岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值。
上述方法中,所述步骤S1的具体步骤为:先采用相应的切割设备将待测岩石材料切割成试验所需的试样形状及尺寸规格,然后再对其试样表面进行打磨,以便于后续的散斑处理。
上述方法中,所述步骤S2的具体步骤为:先采用相应的喷涂设备将白色哑光漆均匀地涂抹在步骤S1制备完成的岩石试样表面作为背景色,并经过20~30min的凝固后,再采用相应的喷涂设备将黑色哑光漆随机喷洒在已经凝固的白色哑光漆上面,形成黑白相间且可随时岩石试样变形的散斑面。
上述方法中,所述步骤S3的具体步骤为:
试验加载开始前,先将表面经过散斑处理的岩石试样放置在相应的岩石力学试验系统上,并将岩石试样散斑面朝向试验观测方向,然后再在试验观测方向设置一台CCD相机,并调整CCD相机的拍摄方向,使之垂直于岩石试样散斑面,与此同时设置好CCD相机的拍摄速率,最后再设置好岩石力学试验系统的轴向加载速率,以保证岩石试样在加载过程中处于准静态;
试验加载开始时,将岩石力学试验系统与CCD相机拍摄同步触发开始试验,直到岩石试样在轴向压力作用下发生破坏时,立即停止试验;
在整个试验加载过程中,通过CCD相机连续拍摄捕捉岩石试样散斑面的图像。
上述方法中,所述步骤S4的具体步骤为:先将步骤S3得到的岩石试样散斑面图像划分为若干个子区,然后通过下式(1)和(2),计算出各个子区的x、y向位移,最后再将各子区位移场进行组合,即可得到岩石试样散斑面的全场位移分布;
式(1)和(2)中,为参考子区位移的一阶偏导数,u0,v0分别为参考子区中心点沿x、y向的位移值;dx为岩石试样散斑面某一子区在x向的位移值,dy为岩石试样散斑面某一子区在y向的位移值;x向为与岩石试样轴向加载方向相垂直的试样侧向,y向为岩石试样的轴向加载方向;x0与y0为岩石试样散斑面某一子区变形前其中心点沿x与y方向的坐标,xi与yi为岩石试样散斑面某一子区变形前其内任一点沿x与y方向的坐标,x'i与y'i为岩石试样散斑面某一子区变形后其内任一点沿x与y方向的坐标;
所述步骤S5的具体步骤为:在通过上式(1)和(2),得到各子区的x、y向位移后,先通过下式(3)和(4)计算出各子区的x、y向应变,然后将各子区应变进行组合,即可得到岩石试样散斑面的全场应变分布;
所述步骤S6的具体步骤为:在通过上式(3)和(4)得到各子区的x、y向应变后,先通过下式(5)计算出岩石试样的体积应变,然后通过下式(6)计算出岩石试样的弹性体积应变,最后再通过下式(7)求得试样的裂纹体积应变;
εcv=εv-εe (7)
式(5)中,m为沿y向的子区总数,n为沿x向的子区总数,εx(i,j)为岩石试样散斑表面第i行,第j列相应子区的x向应变,εy(i,j)为岩石试样散斑表面第i行,第j列相应子区的y向应变,εv为岩石试样的体积应变;
式(6)中,v为岩石试样的泊松比,E为岩石试样的弹性模量,σ为岩石试样轴向应力,εe为岩石试样的弹性体积应变;
式(7)中,εcv为岩石试样的裂纹体积应变,εv为岩石试样的体积应变,εe为岩石试样的弹性体积应变;
所述步骤S7的具体步骤为:先将步骤S6中所得到的岩石试样体积应变εv与岩石试样裂纹体积应变εcv相对于岩石试样的轴向应变分别绘制出相应的体积应变-轴向应变曲线和裂纹体积应变-轴向应变曲线;然后再将上述的体积应变-轴向应变曲线和裂纹体积应变-轴向应变曲线与岩石试样的轴向应力-轴向应变曲线一起绘制在同一幅图中;其中,岩石试样的轴向应力为试验加载在试样轴向的轴向力,轴向应变为岩石试样的轴向应力与岩石试样的横截面积比值。
上述方法中,所述步骤S8的具体步骤为:根据步骤S7所绘制在同一副图中的岩石试样体积应变-轴向应变曲线、裂纹体积应变-轴向应变曲线及轴向应力-轴向应变曲线,分析判断出体积应变和裂纹体积应变随轴向应变变化的规律,确定出岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值;
当岩石试样裂纹体积应变-轴向应变曲线开始趋于平直稳定段时,此时所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹闭合应力;
