技術(shù)領(lǐng)域:

本發(fā)明屬于巖石破壞預(yù)測(cè)領(lǐng)域，涉及一種巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)方法，從數(shù)字圖像相關(guān)方法中獲取全場(chǎng)應(yīng)變，從其中選出典型點(diǎn)作為研究對(duì)象，探討典型點(diǎn)破壞前后應(yīng)變變化規(guī)律，從中找到破壞的應(yīng)變閾值，從而實(shí)現(xiàn)巖石破壞預(yù)測(cè)。

背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)的力學(xué)研究通常假定材料是連續(xù)均勻的，不考慮材料本身的缺陷或者裂紋，但是地下巖體中裂紋隨處可見，而且由于裂紋的存在大大降低了巖體的宏觀剛度，使得掩體的變形加劇，導(dǎo)致工程事故的發(fā)生?，F(xiàn)有技術(shù)中，一般學(xué)者在研究巖石破壞時(shí)以理論分析為主，提出了各種巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則及修正方法，包括應(yīng)用最早也是最廣泛的莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，但是由于巖石的復(fù)雜性及隨機(jī)性，這些方法普遍存在缺陷，對(duì)很多問題并沒有解決好的解決辦法。后續(xù)有學(xué)者對(duì)上述方法進(jìn)行改進(jìn)和修正，也有學(xué)者提出統(tǒng)一強(qiáng)度理論，但沒有哪一種理論能夠完全描述巖石破壞機(jī)理；還有一部分學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法研究巖石破壞，陳新等用abaqus有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算及起裂機(jī)制分析；胡明研應(yīng)用abaqus有限元軟件對(duì)層狀復(fù)合巖石進(jìn)行數(shù)值模擬研究，但是他們大多數(shù)都有一定的理論支持，數(shù)值模型以驗(yàn)證可行性為目的。

通過實(shí)驗(yàn)的方式研究巖石，能夠最直接獲得有效數(shù)據(jù)，隨著研究方法的不斷進(jìn)步，對(duì)于巖石的研究也不斷加深，周火明等人用ct研究巖石，但是ct在普通實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)，這也限制了其發(fā)展，而數(shù)字圖像相關(guān)法相比于其他方法具有以其非接觸式測(cè)量全場(chǎng)應(yīng)變等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于巖石研究，但是傳統(tǒng)的壓縮試驗(yàn)，只能得到巖石破壞之前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及其峰值強(qiáng)度，這對(duì)巖石工程的發(fā)展和巖石力學(xué)性質(zhì)的深入研究，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，因此本發(fā)明設(shè)計(jì)一種預(yù)測(cè)巖石破壞的方法，從數(shù)字圖像相關(guān)方法中獲取巖石的全場(chǎng)應(yīng)變，探討典型點(diǎn)破壞前后應(yīng)變變化規(guī)律，從中找到破壞的應(yīng)變閾值，從而實(shí)現(xiàn)巖石破壞預(yù)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)一種巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)方法，提取巖石破壞過程中典型點(diǎn)在破壞前后的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，尋求巖石破壞時(shí)應(yīng)變的大小，以實(shí)現(xiàn)巖石破壞的預(yù)測(cè)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)裝置中實(shí)現(xiàn)的，該裝置的主體結(jié)構(gòu)包括：萬能試驗(yàn)機(jī)、萬能試驗(yàn)控制系統(tǒng)、ccd工業(yè)相機(jī)和電腦，萬能試驗(yàn)機(jī)用以壓縮砂巖試樣，萬能試驗(yàn)控制系統(tǒng)與萬能試驗(yàn)機(jī)連接，用以控制萬能試驗(yàn)機(jī)的啟動(dòng)和停止，所述萬能試驗(yàn)機(jī)的前方置有ccd工業(yè)相機(jī)，用以對(duì)萬能試驗(yàn)機(jī)在壓縮砂巖試樣過程進(jìn)行圖像采集，所述ccd工業(yè)相機(jī)與電腦相連，用以保存采集的圖像。

利用該巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)裝置進(jìn)行巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)，具體測(cè)試方法按照如下步驟進(jìn)行：

1、選擇砂巖試樣的尺寸為直徑50mm，高100mm的圓柱體，將砂巖試樣的前表面噴黑色啞光漆作為散斑，散斑用以作為對(duì)比變形前后的重要信息，所述散斑均勻隨機(jī)分布；

2、調(diào)試ccd工業(yè)相機(jī)和萬能試驗(yàn)機(jī)，將砂巖試樣置于萬能試驗(yàn)機(jī)的正中間位置，并將砂巖試樣上噴有散斑的一面朝向ccd工業(yè)相機(jī)，將萬能試驗(yàn)機(jī)的加載速度調(diào)至0.1mpa/s，采集速度2幅/s，光源采用普通白光，根據(jù)成像亮暗程度進(jìn)行光源亮度增減，以使光源達(dá)到符合要求的亮度；

