一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法技术

本发明专利技术公开了一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，首先选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由钻芯、切割打磨和预制切槽最终成型，然后选用三点弯曲方式对试样进行测试，结合高速相机观测和记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，并采集试验过程中SHPB压杆上应变片记录的电压‑时间曲线，以及高速相机记录的每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存，最后对高速相机记录图像进行处理，采用Image J图像处理软件计算裂纹扩展间隔时间和距离，通过求导计算裂纹扩展速度和加速度，进一步根据计盒维数法和最小二乘法拟合得到裂纹扩展的分形维数值。

A METHOD FOR DETERMINING THE GROWTH VELOCITY AND FRACTAL DIMENSION OF MODE I FRACTURE CRACK IN ROCK

【技术实现步骤摘要】
一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法
本专利技术涉及岩石材料试验方法领域，尤其涉及一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法。
技术介绍
岩石作为地球形成、地壳地质活动衍化的产物，被广泛应用于各类建筑物地基、围岩或建筑材料等工程建设领域。但岩石工程的失稳和破坏大多是由于岩体内部萌生裂纹，并扩展贯通导致的。准确测定岩石在动态荷载作用下的裂纹扩展速度和分形维数等参数对于岩石爆破工程、地震研究、水力压裂抽采煤层气和岩石的破坏机理研究等均具有重要意义。在岩石三种断裂模式中，I型（张开型）断裂在工程中最为常见，因此对于岩石的I型断裂参数的测定更显得尤为重要。然而，在研究岩石中裂纹扩展速度的方面，存在理论预测和实验结果的较大差异，并且其机理尚不清楚。例如，在很多实验结果中测得的最大裂纹扩展速度常显著低于瑞利波速，其原因推测是当前动态断裂理论均假设裂纹扩展路径为一平直直线，但其真实裂纹扩展路径往往并非平直。但以往开展的实验测试多根据裂纹开始启裂和最终止裂的裂尖扩展距离和时间来计算其平均裂纹扩展速度，并没有考虑岩石材料动态断裂过程中裂纹由于非均质性和各向异性造成的弯曲和分形特征，更没有考虑裂纹的瞬时速度变化情况。因此，以往的平均裂纹扩展速度测试方法并不能够准确反映岩石中裂纹扩展的速度和分形特征。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其操作简便，能够准确反映岩石中裂纹扩展的速度和分形特征，克服以往岩石材料I型裂纹扩展测定方法不够准确的不足。另外，还能够同时测定岩石I型断裂过程中的裂纹扩展速度和分形维数特征，节省了试验成本。一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由岩石材料通过钻取50mm直径的圆柱形岩芯、切割打磨为25mm的圆盘试样，两端面打磨后不平整度在±0.05mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°；随后将每个圆盘试样沿直径切为两个半圆盘试样，在半圆盘试样中部采用厚度为0.3mm的金刚石圆锯片获取直切槽，并使用厚度为0.1mm的金刚石线锯制作裂纹尖端；（2）选用三点弯曲方式对岩石材料试样进行测试，试验在任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置上进行，选用霍普金森压杆冲击加载装置的杆径为50mm，装入长度为400mm的子弹，贴好应变片，调整压杆系统装置，对SHPB系统进行试验前气压-速度测试，得出其标定K值；将直切槽半圆弯拉岩石试样置于入射杆和透射杆之间夹稳，保证压杆轴线穿过试样中心；（3）采用高速相机记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，调节光源，使试样表面能够获得足够的亮度；调整相机方位，将相机镜头对准试样，保证靶面与试样表面平行；调节焦距，使图像清晰，并使试样尽可能多地占据靶面；（4）通过调整霍普金森压杆冲击加载装置的气室气压以控制撞击杆的冲击速度，撞击杆经过测速装置时触发高速相机，相机开始采集存储图像；试验同时采集SHPB压杆上应变片获得的电压-时间曲线，将测试数据以文件的方式保存，高速相机记录每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存；（5）采用基于均衡直方图法加强图像，并对图像进行二值化，以提取岩样中裂纹扩展路径；根据计盒维数法和最小二乘法拟合得到裂纹扩展的分形维数值；并采用ImageJ图像处理软件计算裂纹扩展间隔时间和距离，通过求导计算裂纹扩展速度和加速度；（6）计盒维数法对裂纹扩展路径的分形维数计算如下：1）dimBF为图像的计盒维数，δ为盒子的边长，Nδ(F)为图像被盒子覆盖住的数目；2）根据上述计盒维数原理，可以采用最小二乘法对每个试样的试验数据点（logδ，logN(δ)）进行拟合，可得单个试样logδ和logN(δ)之间的函数关系式：3）A为待定常数，由最小二乘法拟合得到；D即为所求裂纹扩展路径的分形维数。其中，在步骤a中所述的直切槽半圆弯拉岩石材料试样的几何尺寸，需满足国际岩石力学学会推荐的标准，应保证半径R为25mm，无量纲切缝长度0.15≤b/R≤0.5；厚度在标准中无要求，本专利申请中定为20mm≤B≤35mm。其中，在步骤b中所述的任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置包括撞击杆、测速装置、入射杆、应变片传感器、高速相机、透射杆、吸收杆、数据采集系统，所述撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆的中心均调整至同一轴线，所述测速装置置于所述撞击杆和入射杆之间，以测定所述撞击杆的冲击速度，所述应变片传感器布置在所述入射杆和透射杆中部附近，并将记录的应变数据传输至所述数据采集系统，岩石试样置于所述入射杆和透射杆之间。本专利技术一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其有益效果是考虑岩石材料动态断裂过程中裂纹由于非均质性和各向异性造成的弯曲和分形特征，比以往测试方法更为准确。另外，还能够同时测定岩石I型断裂过程中的裂纹扩展速度和分形维数特征，节省了试验成本。附图说明图1为本试验测定方法用到的试样几何尺寸；图2为本试验测定方法用到的加载装置和裂纹观测设备示意图；图3为本试验测定方法用到的裂纹观测图像处理过程示意图；图4为本说明书实施例一中岩石试样加载后经图像处理过的裂纹扩展过程；图5为本说明书实施例一中岩石试样裂纹扩展的分形维数拟合直线；图6为本说明书实施例一中岩石试样裂纹扩展长度和速度数据；图7为本专利技术所述方法的流程框图。图中：1-岩石试样；2-切槽；3-高速相机；4-撞击杆；5-入射杆；6-应变片传感器；7-透射杆；8-吸收杆；9-测速装置；10-数据采集系统。具体实施方式如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本专利技术一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，该方法具体步骤如下：（1）试验选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样1，由岩石材料通过钻取50mm直径的圆柱形岩芯、切割打磨为25mm的圆盘试样，两端面打磨后不平整度在±0.05mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°；随后将每个圆盘试样沿直径切为两个半圆盘试样，在半圆盘试样中部采用厚度为0.3mm的金刚石圆锯片获取直切槽，并使用厚度为0.1mm的金刚石线锯制作裂纹尖端；（2）选用三点弯曲方式对岩石材料试样进行测试，试验在任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置上进行，选用霍普金森压杆冲击加载装置的杆径为50mm，装入长度为400mm的子弹，贴好应变片，调整压杆系统装置，对SHPB系统进行试验前气压-速度测试，得出其标定K值；将直切槽半圆弯拉岩石试样置于入射杆和透射杆之间夹稳，保证压杆轴线穿过试样中心；（3）采用高速相机记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，调节光源，使试样表面能够获得足够的亮度；调整相机方位，将相机镜头对准试样，保证靶面与试样表面平行；调节焦距，使图像清晰，并使试样尽可能多地占据靶面；（4）通过调整霍普金森压杆冲击加载装置的气室气压以控制撞击杆的冲击速度，撞击杆经过测速装置时触发高速相机，相机开始采集存储图像；试验同时采集SHPB压杆上应变片获得的电压-时间曲线，将测试数据以文件的方式保存，高速相机记录每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存；（5）采用基于均衡直方图法加强图像，并对图像进行二值化，以提取岩样中裂纹扩展路径；根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：(1) 选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由岩石材料通过钻取50mm直径的圆柱形岩芯、切割打磨为25mm的圆盘试样，两端面打磨后不平整度在±0.05mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°；随后将每个圆盘试样沿直径切为两个半圆盘试样，在半圆盘试样中部采用厚度为0.3mm的金刚石圆锯片获取直切槽，并使用厚度为0.1mm的金刚石线锯制作裂纹尖端；(2) 选用三点弯曲方式对岩石材料试样进行测试，试验在任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）上进行，选用霍普金森压杆冲击加载装置的杆径为50mm，装入长度为400mm的子弹，贴好应变片，调整压杆系统装置，对SHPB系统进行试验前气压‑速度测试，得出其标定K值；将直切槽半圆弯拉岩石试样置于入射杆和透射杆之间夹稳，保证压杆轴线穿过试样中心；(3) 采用高速相机记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，调节光源，使试样表面能够获得足够的亮度；调整相机方位，将相机镜头对准试样，保证靶面与试样表面平行；调节焦距，使图像清晰，并使试样尽可能多地占据靶面；(4) 通过调整霍普金森压杆冲击加载装置的气室气压以控制撞击杆的冲击速度，撞击杆经过测速装置时触发高速相机，相机开始采集存储图像；试验同时采集SHPB压杆上应变片获得的电压‑时间曲线，将测试数据以文件的方式保存，高速相机记录每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存；(5) 采用基于均衡直方图法加强图像，并对图像进行二值化，以提取岩样中裂纹扩展路径；根据计盒维数法和最小二乘法拟合得到裂纹扩展的分形维数值；并采用Image J图像处理软件计算裂纹扩展间隔时间和距离，通过求导计算裂纹扩展速度和加速度；(6)计盒维数法对裂纹扩展路径的分形维数计算如下：...