当岩石试样裂纹体积应变-轴向应变曲线从平直稳定段开始减小时,此时所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹起裂应力;
当岩石试样体积应变-轴向应变曲线达到其峰值时,其峰值所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹损伤应力;
当岩石试样轴向应力-轴向应变曲线趋于峰值时,其所对应的轴向应力即为岩石试样的峰值应力。
与现有技术相比,本发明的优点是:
与传统的应变测量方法相比,本发明方法所得测试结果更具有代表性及普适性;只需对试样表面进行散斑化处理即可且处理工序十分简单,试验过程中其对周围试验环境要求较低;
与传统的声发射方法相比,本发明方法具有较低的试验环境要求,在应用方面更方便且其结果更可靠。
综上所述,本发明提供的一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,在固体试验力学方面具有较好的适用性,且其所得结果相比传统方法更准确,同时对相关科研工作及测试方法的发展具有十分积极的作用。
附图说明
图1为本发明基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值方法的流程图;
图2为本发明一种试验实施例的试验示意图;
图3为本发明实施例所得裂纹体积应变,体积应变、轴向应力随轴向应变变化的曲线图;
图2中,“F”表示试验加载过程中,施加在试样上的轴向加载力;
图3中,左边纵坐标轴表示轴向应力,单位为MPa;右边坐标轴表示裂纹体积应变,单位为%;横坐标轴表示轴向应变,单位为%;曲线A表示试样轴向应力-轴向应变曲线,曲线B表示试样体积应变-轴向应变曲线,曲线C表示试样裂纹体积应变-轴向应变曲线。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合附图和具体实施方式,进一步阐述本发明是如何实施的。
参阅图1所示,本发明提供的一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,包含如下步骤:
S1、制作岩石试样;
S2、对岩石试样表面进行散斑处理;
S3、试验加载,采集岩石试样散斑面在试验加载过程中的图像;
S4、计算岩石试样散斑面的全场位移;
S5、计算岩石试样散斑面的全场应变;
S6、计算岩石试样体积应变、弹性体积应变及裂纹体积应变;
S7、获取岩石试样体积应变-轴向应变曲线、裂纹体积应变-轴向应变曲线及轴向应力-轴向应变曲线,并绘制在同一副图中;
S8、判断岩石试样体积应变及裂纹体积应变相对岩石试样轴向应变的变化规律,确定岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值。
具体的说,步骤S1的具体步骤为:先采用相应的切割设备将待测岩石材料切割成试验所需的试样形状及尺寸规格,然后再对其试样表面进行打磨,以便于后续的散斑处理。
具体的说,步骤S2的具体步骤为:先采用相应的喷涂设备将白色哑光漆均匀地涂抹在步骤S1制备完成的岩石试样表面作为背景色,并经过20~30min的凝固后,再采用相应的喷涂设备将黑色哑光漆随机喷洒在已经凝固的白色哑光漆上面,形成黑白相间且可随时岩石试样变形的散斑面。
具体的说,步骤S3的具体步骤为:
试验加载开始前,先将表面经过散斑处理的岩石试样放置在相应的岩石力学试验系统上,并将岩石试样散斑面朝向试验观测方向,然后再在试验观测方向设置一台CCD相机,并调整CCD相机的拍摄方向,使之垂直于岩石试样散斑面,与此同时设置好CCD相机的拍摄速率,最后再设置好岩石力学试验系统的轴向加载速率,以保证岩石试样在加载过程中处于准静态;
试验加载开始时,将岩石力学试验系统与CCD相机拍摄同步触发开始试验,直到岩石试样在轴向压力作用下发生破坏时,立即停止试验;
在整个试验加载过程中,通过CCD相机连续拍摄捕捉岩石试样散斑面的图像。
