CN113656959B - 一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，包括：将岩石试样放置于霍普金森压杆装置内，检测岩石试样断裂过程中对岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况；对岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹；检测断裂轨迹上的位移信息；依据各点的运动情况、位移信息，采用数字图像相关技术，获取岩石试样在动态断裂过程中裂纹位移特征信息和应变特征信息；将位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数；基于局部位移分析，完成对裂纹尖端附近的位移分析，对动态断裂模式进行分类。该分类方法的目的是解决传统的岩石动态断裂模式分类方法的分类精准度低且难度大的问题。
Description
技术领域
本发明属于岩体力学和岩土工程研究技术领域，具体涉及一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法。
背景技术
按照断裂力学的基本概念，可以将断裂的位移场分为三种基本模式，即I型(拉伸型裂纹或张开型裂纹)、II型(平面内剪切裂纹或滑动型裂纹)和III型(反平面剪切型裂纹或撕裂型裂纹)。而更复杂的裂纹，可以由这三种简单的裂纹组合形成，称为复合型裂纹。基于断裂力学的概念以及以往的研究，可以得出，断裂方式与裂纹尖端附近的位移场有关。因此可以通过对裂纹尖端位移场的具体研究，基于对裂纹尖端位移演化的研究，实现对含节理岩石动态断裂模式的更为准确的划分。
然而由于无法预知断裂轨迹，传统的测量方法只能记录裂纹尖端附近的应变演化，已有相关学者对含节理岩石动态断裂类型进行了划分，但大多通过目视检查的方法，这种方法的误差性较大，且断口形貌的区分具有挑战性，难以准确快速地进行分类。
有鉴于此，本领域技术人员亟需提供一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法用于解决上述问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明解决的技术问题是传统的岩石动态断裂模式分类方法的分类精准度低且难度大。
(二)技术方案
本发明提供了一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，该方法包括以下步骤：
将岩石试样放置于霍普金森压杆装置内，检测所述岩石试样断裂过程中对所述岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况；
对所述岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹；
检测所述断裂轨迹上的位移信息；
依据所述各点的运动情况、所述位移信息，采用数字图像相关技术，获取岩石试样在动态断裂过程中裂纹位移特征信息和应变特征信息；
将所述位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数；
基于局部位移分析，完成对裂纹尖端附近的位移分析，对动态断裂模式进行分类。
进一步地，所述将岩石试样放置于霍普金森压杆装置内，检测所述岩石试样断裂过程中对所述岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况，具体为：
将所述岩石试样放置于所述霍普金森压杆装置，在所述岩石试样所处位置处架设超高速摄像机，以便在所述岩石试样断裂过程中对岩石试样瞬态动态断裂过程进行检测。
进一步地，所述对所述岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹，具体为：
对所述岩石试样进行动态力学试验，所述岩石试样在动态载荷的冲击作用下发生破坏，产生裂纹，同时裂纹尖端不断进行扩展，最终形成相应的断裂轨迹。
进一步地，所述检测所述断裂轨迹上的位移信息，具体为：
在所述裂纹断裂轨迹上布置数字检测线检测其位移。
进一步地，所述数字延伸计和所述数字检测线分别垂直于裂纹方向布置。
进一步地，所述将所述位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数，具体为：
所述局部坐标系(x′，y′)相对于所述原始坐标系(x，y)逆时针旋转一个β角，在所述局部坐标系中，检测线上的位移可分解为法向部分和切向部分，其中y′的坐标方向与所述断裂轨迹垂直。
进一步地，所述将所述位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数，具体包括如下步骤：
计算位移的一端端点O在局部坐标系下的位移参数，并推导出平行于裂隙面和垂直于裂隙面的局部位移；
计算位移的另一端端点O′在局部坐标系下的位移参数，并推导出平行于裂隙面和垂直于裂隙面的局部位移；
利用两点处的局部位移计算出端点O和O′的相对位移；其中，
端点O在局部坐标系下的位移参数表示为：
式中，表示端点O的位移，Ds(O)、Dn(O)分别表示局部坐标系中的切向分量和法向分量；u(O)、v(O)分别表示/>在原始坐标系的位移分量。
(三)有益效果
本发明提供的基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，基于DIC技术可以快速准确获取位移场和应变场，弥补了以往目视检查技术的挑战性和不精确性，简化了分类步骤，降低了工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法中的超高速摄像机架设方式及位置示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法中的数字检测仪布置示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法中的O点处坐标转换示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法中的断裂方式分类示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
