一种精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法技术

本发明专利技术公开了一种精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法，包含如下步骤：制作待测裂隙岩体试样；对待测裂隙岩体试样表面进行散斑处理；对试验加载，获取待测裂隙岩体试样散斑面所产生的裂纹图像；求各裂纹位移相对变化值随加载时间变化的规律，并绘制出相应的位移差‑加载时间曲线；求解待测裂隙岩体试样的轴向应力，并制出相应的轴向应力‑加载时间曲线；绘制待测裂隙岩体试样各条裂纹所对应的轴向应力‑加载时间‑位移差曲线，判断出待测裂隙岩体试样各裂纹起裂的应力及裂纹类型。本发明专利技术的优点是：可定量化判断裂隙岩体裂纹起裂应力及裂纹类型，测试结果可靠，受试验者的主观意识影响较小。

【技术实现步骤摘要】
一种精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法
本专利技术涉及岩体力学及断裂损伤力学特性测试领域，具体的说是涉及一种精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法。
技术介绍
岩体材料的断裂及失效是大多实际工程中所需要面临及解决的难题，如岩质边坡稳定性、深部矿产资源开发、地下隧道开挖及其围岩稳定性等。为定量化描述及研究不同岩体材料的稳定性，国内外学者通过岩体材料应力应变曲线变化规律将其受力后行为分为以下5个阶段：(1)微裂纹闭合阶段；(2)弹性变形阶段；(3)微裂纹稳定增长阶段；(4)微裂纹不稳定增长阶段及(5)峰后阶段。不同阶段的应力转折点又分别对应于不同的裂纹应力门槛值，即裂纹闭合应力σcc、裂纹起裂应力σci、裂纹损伤应力σcd及峰值应力σp。其中，裂纹起裂应力σci作为岩体内部微裂纹起裂时的应力标准往往被用来衡量岩体实际工程中的现场剥落强度，故定量化准确判断岩体的起裂应力在实际工程中具有十分重要的意义，同时对理解岩体断裂及损伤力学特性具有十分积极的作用。根据国际岩体力学与工程学会(InternationalSocietyforRockMechanicsandRockEngineering)的岩体力学测试建议，高径比为2的圆柱形试样建议被用来进行室内试验。通过大量的室内试验并借助相关的辅助测量手段，圆柱试样起裂应力的确定方法主要有以下几种：(1)基于应变的判别方法(含体积应变、侧向应变、轴向应变等)；(2)声发射判别方法(AcousticEmissionMethod)；(3)实时CT、SEM扫描方法。尽管目前有以上几种方法可以对岩体起裂应力门槛值进行判断，但其对试验者的主观依赖性较强，测试结果往往波动性较大，故上述方法并不能有效地判定其应力门槛值。近十几年来，随着裂隙岩体加工技术的快速发展，岩体力学及断裂力学研究所采用的试样已逐渐从常规的圆柱形试样扩展至方形含裂隙的试样，以达到研究其内部裂纹扩展的目的。基于裂纹的扩展规律，国内外学者总结并得到了三种裂纹类型：(1)翼裂纹；(2)共面次生裂纹及(3)倾斜次生裂纹。尽管岩体材料的拉伸强度被普遍认为小于其压缩强度，但试样在轴向压力的作用下，其内部裂纹往往处于复杂的压剪应力状态，其裂纹的形成机理也较为复杂，目前基于受力成因的裂纹类型判断还只是停留在定性的分析层面上。基于上述技术背景，精确且定量化判断裂隙岩体的起裂应力及裂纹类型不仅对实际工程中的现场强度及其结构稳定性的判定具有重要的意义，而且也十分有利于科研人员对裂隙岩体的断裂力学及损伤力学机理的研究。