3、按照步驟2所述方式調(diào)整好位置后，利用ccd工業(yè)相機(jī)拍攝一幅bmp格式圖像作為變形前的原始參考圖像存儲(chǔ)至電腦，作為初始對(duì)比圖像備用；

4、啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)和ccd工業(yè)相機(jī)，利用ccd工業(yè)相機(jī)采集萬能試驗(yàn)機(jī)壓縮砂巖試樣過程的圖像，并將采集到的圖像作為變形后的序列目標(biāo)圖像；上述過程持續(xù)至砂巖試樣壓縮破壞后，關(guān)閉萬能試驗(yàn)機(jī)和ccd工業(yè)相機(jī)，結(jié)束圖像采集；

5、從步驟4中將采集到的圖像挑選出10-15幅備用，圖像選擇以臨近破壞時(shí)間段為主；

6、利用數(shù)字圖像相關(guān)方法，對(duì)步驟3采集得到的原始圖像和步驟5篩選的變形后的目標(biāo)圖像進(jìn)行對(duì)比分析，得到變化后的圖像相對(duì)于變化前的圖像的位移和應(yīng)變信息，其中，數(shù)字圖像相關(guān)方法的原理是：利用對(duì)比變形前后兩幅圖片的灰度信息，尋找到與變形前相關(guān)性最大的區(qū)域作為變形后的子區(qū)，從而計(jì)算得出變形后的位移和應(yīng)變信息，具體相關(guān)性計(jì)算公式如下：

其中:f(x,y)和g(x+u,y+v)分別表示圖像各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值；fm和gm是其圖像子區(qū)的平均灰度值；u、v是子區(qū)中心的位移，單位為像素；

7、由步驟6得到全場(chǎng)的應(yīng)變信息，從全場(chǎng)的應(yīng)變信息中選取多個(gè)典型的點(diǎn)作為研究對(duì)象，例如典型點(diǎn)選取為前期破壞點(diǎn)a、中期破壞點(diǎn)b、末期破壞點(diǎn)c和全程未破壞點(diǎn)d來作為對(duì)比點(diǎn)，分別作出四個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨時(shí)間的變化曲線，得到四個(gè)點(diǎn)在壓縮過程中的應(yīng)變變化，從而獲得砂巖破壞時(shí)的應(yīng)變值大小，作出應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系；

8、根據(jù)作出應(yīng)變-時(shí)間曲線，分析得到砂巖式樣的破壞應(yīng)變閾值，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生破壞時(shí)都會(huì)有應(yīng)變值得突變，取突變前的應(yīng)變值作為破壞閾值的判斷，實(shí)現(xiàn)砂巖破壞預(yù)測(cè)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，數(shù)字圖像相關(guān)法進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠準(zhǔn)確獲得全場(chǎng)的應(yīng)變信息，克服了傳統(tǒng)方法在對(duì)于巖石破壞位置的不確定情況下測(cè)量不準(zhǔn)確的缺陷，通過研究典型點(diǎn)的應(yīng)變值來判斷其巖石破壞，能夠從細(xì)觀分析位移及形變，范圍更小，精度更高，更能反映真實(shí)的巖石破壞規(guī)律，克服了現(xiàn)有技術(shù)中只通過分析壓縮過程中的壓力-時(shí)間曲線獲得壓縮時(shí)巖石破壞的平均值，并不能很好的反映局部破壞的情形的缺陷，該方法設(shè)計(jì)構(gòu)思巧妙，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)用環(huán)境友好，市場(chǎng)前景廣闊。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明涉及的預(yù)測(cè)設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明涉及的預(yù)測(cè)方法的工藝流程圖。

圖3為本發(fā)明涉及的壓縮砂巖試樣在加載速度0.1mpa/s時(shí)，a點(diǎn)131s時(shí)的x方向應(yīng)變圖。

圖4為本發(fā)明涉及的壓縮砂巖試樣在加載速度0.1mpa/s時(shí)，a點(diǎn)x方向的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例在巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)裝置中實(shí)現(xiàn)的，該裝置的主體結(jié)構(gòu)包括：萬能試驗(yàn)機(jī)1、萬能試驗(yàn)控制系統(tǒng)2、ccd工業(yè)相機(jī)3和電腦4，萬能試驗(yàn)機(jī)1用以壓縮砂巖試樣，萬能試驗(yàn)控制系統(tǒng)2與萬能試驗(yàn)機(jī)1連接，用以控制萬能試驗(yàn)機(jī)1的啟動(dòng)和停止，所述萬能試驗(yàn)機(jī)1的前方置有ccd工業(yè)相機(jī)3，用以對(duì)萬能試驗(yàn)機(jī)1在壓縮砂巖試樣過程進(jìn)行圖像采集，所述ccd工業(yè)相機(jī)3與電腦4相連，用以保存采集的圖像。