根据本发明实施例提供的本发明提供了一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S100、将岩石试样放置于霍普金森压杆装置(SHPB)内，检测岩石试样断裂过程中对岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况；
S200、对岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹；
S300、检测断裂轨迹上的位移信息；
S400、依据各点的运动情况、位移信息，采用数字图像相关技术，获取岩石试样在动态断裂过程中裂纹位移特征信息和应变特征信息；
S500、将位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数；
S600、基于局部位移分析，完成对裂纹尖端附近的位移分析，对动态断裂模式进行分类。
在上述实施方式中，DIC技术被广泛应用于岩石断裂力学研究中，包括裂纹尖端应变场测量、裂纹尖端张开位移测量以及高温下裂纹尖端应变场测量等。数字图像相关(DIC)技术是一种非接触式现代光学测量技术，其可以对全场位移和应变进行量化分析，主要通过计算试件表面变形前后的散斑图像灰度而实现。该技术相较于传统岩石力学实验系统具有诸多优势：非接触式的测量方法避免了对目标试样的损伤，消除了对试样变形过程的外力影响；实验设备操作简单，显示结果直观形象；测试范围广，支持全域测量。
为了方便位移分析，采用了一种类似于在构造学领域中基于全球定位系统(GPS)测量监测断层滑动时常用的方法。在该方法种，局部坐标系相对于初始坐标系旋转了一个角度，局部坐标系中位移可分解为沿断裂方向和垂直于裂纹方向两个方向的位移，而每个方向的位移又可由初始位移的水平和竖直方向的位移分解而来。
本发明基于DIC技术可以快速准确获取位移场和应变场，弥补了以往目视检查技术的挑战性和不精确性，简化了分类步骤，降低了工作量。而值得注意的是，在本方法中，假定为普遍的平面应力状态，不考虑第三种破坏类型。本方法关注的是断裂过程，直到主要断裂到达板的边缘，因此，试样的灾难性破碎超出了范围。
步骤S400中，利用数字图像相关(DIC)技术识别子集的移动和变形，在参考图像和变形图像序列之间匹配相同的像素点，获取试样的散斑图像及其位移场，并研究其动态断裂过程中裂纹位移应变的演化规律，定义一个相关系数C来确定参考子集和变形子集之间的最佳匹配。
步骤S600中，对获得的两端点之间的相对法向位移和相对切向位移进行比较，完成对裂纹尖端附近的位移分析，对岩石动态断裂模式进行分类。可将断裂模式分为四种类型：T型、T-s型、S-t型、S型，详见附图5。
具体分析过程为：
第一种类型为T型裂纹或拉伸裂纹，其特征是位移趋势线相互发散，几乎垂直于裂纹轨迹，也即在局部坐标系中，两端点法向相对位移远大于切向相对位移，切向位移几乎可以忽略，则可视为拉伸作用产生的裂纹，为拉伸裂纹；
第二种类型为T-s型裂纹或拉伸-剪切裂纹，其特征为具有两条位移趋势线，分别表现为在局部坐标系中两端点相对法向位移大于相对切向位移，但相对切向位移不可忽略，表明在该处存在相对拉伸位移和相对剪切位移，但相对拉伸位移大于相对剪切位移，即为拉伸-剪切裂纹；
第三种类型为S-t型断裂或剪切-拉伸裂纹，其特征为具有两条位移趋势线，分别表现为在局部坐标系中两端点相对切向位移大于法向位移，但相对法向位移不可忽略，表明在该处村子相对剪切位移和相对拉伸位移，但相对剪切位移大于相对拉伸位移，即为剪切-拉伸位移。
第四种类型为S型裂纹或剪切裂纹，其特征为具有两条位移趋势线，彼此相互偏离且接近于与裂缝轨迹平行，也即在局部坐标系中，两端点切向相对位移远大于法向相对位移，法向相对位移可以忽略，则可视为剪切作用产生的破坏，即为剪切裂纹。
四种类型的划分由裂纹附近位移趋势线决定，T型、T-s型、S-t型、S型四种类型位移趋势线特点分别为相互发散且垂直于裂纹轨迹、相对拉伸位移趋势线大于相对剪切位移趋势线、相对剪切位移趋势线大于相对拉伸位移趋势线、位移趋势线相互平行且错开。
在一些可选的实施例中，步骤S100中，将岩石试样放置于霍普金森压杆装置内，检测岩石试样断裂过程中对岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况，具体为：
将岩石试样放置于霍普金森压杆装置，在岩石试样所处位置处架设超高速摄像机，以便在岩石试样断裂过程中对岩石试样瞬态动态断裂过程进行检测。
具体地，利用超高速摄像机检测瞬态动态断裂过程时，超高速摄像机可以500万帧/秒的速度捕捉到924*768的全分辨率180帧。超高速摄像机架设方式如图2所示。该装置超高速摄像机布设在目标试样前，由动态加载系统(SHPB)产生入射冲击波触发相机，进行拍摄，可以记录动态加载下含节理岩石试样的动态断裂过程。
在一些可选的实施例中，步骤S200中，对岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹，具体为：
对岩石试样进行动态力学试验，岩石试样在动态载荷的冲击作用下发生破坏，产生裂纹，同时裂纹尖端不断进行扩展，最终形成相应的断裂轨迹。
在一些可选的实施例中，步骤S300中，检测断裂轨迹上的位移信息，具体为：
在裂纹断裂轨迹上布置数字检测线检测其位移。
在一些可选的实施例中，数字检测线分别垂直于裂纹方向布置。
具体地，在裂纹方向变化处共布置19个数字延伸计和数字检测仪，编号为A到S，其具体布设方式、数量及编号如图3所示。
