岩石孔隙结构图（裂隙砂岩变形破裂过程中应变场灰度及纹理特征分析）

而基于DIC技术得到的应变场云图能够更加真实地反映出岩体在加载过程中的变形破裂特征。云南省优秀青年基金获得者，入选中国岩石力学与工程学会“青年人才托举工程”，云南省“高层次人才引进计划”青年人才专项以及项目培养经费支持。未经授权，不得匿名转载。

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创

新点

（1）结合数字图像相关技术和图像特征分析方法,通过应变场云图灰度直方图以及10个图像特征描述指标,量化研究了单轴压缩过程中含裂隙的矿柱岩体应变场灰度及纹理特征演化规律,为精细化研究裂隙岩体变形破裂机制提供一种新的思路和方法,对矿柱稳定性评价及灾变预警也有重要的参考价值。

（2）裂纹的萌生与扩展,在应变场上表现为应变局部化带产生与发展,使得应变场灰度及纹理特征发生突变,在应变场灰度/纹理特征参数变化曲线上形成突变段。

（3）裂隙砂岩试件应变场灰度/纹理特征参数-时间曲线的第1次突增,此时萌生张拉裂纹,可将其视为前兆点,用于矿柱失稳预警。

作者

张科^1,2，张凯¹

单位

1. 昆明理工大学电力工程学院；2. 昆明理工大学建筑工程学院

研究背景

在经历了漫长复杂的地质构造作用后,岩石内部不可避免地发育有大量的地质缺陷,这些缺陷对岩石的力学特征产生了重要的影响。地下采矿场的矿柱中普遍存在裂隙,在外部荷载作用下容易诱发裂隙扩展、贯通,最终导致矿柱的失稳破坏。数字图像相关技术( Digital Image CorrelationMethod,DIC)是一种非接触式全场变形观测方法,可以连续观测试件表面的位移场和应变场,具有操作简单、测量精度高、试验消耗小、可重复测量等优点,已应用于岩石力学测试。目前的图像特征研究主要集中于视频拍摄图像和CT图像,对应变场云图却鲜有研究。而基于DIC技术得到的应变场云图能够更加真实地反映出岩体在加载过程中的变形破裂特征。

摘要

为探究裂隙岩体变形破裂机制以及前兆特征,利用高速水刀切割技术对板状红砂岩试件预制不同倾角的裂隙,对其进行单轴压缩试验,通过数字图像相关技术实现试件加载过程中应变场的非接触式观测,引入均值、标准差、三阶矩、平滑度、一致性和熵6种灰度特征参数以及对比度、相关性、角二阶矩和熵4种纹理特征参数,量化研究了裂隙砂岩试件变形破裂过程中应变场灰度及纹理演化规律。

研究结果表明:裂隙砂岩试件在裂纹起裂、扩展及贯通过程中,应变场灰度整体从低灰度级向高灰度级方向移动,灰度直方图形态从“ 矮胖” 型转化为“ 高瘦” 型,峰值频率随之增大。裂隙砂岩试件的应变场灰度/纹理特征参数-时间曲线可划分为波动段、平稳段以及突变段3个阶段;应变场灰度/纹理特征参数突变段的出现与裂纹萌生、扩展有关,对应的变化趋势可划分为增长型、降低型以及变异不明显型3种。绝大部分灰度特征参数与纹理特征参数的皮尔逊相关系数绝对值>0.5,说明这2类特征参数之间存在显著或高度的相关关系。

灰度/纹理特征参数的第1次突变,对应于张拉裂纹萌生,且在试件临近破坏时出现,可视为前兆点,作为裂隙岩体即将失稳的预警信号,对应的前兆/峰值应力比为0.83~0.97,前兆/最终破坏时间比为0.85~0.95。相比于完整砂岩试件,灰度/纹理特征参数对裂隙砂岩试件的破裂前兆识别能力更强,这是因为预制裂隙的存在使得岩体的应变场不连续性更为显著。最后,针对完整岩石和裂隙岩体,分别提出了建议监测的灰度/纹理特征参数。

部分图片

裂隙砂岩试件几何参数

待试验的裂隙砂岩试件

含裂隙的矿柱

试验系统示意

砂岩试件应力-应变曲线

裂纹类型示意

加载过程典型裂隙砂岩试件裂纹扩展

加载过程典型裂隙砂岩试件水平应变场

加载过程典型裂隙砂岩试件应变场灰度直方图

典型裂隙砂岩试件灰度特征参数-时间曲线

典型裂隙砂岩试件纹理特征参数-时间曲线

张科，男，1986年11月15日生，浙江舟山人，昆明理工大学副教授，博士生导师。云南省优秀青年基金获得者，入选中国岩石力学与工程学会“青年人才托举工程”，云南省“高层次人才引进计划”青年人才专项以及项目培养经费支持。兼任云南省岩土力学与工程学会学术发展部主任、中国岩石力学与工程学会青年工作委员会委员、中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会理事、《中国矿业大学学报》中青年编委会委员。主持国家自然科学基金2项，省部级课题6项；独著出版英文专著1部，第一作者或通讯作者发表SCI论文16篇，EI论文13篇，第一发明人授权国家发明专利1项；获得中国岩石力学与工程学会科学技术奖（自然科学奖）二等奖1项。

研究方向

岩石断裂力学和遥感-岩石力学及其工程应用

主要成果

致力于裂隙岩体3D打印物理重构，裂隙岩体断裂过程中变形和红外辐射响应研究，提出了基于多特征参量的应变场和红外辐射温度场分异程度和分异速率的定量表征方法，给出了裂隙岩体临灾预警判据；探索将岩石断裂力学应用于结构面控制型岩质边坡渐进破裂过程的数值再现以及稳定性评判，提出了基于应力强度因子的安全系数新定义和基于裂纹追踪技术的潜在破裂面确定方法，为工程岩体稳定性评估、监测与预警提供新的手段和理论支撑

来源：

张科,张凯. 裂隙砂岩变形破裂过程中应变场灰度及纹理特征分析[J]. 煤炭学报,2021,46(4):1253-1262.

ZHANG Ke,ZHANG Kai. Gray and texture features of strain field for fractured sandstone during failure process[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(4):1253-1262.

责任编辑：黄小雨

编辑整理：郭晓炜

审核：常琛

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