基于數(shù)字散斑方法的相似材料模型變形和破壞特征

劉 征，王宏圖，施 峰，舒 才

(重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

基于數(shù)字散斑方法的相似材料模型變形和破壞特征

劉 征，王宏圖，施 峰，舒 才

(重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

為了驗(yàn)證數(shù)字散斑方法研究保護(hù)層開采物理相似模擬的采空區(qū)上覆巖層垮落、變形規(guī)律的可行性，設(shè)計(jì)了利用數(shù)字散斑方法研究相似材料試件的變形和破壞特征的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)獲得了相似材料試件單軸壓縮過程中的散斑位移云圖。通過對試件破壞前、破壞過程中和破壞發(fā)育完全3個(gè)關(guān)鍵階段的散斑位移云圖進(jìn)行分析，獲得了試件單軸壓縮過程中的變形和破壞特征，揭示了試件單軸壓縮產(chǎn)生剪切破壞的機(jī)理，并驗(yàn)證了利用數(shù)字散斑方法研究保護(hù)層開采物理相似模擬采空區(qū)上覆巖層垮落、變形規(guī)律的可行性。

數(shù)字散斑方法；相似材料模型；變形特征；破壞特征

0 引 言

數(shù)字散斑相關(guān)方法的基本思想是上世紀(jì)80年代初由日本的山口一郎和美國的Peters和Ranson等人分別獨(dú)立提出的。國內(nèi)高建新、王懷文[1￣2]等較早進(jìn)行了數(shù)字散斑相關(guān)方法的研究。該方法的變形識別過程是: 分別采集物體變形前后的兩幅數(shù)字散斑圖, 將變形前后的圖像劃分為眾多小塊圖像，定義為樣本子區(qū)及目標(biāo)子區(qū), 只要找出目標(biāo)子區(qū)和樣本子區(qū)之間灰度值信息間的一一對應(yīng)關(guān)系, 就可以實(shí)現(xiàn)變形量的提取，利用位移插值將得到整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的變形信息。相比傳統(tǒng)的測量方法，數(shù)字散斑相關(guān)方法具有全場測量、非接觸、環(huán)境不敏感、操作簡單等突出的優(yōu)點(diǎn)[2￣4]。

隨著我國煤礦開采逐步進(jìn)入到深部環(huán)境，煤與瓦斯突出災(zāi)害日益嚴(yán)重，突出礦井?dāng)?shù)量日益增多，因而作為目前最有效的區(qū)域防突措施，保護(hù)層開采相關(guān)問題獲得了大量研究。眾多學(xué)者通過相似模擬方法對保護(hù)層開采上覆巖層變形、破壞規(guī)律進(jìn)行了卓有成效的研究[5]，取得了眾多成果。但是研究多數(shù)集中在定性的層次或者通過傳統(tǒng)的相似模擬測量方法進(jìn)行保護(hù)層開采采空區(qū)上覆巖層變形、破斷規(guī)律的研究，導(dǎo)致無法定量說明上覆巖層變形和破壞特征或者不能連續(xù)測量模型整體的變形破壞規(guī)律。為了達(dá)到全場定量測量保護(hù)層開采采空區(qū)上覆巖層變形和破壞規(guī)律的目的，引入數(shù)字散斑方法對保護(hù)層開采采空區(qū)上覆巖層變形、破壞規(guī)律進(jìn)行研究。保護(hù)層開采相似模擬研究對象是南桐礦區(qū)的硯石臺煤礦。硯石臺煤礦賦存有6#和4#煤層，6#煤層在4#煤層上方，兩層煤都具有突出危險(xiǎn)性，6#煤層突出危險(xiǎn)性較弱，現(xiàn)計(jì)劃將6#煤層作為上保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)層開采。為了驗(yàn)證利用數(shù)字散斑方法研究保護(hù)層開采物理相似模擬的采空區(qū)上覆巖層垮落、變形規(guī)律的可行性，設(shè)計(jì)了本次利用數(shù)字散斑方法研究相似材料試件的變形和破壞特征的實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)針對硯石臺煤礦6#煤層臨近層的粉砂質(zhì)頁巖制作相似材料試件，利用數(shù)字散斑技術(shù)對試件在受壓狀態(tài)下的變形和破壞特征進(jìn)行研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

相似材料試件單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用MTS815實(shí)驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集裝置為Sigmar公司產(chǎn)ASMD3-16電阻應(yīng)變儀，圖像數(shù)據(jù)采集裝置則選擇2848×4288像素的高精度數(shù)碼相機(jī)。

1.3 相似材料及其配比

相似材料選擇河沙、石膏和碳酸鈣。依據(jù)相似原理，相似材料試件應(yīng)該滿足與原型具有變形相似和動力相似，因而可以確定出相似材料試件所要滿足的力學(xué)參數(shù)，并確定相應(yīng)的相似材料配比[6￣7]。原型力學(xué)參數(shù)和相似材料試件所需達(dá)到的力學(xué)參數(shù)以及對應(yīng)的相似材料配比見表1。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

將河沙、石膏和碳酸鈣按照配比分層填充到試件模具中，并通過控制材料的壓實(shí)程度控制相似材料試件的容重，試件成型穩(wěn)定之后放入恒溫室進(jìn)行保養(yǎng)。

利用MTS815實(shí)驗(yàn)機(jī)對制作完成的相似材料試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并通過試件上固定的應(yīng)變片監(jiān)測試件在單軸壓縮過程中的應(yīng)變情況，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集則由ASMD3-16電阻應(yīng)變儀完成，其獲得的試件應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲。