利用該巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)裝置進(jìn)行巖石壓縮破壞預(yù)測(cè)，具體測(cè)試方法按照如下步驟進(jìn)行：

1、選擇砂巖試樣的尺寸為直徑50mm，高100mm的圓柱體，將砂巖試樣的前表面噴黑色啞光漆作為散斑，散斑用以作為對(duì)比變形前后的重要信息，所述散斑均勻隨機(jī)分布；

2、調(diào)試圖像采集系統(tǒng)2和萬能試驗(yàn)機(jī)1，將砂巖式樣置于萬能試驗(yàn)機(jī)1的正中間位置，并將砂巖式樣上噴有散斑的一面朝向ccd工業(yè)相機(jī)3，將萬能試驗(yàn)機(jī)1的加載速度調(diào)至0.1mpa/s，采集速度2幅/s，光源可采用普通燈光，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行光源亮度增減，以使光源達(dá)到符合要求的亮度；

3、按照步驟2所述方式調(diào)整好位置后，利用ccd工業(yè)相機(jī)3拍攝一幅bmp格式圖像作為變形前的原始參考圖像存儲(chǔ)至電腦4，作為初始對(duì)比圖像備用；

4、啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)1和ccd工業(yè)相機(jī)3，利用ccd工業(yè)相機(jī)3采集萬能試驗(yàn)機(jī)1壓縮砂巖試樣過程的圖像，并將采集到的圖像作為變形后的目標(biāo)圖像；上述過程持續(xù)至砂巖式樣壓縮破壞后，關(guān)閉萬能試驗(yàn)機(jī)1和ccd工業(yè)相機(jī)3，結(jié)束圖像采集；

5、從步驟4中將采集到的圖像挑選出10-15幅備用，圖像選擇以臨近破壞時(shí)間段為主；

6、利用數(shù)字圖像相關(guān)方法，對(duì)步驟3采集得到的原始圖像和步驟5篩選的變形后的目標(biāo)圖像進(jìn)行對(duì)比分析，得到變化后的圖像相對(duì)于變化前的圖像的位移和應(yīng)變信息，其中，數(shù)字圖像相關(guān)方法的原理是：利用對(duì)比變形前后兩幅圖片的灰度信息，尋找到與變形前相關(guān)性最大的區(qū)域作為變形后的子區(qū)，從而計(jì)算得出變形后的位移和應(yīng)變信息，具體相關(guān)性計(jì)算公式如下：

其中:f(x,y)和g(x+u,y+v)分別表示圖像各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值；fm和gm是其圖像子區(qū)的平均灰度值；u、v是子區(qū)中心的位移，單位為像素；

7、由步驟6得到全場(chǎng)的應(yīng)變信息，從全場(chǎng)的應(yīng)變信息中選取四個(gè)典型的點(diǎn)作為研究對(duì)象，典型點(diǎn)選取為前期破壞點(diǎn)a、中期破壞點(diǎn)b、末期破壞點(diǎn)c和全程未破壞點(diǎn)d來作為對(duì)比點(diǎn)，分別作出四個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨時(shí)間的變化曲線，得到四個(gè)點(diǎn)在壓縮過程中的應(yīng)變變化，從而獲得砂巖破壞時(shí)的應(yīng)變值大小，作出應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系；

8、根據(jù)作出應(yīng)變-時(shí)間曲線，分析得到砂巖式樣的破壞應(yīng)變閾值，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生破壞時(shí)都會(huì)有應(yīng)變值得突變，取突變前的應(yīng)變值作為破壞閾值的判斷，實(shí)現(xiàn)砂巖破壞預(yù)測(cè)。

實(shí)施例2：

通過實(shí)施例1所述的方法對(duì)砂巖試樣的a點(diǎn)進(jìn)行砂巖破壞預(yù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示，在加載速度0.1mpa/s時(shí)，在131s之前應(yīng)變值變化不大，且呈近似線性增長(zhǎng)；從第131s的0.0044到131.5s的0.011這段時(shí)間應(yīng)變值發(fā)生了比較大的變化，應(yīng)變曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)，則預(yù)測(cè)a點(diǎn)破壞發(fā)生時(shí)間大約為131s，a點(diǎn)破壞的應(yīng)變值近似為0.011。