具体的说,步骤S4的具体步骤为:先将步骤S3得到的岩石试样散斑面图像划分为若干个子区,然后通过下式(1)和(2),计算出各个子区的x、y向位移,最后再将各子区位移场进行组合,即可得到岩石试样散斑面的全场位移分布;
式(1)和(2)中,为参考子区位移的一阶偏导数,u0,v0分别为参考子区中心点沿x、y向的位移值;dx为岩石试样散斑面某一子区在x向的位移值,dy为岩石试样散斑面某一子区在y向的位移值;x向为与岩石试样轴向加载方向相垂直的试样侧向(参阅图2所示,XY坐标中的X轴),y向为岩石试样的轴向加载方向(参阅图2所示,XY坐标中的Y轴);x0与y0为岩石试样散斑面某一子区变形前其中心点沿x与y方向的坐标,xi与yi为岩石试样散斑面某一子区变形前其内任一点沿x与y方向的坐标,x'i与y'i为岩石试样散斑面某一子区变形后其内任一点沿x与y方向的坐标;
步骤S5的具体步骤为:在通过上式(1)和(2),得到各子区的x、y向位移后,先通过下式(3)和(4)计算出各子区的x、y向应变,然后将各子区应变进行组合,即可得到岩石试样散斑面的全场应变分布;
步骤S6的具体步骤为:在通过上式(3)和(4)得到各子区的x、y向应变后,先通过下式(5)计算出岩石试样的体积应变,然后通过下式(6)计算出岩石试样的弹性体积应变,最后再通过下式(7)求得试样的裂纹体积应变;
εcv=εv-εe (7)
式(5)中,m为沿y向的子区总数,n为沿x向的子区总数,εx(i,j)为岩石试样散斑表面第i行,第j列相应子区的x向应变,εy(i,j)为岩石试样散斑表面第i行,第j列相应子区的y向应变,εv为岩石试样的体积应变;
式(6)中,v为岩石试样的泊松比,E为岩石试样的弹性模量,σ为岩石试样轴向应力,εe为岩石试样的弹性体积应变;
式(7)中,εcv为岩石试样的裂纹体积应变,εv为岩石试样的体积应变,εe为岩石试样的弹性体积应变;
步骤S7的具体步骤为:先将步骤S6中所得到的岩石试样体积应变εv与岩石试样裂纹体积应变εcv相对于岩石试样的轴向应变分别绘制出相应的体积应变-轴向应变曲线和裂纹体积应变-轴向应变曲线;然后再将上述的体积应变-轴向应变曲线和裂纹体积应变-轴向应变曲线与岩石试样的轴向应力-轴向应变曲线一起绘制在同一幅图中;其中,岩石试样的轴向应力为试验加载在试样轴向的轴向力,轴向应变为岩石试样的轴向应力与岩石试样的横截面积比值。
步骤S8的具体步骤为:根据步骤S7所绘制在同一副图中的岩石试样体积应变-轴向应变曲线、裂纹体积应变-轴向应变曲线及轴向应力-轴向应变曲线,分析判断出体积应变和裂纹体积应变随轴向应变变化的规律,确定出岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值;
当岩石试样裂纹体积应变-轴向应变曲线开始趋于平直稳定段时,此时所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹闭合应力;
当岩石试样裂纹体积应变-轴向应变曲线从平直稳定段开始减小时,此时所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹起裂应力;
当岩石试样体积应变-轴向应变曲线达到其峰值时,其峰值所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹损伤应力;
当岩石试样轴向应力-轴向应变曲线趋于峰值时,其所对应的轴向应力即为岩石试样的峰值应力。
下面以脆性花岗岩为例详细说明,其是如何通过本发明提供基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,来判别其裂纹应力门槛值的:
第1步,制作本实施例试验所需的花岗岩试样,其具体操作过程为:先采用圆盘切割机将本实施例提供的脆性花岗岩切割成如图2所示的尺寸为100mmX50mmX20mm(高度×宽度×厚度)的长方体试样100,然后采用打磨机将该长方体试样100表面打磨至平整;
第2步,对第1步制作而成的花岗岩试样表面进行散斑处理,得到如图2所示的散斑面101;
在本实施例中,制作该散斑面101的过程具体如下:
