基于Vic-3D技術(shù)的煤巖單軸壓縮試驗(yàn)研究

李高陽(yáng)

摘要：使用Vic-3D應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)為測(cè)量?jī)x器，對(duì)煤巖試件單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行全過(guò)程測(cè)量拍攝，測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)散斑的移動(dòng)獲得試件正表面X、Y方向的位移演化云圖。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：煤巖試件正表面的位移演化云圖可以較好地與其開裂破壞過(guò)程相對(duì)應(yīng)，試件全面破壞是從最先產(chǎn)生裂縫的區(qū)域開始開裂。從而可以斷定X與Y方向位移的變化趨勢(shì)可以較為直觀地再現(xiàn)煤巖的微觀力學(xué)特征，預(yù)示其最終破壞形態(tài)。

關(guān)鍵詞：煤巖;Vic-3D;位移;云圖

中圖分類號(hào)：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）40-0279-02

一、Vic-3D技術(shù)的基本原理

Vic-3D依靠數(shù)字影像的相關(guān)技術(shù)（DIC）作為理論基礎(chǔ)核心，結(jié)合3D表面掃描技術(shù)，同時(shí)利用三角定位的方法將需要測(cè)量材料的表面進(jìn)行坐標(biāo)化處理，從而可以測(cè)量出被測(cè)材料任何位置的變形。

二、試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)設(shè)備

1.本次試驗(yàn)所使用的煤巖試件是取自陜西省咸陽(yáng)市胡家河煤礦，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)加工，將試件加工為高度100mm，直徑50mm的圓柱體。試驗(yàn)加載系統(tǒng)選用DNS200型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用位移加載的方法進(jìn)行控制，試驗(yàn)過(guò)程中加載速率確定為0.3kN/s。

2.用白色和黑色噴漆對(duì)試件做噴漆處理，調(diào)整攝像機(jī)的鏡頭對(duì)焦煤巖試件使清晰度為最佳，利用相機(jī)拍攝三維校正板對(duì)影像進(jìn)行校正處理，對(duì)試件進(jìn)行加載的同時(shí)開始監(jiān)測(cè)獲取動(dòng)態(tài)影響數(shù)據(jù)，并對(duì)煤巖試件產(chǎn)生變形全過(guò)程影像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄。

3.試驗(yàn)結(jié)束后，選擇需要分析的影像，選取分析計(jì)算區(qū)域，從而輸出試驗(yàn)結(jié)果。

三、單軸壓縮條件下煤巖試件在X方向與Y方向位移演化過(guò)程分析

1.X方向位移演化過(guò)程分析。選取對(duì)煤巖所加荷載為峰值荷載的25%、75%、95%狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的云圖進(jìn)行分析，定義A=m/M，其中，m代表當(dāng)前對(duì)試件施加的荷載，M代表峰值荷載，A代表當(dāng)前所施加荷載與峰值荷載的比值。煤巖試件正表面X方向的位移云圖變化過(guò)程如圖1所示。

從圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載加載到A=25%的階段時(shí)，試件正表面X方向的位移值分布呈現(xiàn)出從上到下逐漸減小的特點(diǎn)，在上部區(qū)域產(chǎn)生分布的最大位移值是1.45×10-2mm，在下部區(qū)域產(chǎn)生分布的最小位移值為0.02×10-2mm。

隨著荷載值的持續(xù)增大，試件產(chǎn)生塑性變形的特點(diǎn)，當(dāng)A=75%時(shí)，試件表面位移云圖的顏色變深表明位移值進(jìn)一步增大，從圖1（c）中可以看出，試件正表面中間部分區(qū)域出現(xiàn)近似S形自上而下分布的裂縫。在裂紋附近區(qū)域分布的位移值相對(duì)較大，試件表面最大位移值為2.48×10-1mm，最小位移值分別為0.09×10-1mm。

當(dāng)荷載增加到A=95%時(shí)，試件正表面上的裂縫由上自下貫穿了試件，觀察圖1（d），試件的破壞形式為劈裂破壞。試件正表面上的位移值整體迅速變大，且較大位移值都分布在裂縫的附近。此時(shí)，試件處于即將完全破壞前的瞬間，其正表面裂縫周圍分布的最大位移值是2.15×10-1mm，最小位移值是1.59×10-2mm。

2.Y方向位移演化過(guò)程。選取對(duì)煤巖所加荷載為峰值荷載的25%、75%、95%狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的云圖進(jìn)行分析，煤巖試件表面Y方向的位移云圖變化如圖2所示。

觀察圖2（a）可知，隨著荷載逐漸增大到A=25%時(shí)，試件正表面位移值的分布呈現(xiàn)由上到下逐漸變小的特點(diǎn)，試件正表面左上部接近端部處位移值最大為2.99×10-2mm，試件正表面右下部接近端部的位移值最小為1.22×10-2mm。

當(dāng)A=75%，試件正表面產(chǎn)生若干小段的裂縫，位移的分布呈現(xiàn)出在裂縫周圍位移值較大的特點(diǎn)，表明裂縫周圍的試件結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的形變，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于屈服破壞階段，此時(shí)，試件正表面最大位移值為3.12×10-1mm，最小位移值為0.69×10-1mm。

當(dāng)A=95%，裂縫已經(jīng)完全連接并且由上部穿透試件右部，此時(shí)，試件處于即將完全破壞前的瞬間，試件正表面的位移值即將達(dá)到最大，試件正表面的最大位移值為3.98×10-1mm，最小位移值為0.58×10-1mm。

四、結(jié)論

通過(guò)本文的試驗(yàn)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)：

1.試件受到單軸壓縮作用時(shí)，其正表面在各級(jí)載荷作用下X方向和Y方向的位移演化云圖與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力變化過(guò)程一一對(duì)應(yīng)，并且我們可以通過(guò)分析試件正表面位移云圖的演化規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)試件所處的狀態(tài)、裂縫出現(xiàn)的位置以及試件的破壞形式。

2.通過(guò)定量對(duì)比X與Y方向位移演化云圖中的位移值，得到在豎向?qū)υ嚰┘雍奢d時(shí)間，試件在Y方向產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在X方向產(chǎn)生的位移，即沿著力加載的方向試件的變形最大。

參考文獻(xiàn)：

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