同時(shí)在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)過程中于固定位置對相似材料試件進(jìn)行定焦拍照[3,4,8]，并將獲得的高分辨率照片導(dǎo)入到數(shù)字散斑軟件進(jìn)行后期處理，進(jìn)而得到模型的位移及應(yīng)變云圖。

表1 實(shí)驗(yàn)原型及試件力學(xué)參數(shù)和相似材料配比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)字散斑相關(guān)方法變形測量精度的影響因素較多，除算法本身產(chǎn)生的誤差外，還包括散斑質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備和條件等引起的誤差[3]。為降低誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理基于較為成熟的歸一化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)作為相關(guān)性系數(shù)，通過鄰近域搜索法關(guān)聯(lián)變形前后灰度化的天然散斑子區(qū)，得到變形前后的子區(qū)的位移信息，并利用基于相關(guān)系數(shù)插值(擬合)的亞像素定位法提高位移測量的精度。通過對位移數(shù)據(jù)采用一階有限單元方法計(jì)算得到全場應(yīng)變信息。主要參數(shù)為：子區(qū)大小20×20像素；鄰近域搜索區(qū)域40×40像素；有限元計(jì)算網(wǎng)格大小20×20像素；相關(guān)性系數(shù)C定義為：

為了綜合直觀的分析相似材料試件在單軸壓縮過程中的位移和破壞情況，將定性的試件破壞位移圖像與定量的數(shù)字散斑位移云圖疊加，其結(jié)果見圖1。

如圖1排除邊界效應(yīng)影響，可以看出位移等值線圖具有沿a，b兩個(gè)方向突出的特點(diǎn)，應(yīng)該是箭頭a，b附近區(qū)域試件中的點(diǎn)在單軸壓縮過程中相對a，b垂線方向并遠(yuǎn)離a，b區(qū)域的點(diǎn)具有更大的位移量，使得試件在單軸壓縮過程中具有發(fā)生剪切破壞的可能性。

圖2為相似材料試件開始破壞時(shí)散斑位移云圖。圖中空白區(qū)域是數(shù)字散斑方法無法識別的區(qū)域，無法識別的可能性有兩種：一種是數(shù)字散斑技術(shù)是基于小變形理論的，對于大變形跟蹤的誤差較大，因此變形量過大的區(qū)域已經(jīng)超過事先設(shè)定的相關(guān)系數(shù)閾值，導(dǎo)致其只能以空白顯示；第二種可能是試件在單軸壓縮過程中試件表面區(qū)域存在表皮剝落的情況，而數(shù)字散斑技術(shù)是通過對對象表面變形前后的相關(guān)子區(qū)進(jìn)行關(guān)聯(lián)獲得對象表面位移的，因而試件表面脫落會導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的位移無法被識別，只能以空白顯示。

從圖2可以看出試件確實(shí)沿著近乎平行圖1所示的箭頭a的方向進(jìn)行破壞，說明發(fā)生的確是剪切破壞。從微觀角度來說沿裂縫垂線方向，裂縫上部的點(diǎn)位移量相對裂縫下部的點(diǎn)大，使得試件上原來相鄰的兩點(diǎn)發(fā)生超過材料粘滯力作用能力的相對錯(cuò)動，反映到試件整體上就是試件按照圖示情形發(fā)生剪切破壞。從數(shù)字散斑方法的角度而言，利用數(shù)字散斑方法可以觀察試件局部的位移情況和試件位移量的分布規(guī)律，對本次單軸壓縮實(shí)驗(yàn)而言可以揭示單軸壓縮導(dǎo)致的試件剪切破壞的機(jī)理，并可以預(yù)測試件可能發(fā)生破壞的形式和發(fā)生破壞的位置。

圖3為相似材料試件破壞發(fā)育完全時(shí)的試件散斑位移云圖。從圖中可以看出試件新發(fā)育的另一條裂縫沿著近乎平行圖1所示的箭頭b的方向蔓延，驗(yàn)證了以上認(rèn)為試件是剪切破壞的判斷，最終試件破壞結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“人”字形，也符合剪切破壞的特征。第二條裂縫的出現(xiàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了通過數(shù)字散斑方法預(yù)測研究對象剪切破壞形式和位置的可行性。

圖2 開始破壞時(shí)相似材料試件散斑位移云圖

圖3 破壞發(fā)育完全時(shí)相似材料試件散斑位移云圖

3 結(jié) 論

(1) 實(shí)驗(yàn)獲得了相似材料試件單軸壓縮過程中的變形和破壞規(guī)律，即單軸壓縮使得試件沿“人”字形方向變形較大，變形達(dá)到一定程度之后，試件會呈現(xiàn)“人”字形破裂。

(2) 利用數(shù)字散斑方法對相似材料試件單軸壓縮過程進(jìn)行研究，直觀準(zhǔn)確地揭示了試件單軸壓縮產(chǎn)生剪切破壞的機(jī)理。

(3) 通過本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用數(shù)字散斑方法進(jìn)行研究對象剪切破壞形式和位置的預(yù)測是可行的。

(4) 通過本次利用數(shù)字散斑方法研究相似材料試件的變形和破壞特征驗(yàn)證了利用數(shù)字散斑方法研究保護(hù)層開采物理相似模擬采空區(qū)上覆巖層垮落、變形規(guī)律的可行性。

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2016￣12￣15)

劉 征(1991-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事礦山安全開采研究，Email:2538166552@qq.com。