先采用喷涂机将白色哑光漆均匀涂抹在上述花岗岩试样表面进行背景色处理,并经过20-30min凝固后,再通过喷涂机将黑色哑光漆随机喷洒已经凝固的白色哑光漆上面,形成黑白相间且可以随上述花岗岩试样变形的散斑面101;
第3步,对第2步完成散斑处理的花岗岩试样进行试验加载处理,并采集本实施例花岗岩试样散斑面101在试验加载过程中的图像;
在本实施例中,加载上述花岗岩试样及采集该采集花岗岩试样散斑面101加载过程中的图像的具体操作过程如下:
试验加载开始前,先将花岗岩试样放置在MTS815.04岩石力学试验系统上,并将花岗岩试样散斑面101朝向试验观测方向,然后在试验观测方向设置一台CCD相机200及若干光源300,并调整CCD相机200的拍摄方向,使之垂直于花岗岩试样散斑面101,与此同时设置好CCD相机200的拍摄速率为50帧/s,最后再设置好岩石力学试验系统的轴向加载速率为0.0005mm/s,以保证花岗岩试样在加载过程中处于准静态;
试验加载开始时,将岩石力学试验系统与CCD相机200拍摄同步触发开始试验,通过岩石力学试验系统向花岗岩试样慢慢施加轴向加载力,直到当花岗岩试样在轴向压力作用下发生破坏时,立即停止试验;在整个试验加载过程,通过CCD相机200连续拍摄捕捉花岗岩试样散斑面101的图像。
第4步,基于第3步得到花岗岩试样散斑面图像,计算出本实施例花岗岩试样散斑面101全场位移;
在本实施例中,计算该散斑面101全场位移的具体操作过程如下:
先通过数字图像相关法将第3步得到的花岗岩试样散斑面图像划分为若干个子区,然后通过下式(1)和(2),计算出花岗岩试样散斑面101各个子区的x、y向位移,最后再将求得的花岗岩试样散斑面101各子区位移场进行组合,即可得出花岗岩试样散斑面101的全场位移分布;
上式(1)和(2)中,为参考子区位移的一阶偏导数,u0,v0分别为参考子区中心点沿x、y向的位移值;dx为花岗岩试样散斑面某一子区在x向的位移值,dy为花岗岩试样散斑面某一子区在y向的位移值;x向为与花岗岩试样轴向加载方向相垂直的试样侧向,y向为花岗岩试样的轴向加载方向;x0与y0为花岗岩试样散斑面某一子区变形前其中心点沿x与y方向的坐标,xi与yi为花岗岩试样散斑面某一子区变形前其内任一点沿x与y方向的坐标,x'i与y'i为花岗岩试样散斑面某一子区变形后其内任一点沿x与y方向的坐标;
第5步,计算本实施例花岗岩试样散斑面101全场应变;
在本实施例中,计算该散斑面101全场应变的具体过程如下:
先通过下式(3)和(4)计算出花岗岩试样散斑面101各子区的x、y向应变,然后再将求得的花岗岩试样散斑面101各子区应变进行组合,即可得到花岗岩试样散斑面101的全场应变分布;
第6步,计算本实施例花岗岩试样的体积应变εv、弹性体积应变εe及裂纹体积应变εcv;
在本实施例中,计算上述体积应变εv、弹性体积应变εe及裂纹体积应变εcv的具体过程如下:
先通过下式(5)计算出花岗岩试样的体积应变,然后再通过下式(6)计算出花岗岩试样的弹性体积应变,最后再通过下式(7)求得花岗岩试样的裂纹体积应变;
εcv=εv-εe (7)
上式(5)中,m为沿y向的子区总数,n为沿x向的子区总数,εx(i,j)为花岗岩试样散斑表面第i行,第j列相应子区的x向应变,εy(i,j)为花岗岩试样散斑表面第i行,第j列相应子区的y向应变,εv为花岗岩试样的体积应变;
上式(6)中,v为花岗岩试样的泊松比,E为花岗岩试样的弹性模量,σ为花岗岩试样轴向应力,εe为花岗岩试样的弹性体积应变;
上式(7)中,εcv为花岗岩试样的裂纹体积应变,εv为花岗岩试样的体积应变,εe为花岗岩试样的弹性体积应变;
第7步,获取本实施例花岗岩试样轴向应力-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线及裂纹体积应变-轴向应变曲线,并将他们绘制在同一副图中,参阅图3所示;
第8步,根据第7步绘制的曲线图,分析出本实施例花岗岩试样的体积应变及裂纹体积应变随轴向应变变换的规律,确定出本实施例花岗岩试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值。
