数字散斑相关方法在岩石破坏测量中的发展与应用

岩石材料的破坏涉及许多岩石工程的安全，直接导致地震等灾害的发生，因而一直是岩石力学界的重要研究课题。但是，这一研究目前尚缺少一种理想的实验观测方法。本文结合岩石破坏过程的特点和数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理，发展了一种专门适用于岩石破坏过程测量的DSCM系统，并用此系统对岩石破坏中的一些重要问题进行实验研究，得到了一些有价值的结果。     

岩石动力学实验及其在油田开发中的应用

评述了岩石动力学实验方法的进展，介绍了常用的岩石力学动载实验方法间接法的声波法和霍普金森法，直接法的液压加载法和落锤加载法等。进一步讨论了动载下岩石压胀参数的测定，压胀参数在水力压裂设计中的应用，阐述了基于压胀机理的油气田压胀松动增产技术。     

基于DSCM-FEMU的岩石力学参数反演研究

将数字散斑相关方法(DSCM)与有限元模型修正方法(FEMU)相结合,建立了岩石力学参数反演流程。首先,通过数字散斑相关方法,获取实验中岩石试件受载条件下的应变场;其次,利用有限元模拟方法,获取数值模型中的应力场;最后,构建最小二乘目标函数,并且通过不断更新有限元模型中给定的力学参数进行优化计算。当目标函数收敛时,得到与实验结果最匹配的力学参数。研究结果表明:(1)数字散斑相关方法与有限元模型修正法相结合,可以实现材料的力学参数反演;(2)得到以实验应变场、有限元应力场、材料弹性模量和泊松比组成的参数优化目标函数;(3)以三点弯曲实验为例,反演得到花岗岩的弹性模量和泊松比。     

岩石损伤扩展特性的实验分析及其本构关系与数值模拟研究

摘要从岩石损伤CT细观实时实验观测到的裂纹扩展机理出发,对比分析宏观实验结果,得出正确合理的岩石损伤扩展的物理力学机制,基于岩石损伤演化的物理力学机制对岩石宏观破坏应力-应变全过程曲线进行分段,建立合理的分段岩石损伤本构模型和损伤演化方程,并给出相应的数值模拟方法.基于上述认识,完成了以下工作:博士学位论文 TESTING ANALYSIS AND NUMERICAL SIMULATION ON DAMAGE PROPAGATION CHARACTERISTICS OF ROCK AND ITS CONSTITUTIVE MODEL     

岩石破坏动态变形场观测系统及应用

基于高速图像采集设备和数字散斑相关方法（DSCM）,建立了一套岩石破坏动态变形场观测实验系统,介绍了系统的组成和原理,重点阐述了用于岩石动态变形测量时光源的选择、采集速率的设置和图像采集的触发等关键技术。用此动态变形场观测实验系统可完成动（静）态载荷作用下岩石破坏瞬间试件表面图像的准确高速采集,并进一步完成变形场的定量分析。用设计的系统完成了岩石巴西圆盘实验和岩石I型裂纹动态断裂实验,对动态变形场观测实验系统的可行性和有效性进行了验证。观测系统获得的脆性岩石失稳破坏过程中动态、定量的变形场数据可为深入研究岩石失稳破坏机理提供基础的数据和认识。     

井下地电观测漫谈

<正>地震的孕育和发生过程是以力学为主导的复杂过程,各种前兆在本质上都起源于力学作用,孕育体岩石所受应力方向和大小的变化都将引起岩体电阻率的各向异性的变化。地电观测就是通过测量岩石电阻率的相对变化过程来推断岩石的应力应变过程,从而预测发生地震的可能性。用地电阻率法观测地震是当今我国乃至世界预测地震的主要方法之一。井下地电观测是相对于传统的地表地电观测的新方式,它通过技术革新,采用新研制的观测装置及新的连     

循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

 将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130 kN,频率为0.04 Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明：循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。     