【技术特征摘要】
1.一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：(1)选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由岩石材料通过钻取50mm直径的圆柱形岩芯、切割打磨为25mm的圆盘试样，两端面打磨后不平整度在±0.05mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°；随后将每个圆盘试样沿直径切为两个半圆盘试样，在半圆盘试样中部采用厚度为0.3mm的金刚石圆锯片获取直切槽，并使用厚度为0.1mm的金刚石线锯制作裂纹尖端；(2)选用三点弯曲方式对岩石材料试样进行测试，试验在任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置（SplitHopkinsonPressureBar，SHPB）上进行，选用霍普金森压杆冲击加载装置的杆径为50mm，装入长度为400mm的子弹，贴好应变片，调整压杆系统装置，对SHPB系统进行试验前气压-速度测试，得出其标定K值；将直切槽半圆弯拉岩石试样置于入射杆和透射杆之间夹稳，保证压杆轴线穿过试样中心；(3)采用高速相机记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，调节光源，使试样表面能够获得足够的亮度；调整相机方位，将相机镜头对准试样，保证靶面与试样表面平行；调节焦距，使图像清晰，并使试样尽可能多地占据靶面；(4)通过调整霍普金森压杆冲击加载装置的气室气压以控制撞击杆的冲击速度，撞击杆经过测速装置时触发高速相机，相机开始采集存储图像；试验同时采集SHPB压杆上应变片获得的电压-时间曲线，将测试数据以文件的方式保存，高速相机记录每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存；(5)采用基于均衡直方图法加强图...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚爽，孟祥燕，王浩，杨达明，潘坤，周礼鸿，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41