图3为采用本发明基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法以上述脆性花岗岩为试验实施例,所获得的轴向应力-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线及裂纹体积应变-轴向应变曲线;由该图结果分析可知,该脆性花岗岩的裂纹体积应变εcv和体积应变εv随轴向应变变化具有较为明显的特征:其中:其体积应变εv随轴向应变的变化是呈先增加后减小的趋势变化的,且具有一个峰值;而裂纹体积应变εcv随轴向应变的变化是呈先增加后平缓变化再下降的趋势变化,且存在两个较为明显的应变转折点。
如图3所示,在本实施例中,当花岗岩试样裂纹体积应变εcv刚进入平缓变化阶段时(见图3中a点),其所对应的轴向应力值即为裂纹闭合应力σcc(见图3中b点),其数值为7.6MPa,此时所对应的轴向应变为0.06%,裂纹闭合应力与峰值应力的比值为6.7%;
当花岗岩试样裂纹体积应变εcv从平缓变化阶段开始减小时(见图3中c点),其所对应的轴向应力即为裂纹起裂应力σci(见图3中d点),其数值为35.2MPa,此时所对应的轴向应变为0.116%,裂纹起裂应力与峰值应力的比值为31.2%;
当花岗岩试样体积应变εv达到峰值强度时(见图3中e点),其所对应的轴向应力即为裂纹损伤应力σcd,其数值为82.3MPa,此时所对应的轴向应变为0.184%,裂纹损伤应力与峰值应力的比值为72.8%;
当花岗岩试样轴向应力-轴向应变曲线趋于峰值时(见图3中f点),其所对应的轴向应力即为岩石试样的峰值应力σp。
另外说明,对比传统应变计算法或声发射方法获得的裂纹应力门槛值,由传统应变计算法或声发射方法获得的裂纹起裂应力与峰值应力的比值范围普遍为0.3-0.5,裂纹损伤应力与峰值应力的比值范围普遍为0.7-0.85。由上述实施例可知,本发明所确定的以上两个应力(即裂纹起裂应力和裂纹损伤应力)与峰值应力的比值均处于上述比值范围内,故而本发明提供的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值方法所得到的结果能够符合大量数据的统计结果,且具有普适性和更精确的特点。
最后说明,以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其特征在于:包含如下步骤:
S1、制作岩石试样;
S2、对岩石试样表面进行散斑处理;
S3、试验加载,采集岩石试样散斑面在试验加载过程中的图像;
S4、计算岩石试样散斑面的全场位移:即先将步骤S3得到的岩石试样散斑面图像划分为若干个子区,然后通过下式(1)和(2),计算出各个子区的x、y向位移,最后再将各子区位移场进行组合,即可得到岩石试样散斑面的全场位移分布;
式(1)和(2)中,为参考子区位移的一阶偏导数,u0,v0分别为参考子区中心点沿x、y向的位移值;dx为岩石试样散斑面某一子区在x向的位移值,dy为岩石试样散斑面某一子区在y向的位移值;x向为与岩石试样轴向加载方向相垂直的试样侧向,y向为岩石试样的轴向加载方向;x0与y0为岩石试样散斑面某一子区变形前其中心点沿x与y方向的坐标,xi与yi为岩石试样散斑面某一子区变形前其内任一点沿x与y方向的坐标,xi'与yi'为岩石试样散斑面某一子区变形后其内任一点沿x与y方向的坐标;
S5、计算岩石试样散斑面的全场应变:即在通过上式(1)和(2),得到各子区的x、y向位移后,先通过下式(3)和(4)计算出各子区的x、y向应变,然后将各子区应变进行组合,即可得到岩石试样散斑面的全场应变分布;
S6、计算岩石试样体积应变、弹性体积应变及裂纹体积应变:即在通过上式(3)和(4)得到各子区的x、y向应变后,先通过下式(5)计算出岩石试样的体积应变,然后通过下式(6)计算出岩石试样的弹性体积应变,最后再通过下式(7)求得试样的裂纹体积应变;
εcv=εv-εe (7)
式(5)中,m为沿y向的子区总数,n为沿x向的子区总数,εx(i,j)为岩石试样散斑表面第i行,第j列相应子区的x向应变,εy(i,j)为岩石试样散斑表面第i行,第j列相应子区的y向应变,εv为岩石试样的体积应变;