深部岩石动力学实验研究进展

深部岩石动态力学实验研究是深部岩石工程中的重点和难点。近年来,国内外学者利用围压霍普金森压杆在岩石动态力学实验研究中取得了丰硕的成果,系统地回顾和总结这些成果是十分有必要的。以围压霍普金森压杆深部岩石动态力学性质实验研究为主线,论述在实验装置、实验方法及实验结果等方面的最新进展。首先,介绍分离式霍普金森压杆的基本原理以及与其配套的动能陷阱技术;随后介绍用于深部岩石动力测试的围压分离式霍普金森压杆的发展进程,并系统讨论围压(轴向围压、静水围压、三轴围压)条件下岩石的动态压缩、拉伸、弯曲、剪切强度的实验方法及动态响应特性,总结深部岩石动态力学强度率相关性的结果并探讨其机制;接着介绍围压条件下岩石I型、II型动态断裂韧度的测试方法及实验结果。     

岩石力学随机参数的统计方法及研究现状综述

对确定岩石力学随机参数概率分布的各种方法和研究状况进行了论述，分析探讨了岩石力学随机变量参数分布类型的检验方法及岩石参数统计方法，并对其未来作了研究展望。     

人工神经网络与遗传算法在岩石力学中的应用

岩石力学与岩石工程问题包含极其丰富的内容，实际工程问题又不断地提出各种新的要求，致使很多问题利用传统的方法难于解决。借鉴其他相关学科的先进思想与技术来解决岩石力学研究中的难点问题，已经成为当前岩石力学研究领域的一个热门课题。计算智能中有关模型与方法的利用有助于我们更深入地研究与解决岩石力学中的某些问题。参考近年来人工神经网络与遗传算法在岩石力学应用中的某些问题，对有关课题的研究状况与进展做了介绍，对计算智能在岩石力学与岩石工程中的应用研究做了展望。     

岩石变形破坏局部化的白光数字散斑相关方法研究(英文)

介绍了白光数字散斑法的基本原理 ,并采用白光数字散斑相关方法研究了煤岩的变形局部化 ,通过实验测定了煤岩变形局部化的开始时刻、演化过程 ,首次获得了局部化带的宽度 ,为研究岩石非均匀变形的演化过程、测定岩石的细观本构参数提供了一种新的手段     

数字散斑相关方法测定岩石I型应力强度因子

提出一种通过数字散斑相关方法测定岩石I型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。采用数字散斑相关方法观测三点弯曲加载条件下,含I型预制裂纹的花岗岩半圆盘试件裂尖区域的位移场,采用牛顿–辛普森方法求解含未知参量的非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子。研究结果表明,采用该方法可以准确测定岩石I型应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,揭示岩石断裂及裂纹扩展的演化特征。该方法解决以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法计算岩石断裂参数的难题。     

岩石材料基于天然散斑场的变形观测方法研究

许多类岩石材料由于其成分的原因在表面形成良好的散斑结构，用DSCM方法对这些岩石材料进行变形观测时可直接拍摄表面得到散斑图。基于这种天然散斑场的变形观测方法，进行了岩石材料变形的观测实验，验证了方法的可行性和优越性。     

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

 利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明：(1) 隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2) 拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。     

含动态裂隙岩体的高精度数字散斑相关量测方法

数字图像相关与相关系数计算是数字散斑相关方法（ DSCM ）的基本原理与基础算法,然而,岩体在产生裂隙前后,会导致裂隙区数字图像相关性的明显改变和依据相关系数计算结果的错误判断,因此,常规以点为中心来构建图像相关分析像素块的方法必然会产生较大误差甚至错误。为此,基于岩体裂隙的分布特征及其简化型式的分析,提出一种简单有效的新方法——“一点五块”法以消除裂隙影响,在自行研制的 PhotoInfor 软件系统中实现了这一功能,并针对一含双孔岩石试件单轴压缩下的变形与破裂过程进行了应用研究。结果表明：①“一点五块”法有效解决了含有动态裂隙岩体的 DSCM 量测的精度问题,巩固了数字照相量测技术在岩石破裂演变全场精细观测实验中的优势地位;② “ 一点五块 ” 法同时可作为一种 DSCM 通用精度提高算法,应用于包含动态裂隙与非动态裂隙的材料变形量测中;③在岩石单轴压缩过程中, DSCM 获得了岩体变形破裂演变过程与轴向应力之间的关系,发现了岩体在峰值附近开始出现局部较大剪应变,但岩体结构的严重破坏则发生在接近残余应力阶段;④ DSCM 能够揭示岩体内部结构破裂情况与孔洞周围变形之间的时间关系,从而为进一步研究通过孔洞洞壁的位移来预测围岩内部变化的方法提供一个有效的手段。     