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术的目的在于提供一种新颖、测试结果可靠、受试验者的主观意识影响较小的精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种精确判断裂隙岩体起裂应力的方法，包含如下步骤：A1、试样制作：制作测试所需的裂隙岩体试样；A2、散斑处理：对步骤A2制作完成的裂隙岩体试样表面进行散斑处理；A3、试验加载，获取试验加载过程中试样散斑面裂纹图像：通过岩石力学测试系统对步骤A2经散斑处理后的裂隙岩体试样进行轴向加载处理，与此同时在试验过程中，通过CCD相机对所述裂隙岩体试样散斑面进行图像捕捉，并获取裂隙岩体试样散斑面所产生的裂纹图像；A4、获取试验加载过程中试样散斑面各裂纹起裂位置的位移相对变化值随试验加载时间变化的规律，并绘制相应的位移差-加载时间曲线图：根据步骤A3中获取到的裂隙岩体试样散斑面裂纹图像，通过数字图像相关法求解其散斑面裂纹图像中各裂纹起裂位置的位移相对变化值随试验加载时间变化的规律，并绘制出相应的位移差-加载时间曲线，每条裂纹起裂所对应的位移差-加载时间曲线包含裂纹法线方向位移变化-加载时间曲线和裂纹切线方向位移变化-加载时间曲线；A5、获取试验加载过程中试样的轴向应力值随试验加载时间变化的规律，并绘制相应的轴向应力-加载时间曲线图：将步骤A2岩石力学测试系统施加在裂隙岩体试样上下表面的轴向加载力与裂隙岩体试样的横截面进行比值处理，得到作用在裂隙岩体试样上下表面的轴向应力值随加载时间的变化关系，并绘制出相应的轴向应力-加载时间曲线，所述轴向应力-加载时间曲线为裂隙岩体试样的轴向应力-加载时间曲线；A6、确定试样散斑面各裂纹的起裂应力值：先将步骤A4获取的各条裂纹起裂位置的的位移差-加载时间曲线图分别与步骤A5中获得的轴向应力-加载时间曲线图各自绘制在同一幅图中，得到裂隙岩体试样散斑面上各条裂纹所对应的轴向应力-加载时间-位移差曲线图，然后通过判断各条裂纹起裂位置的位移增大起始点在各自所对应的轴向应力-加载时间-位移差曲线图中的轴向应力值，来确定各自的起裂应力，即每条裂纹起裂位置的位移增大起始点在所绘制的轴向应力-加载时间-位移差曲线图中所对应的轴向应力值即为每条裂纹所要确定的裂纹起裂应力值。上述精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法中，所述步骤A1的具体步骤为：先将待测裂隙岩体材料通过相应的切割机械切割成试验所需的形状及规格，然后通过砂轮等设备将其表面打磨平整，最后再按照相应预制裂纹设计的几何参数，通过水刀切割或钢丝绳等裂纹预设工具在裂隙岩体试样表面切割出相应的预制裂纹，即完成待测裂隙岩体试样制作；其中，所述预制裂纹为单条裂纹或双条裂纹或多条裂纹，所述预制裂纹设计的几何参数包含长度、倾角及宽度。上述精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法中，先使用喷漆设备将白色哑光漆均匀喷涂在待测裂隙岩体试样表面，作为散斑场背景色处理，经过20min的凝固时间后，再使用喷漆设备将黑色哑光漆随机喷洒在已凝固的白色哑光喷漆表面，形成黑白相间的散斑场，即完成待测裂隙岩体试样表面散斑处理。上述精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法中，所述步骤A3，具体包含如下步骤：A31、将待测裂隙岩体试样放置在岩石力学测试系统的上下加载板之间，并在岩石力学测试系统的上下加载板表面涂抹润滑剂进行润滑处理以减小试验过程中摩擦阻力的影响；A32、调整CCD相机的拍摄方向，使之正对待测裂隙岩体试样散斑面；A33、设置CCD相机的拍摄速率，确保对待测裂隙岩体试样散斑面图像的连续捕捉；A34、设置岩石力学测试系统试验所需的轴向加载速率，以确保待测裂隙岩体试样在试验过程中处于准静态加载条件下；A35、通过图像-岩体力学特性采集同步触发装置对岩石力学测试系统及CCD相机进行同步触发，开始待测裂隙岩体试样力学特性及图像的同步采集工作，直到观察到待测裂隙岩体试样散斑面产生裂纹破坏时，立即终止试验；A36、在待测裂隙岩体试样散斑面被破坏后，从CCD相机拍摄的图像中获取试验加载过程中待测裂隙岩体试样散斑面所产生的裂纹图像。