式(6)中,v为岩石试样的泊松比,E为岩石试样的弹性模量,σ为岩石试样轴向应力,εe为试样的弹性体积应变;
式(7)中,εcv为岩石试样的裂纹体积应变,εv为岩石试样的体积应变,εe为岩石试样的弹性体积应变;
S7、获取岩石试样体积应变-轴向应变曲线、裂纹体积应变-轴向应变曲线及轴向应力-轴向应变曲线,并绘制在同一幅 图中;
S8、判断岩石试样体积应变及裂纹体积应变相对岩石试样轴向应变的变化规律,确定岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值。
2.根据权利要求1所述的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其特征在于:所述步骤S1的具体步骤为:先采用相应的切割设备将待测岩石材料切割成试验所需的试样形状及尺寸规格,然后再对其试样表面进行打磨,以便于后续的散斑处理。
3.根据权利要求1所述的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其特征在于:所述步骤S2的具体步骤为:先采用相应的喷涂设备将白色哑光漆均匀地涂抹在步骤S1制备完成的岩石试样表面作为背景色,并经过20~30min的凝固后,再采用相应的喷涂设备将黑色哑光漆随机喷洒在已经凝固的白色哑光漆上面,形成黑白相间且可随时岩石试样变形的散斑面。
4.根据权利要求1所述的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其特征在于:所述步骤S3的具体步骤为:
试验加载开始前,先将表面经过散斑处理的岩石试样放置在相应的岩石力学试验系统上,并将岩石试样散斑面朝向试验观测方向,然后再在试验观测方向设置一台CCD相机,并调整CCD相机的拍摄方向,使之垂直于岩石试样散斑面,与此同时设置好CCD相机的拍摄速率,最后再设置好岩石力学试验系统的轴向加载速率,以保证岩石试样在加载过程中处于准静态;
试验加载开始时,将岩石力学试验系统与CCD相机拍摄同步触发开始试验,直到岩石试样在轴向压力作用下发生破坏时,立即停止试验;
在整个试验加载过程中,通过CCD相机连续拍摄捕捉岩石试样散斑面的图像。
5.根据权利要求1所述的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其特征在于:所述步骤S7的具体步骤为:先将步骤S6中所得到的岩石试样体积应变εv与岩石试样裂纹体积应变εcv相对于岩石试样的轴向应变分别绘制出相应的体积应变-轴向应变曲线和裂纹体积应变-轴向应变曲线;然后再将上述的体积应变-轴向应变曲线和裂纹体积应变-轴向应变曲线与岩石试样的轴向应力-轴向应变曲线一起绘制在同一幅图中;其中,岩石试样的轴向应力为试验加载在试样轴向的轴向力,轴向应变为岩石试样的轴向应力与岩石试样的横截面积比值。
6.根据权利要求1所述的基于全场应变测量判别岩石裂纹应力门槛值的方法,其特征在于:所述步骤S8的具体步骤为:根据步骤S7所绘制在同一幅 图中的岩石试样体积应变-轴向应变曲线、裂纹体积应变-轴向应变曲线及轴向应力-轴向应变曲线,分析判断出体积应变和裂纹体积应变随轴向应变变化的规律,确定出岩石试样包含裂纹闭合应力、裂纹起裂应力、裂纹损伤应力及峰值应力在内的这四种不同裂纹应力门槛值;
当岩石试样裂纹体积应变-轴向应变曲线开始趋于平直稳定段时,此时所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹闭合应力;
当岩石试样裂纹体积应变-轴向应变曲线从平直稳定段开始减小时,此时所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹起裂应力;
当岩石试样体积应变-轴向应变曲线达到其峰值时,其峰值所对应的轴向应力即为岩石试样的裂纹损伤应力;
当岩石试样轴向应力-轴向应变曲线趋于峰值时,其所对应的轴向应力即为岩石试样的峰值应力。
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