透明岩体相似物理模拟试验新方法研究

在传统岩土工程模型试验中,物理模型通常由不透明材料制备而成,变形的直接观测仅限于模型表面,而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测,致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。借鉴已有一定研究基础的透明土试验的思路与方法,以软岩相似物理模拟为突破口,针对透明相似材料的透明度、强度、相似性和变形量测等几个关键难题,系统研发了透明岩体模型的制作方法、试验加载系统、数字散斑照相量测等关键技术。通过透明岩体基本物理力学实验和相似物理模型试验研究,1提出了透明岩体试样的制备方法,获得了试样透明度较为理想的硅粉、液体石蜡以及正十三烷的配比参数,研制了一种适合模拟软岩物理力学性质与变形破裂特征的透明相似物理试验材料。2通过透明岩体试样内置人工测点和散斑面,分别采用激光切面和白光照射,提出了两种较为有效的透明岩体内部变形的数字照相观测方法。3建立了透明岩体相似物理模拟试验新方法,包括透明岩体组成材料的选择、试样制作的材料配比、制作过程要素控制、模型内测点和散斑面设置、数字照相量测以及配套加载物理试验系统等。     

基于岩土渐进变形特征的数字散斑相关优化分析法

图像分析效率是数字散斑相关方法(DSCM)在岩土工程试验应用中的关键问题之一,而一些岩土类材料在荷载作用下的位移大小与方向具有缓慢变化的图像特征。为提高DSCM图像分析效率,提出了一种基于岩土渐进变形特征的"局部定向搜索"(LDSM)优化分析方法,给出了该方法适用的前提条件以及具体算法和实用公式,并在自行研制的数字照相量测软件Photo Infor中编程实现了相应功能。此外,给出了"局部定向搜索法"的关键参数——搜索角度的推荐取值范围(30°~45°)。研究表明:"局部定向搜索"优化方法分析结果与常规方法相同;在搜索角度为45°时,其计算效率相对于常规方法提高(1.3~1.6)倍;随着测点数量的增多,计算效率呈现出一定的稳定性。局部定向搜索法对于DSCM在岩土力学与工程试验研究领域中的广泛应用,具有比较重要的的实用价值。     

Geomechanical model test for analysis of surrounding rock behaviours in composite strata

Due to the large differences in physico-mechanical pro perties of composite strata,jamming,head sinking and other serious consequences occur frequently during tunnel boring machine(TBM) excavation.To analyse the stability of surrounding rocks in composite strata under the disturbance of TBM excavation,a geomechanical model test was carried out based on the Lanzhou water supply project.The evolution patterns and distribution characteristics of the strain,stress,and tunnel deformation and fracturing were analysed.The results showed that during TBM excavation in the horizontal composite formations(with upper soft and lower hard layers and with upper hard and lower soft layers),a significant difference in response to the surrounding rocks can be observed.As the strength ratio of the surrounding rocks decreases,the ratio of the maximum strain of the hard rock mass to that of the relatively soft rock mass gradually decreases.The radial stress of the relatively soft rock mass is smaller than that of the hard rock mass in both types of composite strata,indicating that the weak rock mass in the composite formation results in the difference in the mechanical behaviours of the surrounding rocks.The displacement field of the surrounding rocks obtained by the digital speckle correlation method(DSCM) and the macro-fracture morphology after tunnel excavation visually reflected the deformation difference of the composite rock mass.Finally,some suggestions and measures were provided for TBM excavation in composite strata,such as advance geological forecasting and effective monitoring of weak rock masses.