上述精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法中，所述步骤A4，具体包含如下步骤：A41、基于步骤A3所得到的待测裂隙岩体试样散斑面裂纹图像,通过数字图像相关方法测量待测裂隙岩体试样散斑面在试验加载过程中所产生的各条裂纹起裂位置的裂纹切向与试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确判断裂隙岩体起裂应力的方法，其特征在于：包含如下步骤：/nA1、试样制作：制作测试所需的裂隙岩体试样；/nA2、散斑处理：对步骤A2制作完成的裂隙岩体试样表面进行散斑处理；/nA3、试验加载，获取试验加载过程中试样散斑面裂纹图像：通过岩石力学测试系统对步骤A2经散斑处理后的裂隙岩体试样进行轴向加载处理，与此同时在试验过程中，通过CCD相机对所述裂隙岩体试样散斑面进行图像捕捉，并获取裂隙岩体试样散斑面所产生的裂纹图像；/nA4、获取试验加载过程中试样散斑面各裂纹起裂位置的位移相对变化值随试验加载时间变化的规律，并绘制相应的位移差-加载时间曲线图：根据步骤A3中获取到的裂隙岩体试样散斑面裂纹图像，通过数字图像相关法求解其散斑面裂纹图像中各裂纹起裂位置的位移相对变化值随试验加载时间变化的规律，并绘制出相应的位移差-加载时间曲线，每条裂纹起裂所对应的位移差-加载时间曲线包含裂纹法线方向位移变化-加载时间曲线和裂纹切线方向位移变化-加载时间曲线；/nA5、获取试验加载过程中试样的轴向应力值随试验加载时间变化的规律，并绘制相应的轴向应力-加载时间曲线图：将步骤A2岩石力学测试系统施加在裂隙岩体试样上下表面的轴向加载力与裂隙岩体试样的横截面进行比值处理，得到作用在裂隙岩体试样上下表面的轴向应力值随加载时间的变化关系，并绘制出相应的轴向应力-加载时间曲线，所述轴向应力-加载时间曲线为裂隙岩体试样的轴向应力-加载时间曲线；/nA6、确定试样散斑面各裂纹的起裂应力值：先将步骤A4获取的各条裂纹起裂位置的的位移差-加载时间曲线图分别与步骤A5中获得的轴向应力-加载时间曲线图各自绘制在同一幅图中，得到裂隙岩体试样散斑面上各条裂纹所对应的轴向应力-加载时间-位移差曲线图，然后通过判断各条裂纹起裂位置的位移增大起始点在各自所对应的轴向应力-加载时间-位移差曲线图中的轴向应力值，来确定各自的起裂应力，即每条裂纹起裂位置的位移增大起始点在所绘制的轴向应力-加载时间-位移差曲线图中所对应的轴向应力值即为每条裂纹所要确定的裂纹起裂应力值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种精确判断裂隙岩体起裂应力的方法，其特征在于：包含如下步骤：
A1、试样制作：制作测试所需的裂隙岩体试样；
A2、散斑处理：对步骤A2制作完成的裂隙岩体试样表面进行散斑处理；
A3、试验加载，获取试验加载过程中试样散斑面裂纹图像：通过岩石力学测试系统对步骤A2经散斑处理后的裂隙岩体试样进行轴向加载处理，与此同时在试验过程中，通过CCD相机对所述裂隙岩体试样散斑面进行图像捕捉，并获取裂隙岩体试样散斑面所产生的裂纹图像；
A4、获取试验加载过程中试样散斑面各裂纹起裂位置的位移相对变化值随试验加载时间变化的规律，并绘制相应的位移差-加载时间曲线图：根据步骤A3中获取到的裂隙岩体试样散斑面裂纹图像，通过数字图像相关法求解其散斑面裂纹图像中各裂纹起裂位置的位移相对变化值随试验加载时间变化的规律，并绘制出相应的位移差-加载时间曲线，每条裂纹起裂所对应的位移差-加载时间曲线包含裂纹法线方向位移变化-加载时间曲线和裂纹切线方向位移变化-加载时间曲线；
A5、获取试验加载过程中试样的轴向应力值随试验加载时间变化的规律，并绘制相应的轴向应力-加载时间曲线图：将步骤A2岩石力学测试系统施加在裂隙岩体试样上下表面的轴向加载力与裂隙岩体试样的横截面进行比值处理，得到作用在裂隙岩体试样上下表面的轴向应力值随加载时间的变化关系，并绘制出相应的轴向应力-加载时间曲线，所述轴向应力-加载时间曲线为裂隙岩体试样的轴向应力-加载时间曲线；