在一些可选的实施例中，步骤S500中，将位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数，具体为：
局部坐标系(x′，y′)相对于原始坐标系(x，y)逆时针旋转一个β角，在局部坐标系中，检测线上的位移可分解为法向部分和切向部分，其中y′的坐标方向与断裂轨迹垂直。
在一些可选的实施例中，步骤S500中，将位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数，具体包括如下步骤：
S501、计算位移的一端端点O在局部坐标系下的位移参数，并推导出平行于裂隙面和垂直于裂隙面的局部位移；
S502、计算位移的另一端端点O′在局部坐标系下的位移参数，并推导出平行于裂隙面和垂直于裂隙面的局部位移；
S503、利用两点处的局部位移计算出端点O和O′的相对位移；其中，
端点O在局部坐标系下的位移参数表示为：
式中，表示端点O的位移，Ds(O)、Dn(O)分别表示局部坐标系中的切向分量和法向分量；u(O)、v(O)分别表示/>在原始坐标系的位移分量。
具体地，通过对初始坐标系和局部坐标系的转换，得到点O的解析位移。具体坐标系转换方法结合图4说明。如图4中所示，局部坐标系中位移Ds(O)、Dn(O)可由初始坐标系中水平方向位移与竖直方向位移分解而来，如下公式：
本发明在原有分类方法以及断裂力学概念的基础上，根据裂纹尖端的局部位移参数，基于数字图像相关(DIC)技术，引入了一种类似于在构造学领域中基于全球定位系统(GPS)测量监测断层滑动时常用的方法，可以快速准确获取位移场和应变场，弥补了以往目视检查技术的挑战性和不精确性，简化了分类步骤，降低了工作量。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (5)
1.一种基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将岩石试样放置于霍普金森压杆装置内，检测所述岩石试样断裂过程中对所述岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况；
对所述岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹；
检测所述断裂轨迹上的位移信息；
依据所述各点的运动情况、所述位移信息，采用数字图像相关技术，获取岩石试样在动态断裂过程中裂纹位移特征信息和应变特征信息；
将所述位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数；
基于局部位移分析，完成对裂纹尖端附近的位移分析，对动态断裂模式进行分类；
所述将所述位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数，具体为：
所述局部坐标系(x′，y′)相对于原始坐标系(x，y)逆时针旋转一个β角，在所述局部坐标系中，检测线上的位移可分解为法向部分和切向部分，其中y′的坐标方向与所述断裂轨迹垂直；
所述将所述位移信息通过坐标转化为局部坐标系下的位移参数，具体包括如下步骤：
计算位移的一端端点O在局部坐标系下的位移参数，并推导出平行于裂隙面和垂直于裂隙面的局部位移；
计算位移的另一端端点O′在局部坐标系下的位移参数，并推导出平行于裂隙面和垂直于裂隙面的局部位移；
利用两点处的局部位移计算出端点O和O′的相对位移；其中，
端点O在局部坐标系下的位移参数表示为：
式中，表示端点O的位移，Ds(O)、Dn(O)分别表示局部坐标系中的切向分量和法向分量；u(O)、v(O)分别表示/>在原始坐标系的位移分量；
利用数字图像相关技术识别子集的移动和变形，在参考图像和变形图像序列之间匹配相同的像素点，获取试样的散斑图像及其位移场，并研究其动态断裂过程中裂纹位移及应变的演化规律，定义一个相关系数C来确定参考子集和变形子集之间的最佳匹配。
2.根据权利要求1所述的基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，其特征在于，所述将岩石试样放置于霍普金森压杆装置内，检测所述岩石试样断裂过程中对所述岩石试样的瞬态动态断裂过程中各点的运动情况，具体为：
将所述岩石试样放置于所述霍普金森压杆装置，在所述岩石试样所处位置处架设超高速摄像机，以便在所述岩石试样断裂过程中对岩石试样瞬态动态断裂过程进行检测。
3.根据权利要求1所述的基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，其特征在于，所述对所述岩石试样进行动态力学试验，获取相应的断裂轨迹，具体为：
对所述岩石试样进行动态力学试验，所述岩石试样在动态载荷的冲击作用下发生破坏，产生裂纹，同时裂纹尖端不断进行扩展，最终形成相应的断裂轨迹。
4.根据权利要求1所述的基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，其特征在于，所述检测所述断裂轨迹上的位移信息，具体为：
在所述裂纹断裂轨迹上布置数字检测线检测其位移。
5.根据权利要求4所述的基于光学测量的含节理岩石动态断裂模式的分类方法，其特征在于，数字延伸计和所述数字检测线分别垂直于裂纹方向布置。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 预制平行双节理类岩石材料板动态破坏试验研究;王奇智等;天津大学学报(自然科学与工程技术版)(第010期);1099-1108 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113656959A (zh) | 2021-11-16 |
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