A6、确定试样散斑面各裂纹的起裂应力值：先将步骤A4获取的各条裂纹起裂位置的的位移差-加载时间曲线图分别与步骤A5中获得的轴向应力-加载时间曲线图各自绘制在同一幅图中，得到裂隙岩体试样散斑面上各条裂纹所对应的轴向应力-加载时间-位移差曲线图，然后通过判断各条裂纹起裂位置的位移增大起始点在各自所对应的轴向应力-加载时间-位移差曲线图中的轴向应力值，来确定各自的起裂应力，即每条裂纹起裂位置的位移增大起始点在所绘制的轴向应力-加载时间-位移差曲线图中所对应的轴向应力值即为每条裂纹所要确定的裂纹起裂应力值。


2.根据权利要求1所述的精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法，其特征在于：所述步骤A1的具体步骤为：先将待测裂隙岩体材料通过相应的切割机械切割成试验所需的形状及规格，然后通过砂轮等设备将其表面打磨平整，最后再按照相应预制裂纹设计的几何参数，通过水刀切割或钢丝绳等裂纹预设工具在裂隙岩体试样表面切割出相应的预制裂纹，即完成待测裂隙岩体试样制作；
其中，所述预制裂纹为单条裂纹或双条裂纹或多条裂纹，所述预制裂纹设计的几何参数包含长度、倾角及宽度。


3.根据权利要求1所述的精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法，其特征在于：所述步骤A2的具体步骤为：先使用喷漆设备将白色哑光漆均匀喷涂在待测裂隙岩体试样表面，作为散斑场背景色处理，经过20min的凝固时间后，再使用喷漆设备将黑色哑光漆随机喷洒在已凝固的白色哑光喷漆表面，形成黑白相间的散斑场，即完成待测裂隙岩体试样表面散斑处理。


4.根据权利要求1所述的精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法，其特征在于：所述步骤A3，具体包含如下步骤：
A31、将待测裂隙岩体试样放置在岩石力学测试系统的上下加载板之间，并在岩石力学测试系统的上下加载板表面涂抹润滑剂进行润滑处理以减小试验过程中摩擦阻力的影响；
A32、调整CCD相机的拍摄方向，使之正对待测裂隙岩体试样散斑面；
A33、设置CCD相机的拍摄速率，确保对待测裂隙岩体试样散斑面图像的连续捕捉；
A34、设置岩石力学测试系统试验所需的轴向加载速率，以确保待测裂隙岩体试样在试验过程中处于准静态加载条件下；
A35、通过图像-岩体力学特性采集同步触发装置对岩石力学测试系统及CCD相机进行同步触发，开始待测裂隙岩体试样力学特性及图像的同步采集工作，直到观察到待测裂隙岩体试样散斑面产生裂纹破坏时，立即终止试验；
A36、在待测裂隙岩体试样散斑面被破坏后，从CCD相机拍摄的图像中获取试验加载过程中待测裂隙岩体试样散斑面所产生的裂纹图像。


5.根据权利要求1所述的精确判断裂隙岩体起裂应力及裂纹类型的方法，其特征在于：所述步骤A4，具体包含如下步骤：
A41、基于步骤A3所得到的待测裂隙岩体试样散斑面裂纹图像,通过数字图像相关方法测量待测裂隙岩体试样散斑面在试验加载过程中所产生的各条裂纹起裂位置的裂纹切向与试样垂直方向的夹角；
A42、通过数字图像相关方法在待测裂隙岩体试样散斑面所产生的各条裂纹起裂位置两侧各自布置上两个位移监测点P1和P2，并获取各条裂纹起裂位置两侧的两个位移监测点P1和P2沿试样垂直方向及水平方向的位移值；
A43、通过下式(1)～(4)，将步骤A42获取到的每条裂纹起裂位置两侧位移监测点P1和P2沿试样垂直方向及水平方向的位移值转换为沿其裂纹法线及切线方向的位移值；
dn1＝dx1cosα+dy1sinα(1)
dτ1＝-dx1sinα+dy1cosα(2)
dn2＝dx2cosα+dy2sinα(3)
dτ2＝-dx2sinα+dy2cosα(4)
式中，dn1，dτ1分别为P1位移监测点沿裂纹法线及切线方向位移值；dn2，dτ2分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎旺，李海波，李晓锋，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42