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巖土材料應變局部化光學測量研究 版權信息
- ISBN：9787030737243
- 條形碼：9787030737243 ; 978-7-03-073724-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
巖土材料應變局部化光學測量研究 內容簡介
應變局部化是指材料在變形、破壞過程中，較高的塑性應變集中于狹窄區域或有限區的現象，它先于宏觀裂紋出現，引導著宏觀裂紋擴展，是一種重要的破壞前兆信息。巖土材料局部化一直是巖土工程、土木工程以及采礦工程中關注的問題之一。本書主要從實驗方面對應變局部化進行研究，采用數字圖像相關方法對巖土材料的應變局部化的發生發展進行了觀測。主要內容有：（1）巖土材料剪切帶的測量方法；（2）土樣應變局部化過程中應變場和位移場觀測；（3）孔洞土樣的應變局部化的發生發展規律分析；（4）煤體的應變局部化與變異系數的關系分析。
巖土材料應變局部化光學測量研究 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.2 DIC方法的研究現狀 1
1.2.1 相關搜索 2
1.2.2 誤差分析 4
1.2.3 應變測量 5
1.3 基于DIC方法的巖土材料應變局部化實驗研究現狀 5
1.3.1 土的應變局部化 5
1.3.2 巖石的應變局部化 7
第2章 DIC方法的變形測量原理及實現 9
2.1 基本原理 9
2.1.1 形函數 10
2.1.2 灰度插值 11
2.1.3 相關搜索 11
2.2 方法介紹 12
2.2.1 PSO簡介 12
2.2.2 基于PSO的整像素方法 12
2.2.3 基于PSO和N-R迭代的粗-細方法 20
2.3 應變計算方法 25
2.3.1 中心差分方法 25
2.3.2 *小二乘擬合方法 26
2.3.3 *小一乘擬合方法 28
第3章 虛擬剪切帶位移及應變的測量誤差分析 30
3.1 制作方法 30
3.1.1 模擬散斑圖的制作方法 30
3.1.2 虛擬剪切帶的制作方法 31
3.2 基于中心差分方法的應變計算 34
3.2.1 水平虛擬剪切帶 34
3.2.2 傾斜虛擬剪切帶 43
3.3 基于*小一乘擬合方法的應變計算 45
第4章 單軸壓縮土樣的應變局部化過程觀測 50
4.1 實驗過程 50
4.2 側向變形 51
4.3 局部體積應變和整體體積應變 59
4.4 局部化帶切向*大剪切應變 68
4.5 局部化帶法向*大剪切應變 78
4.6 剪切帶剪脹測量 91
4.6.1 剪脹的統計量 91
4.6.2 局部體積應變的時空分布 91
4.6.3 不同縱向應變時測線局部體積應變的時空分布及統計 94
4.6.4 測線上的局部擴容角 99
4.7 剪切帶損傷測量 101
4.7.1 損傷變量的計算方法 101
4.7.2 剪切帶切向測線布置 101
4.7.3 剪切帶和土樣整體的損傷變量的演變 103
4.8 剪切帶的幾何特征 107
4.8.1 基于背景值方法的剪切帶寬度 107
4.8.2 基于*小二乘擬合方法的剪切帶傾角 112
4.8.3 基于*小二乘擬合方法的剪切帶間距 120
第5章 含孔洞土樣應變局部化觀測 128
5.1 平面應變雙軸壓縮實驗 128
5.1.1 土樣制備 128
5.1.2 實驗過程 128
5.2 應變測量方法的比較 130
5.3 *大剪切應變的時空分布 138
5.4 主應變軸偏轉角的演變 147
5.4.1 主應變軸偏轉角的計算公式 147
5.4.2 測線上*大剪切應變的時空分布 151
5.4.3 測線上主應變軸偏轉角的分布及演變 155
第6章 單軸壓縮煤樣應變局部化過程觀測 160
6.1 單軸壓縮實驗 160
6.2 變異系數計算公式162
6.3 應變局部化過程中*大剪應變場的變異系數 162
6.4 應變局部化過程中三種變異系數的對比 173
6.5 基于五種變異系數的煤樣破壞評價 179
第7章 環繞測點子區分割方法及應用 189
7.1 基本原理 189
7.2 方法驗證 191
7.3 真實非均勻變形測量 193
7.4 虛擬剪切帶寬度測量及實測修正 197
7.4.1 寬度測量 197
7.4.2 寬度的實測值修正 201
第8章 可靠子區方法及應用 205
8.1 可靠子區方法的原理及實現 205
8.2 采動誘發斷層滑移相似模擬實驗過程觀測 208
8.2.1 實驗過程簡介 208
8.2.2 可靠子區選擇 208
8.2.3 可靠子區的相關系數分布 210
8.2.4 位移場 212
參考文獻 218
前言
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.2 DIC方法的研究現狀 1
1.2.1 相關搜索 2
1.2.2 誤差分析 4
1.2.3 應變測量 5
1.3 基于DIC方法的巖土材料應變局部化實驗研究現狀 5
1.3.1 土的應變局部化 5
1.3.2 巖石的應變局部化 7
第2章 DIC方法的變形測量原理及實現 9
2.1 基本原理 9
2.1.1 形函數 10
2.1.2 灰度插值 11
2.1.3 相關搜索 11
2.2 方法介紹 12
2.2.1 PSO簡介 12
2.2.2 基于PSO的整像素方法 12
2.2.3 基于PSO和N-R迭代的粗-細方法 20
2.3 應變計算方法 25
2.3.1 中心差分方法 25
2.3.2 *小二乘擬合方法 26
2.3.3 *小一乘擬合方法 28
第3章 虛擬剪切帶位移及應變的測量誤差分析 30
3.1 制作方法 30
3.1.1 模擬散斑圖的制作方法 30
3.1.2 虛擬剪切帶的制作方法 31
3.2 基于中心差分方法的應變計算 34
3.2.1 水平虛擬剪切帶 34
3.2.2 傾斜虛擬剪切帶 43
3.3 基于*小一乘擬合方法的應變計算 45
第4章 單軸壓縮土樣的應變局部化過程觀測 50
4.1 實驗過程 50
4.2 側向變形 51
4.3 局部體積應變和整體體積應變 59
4.4 局部化帶切向*大剪切應變 68
4.5 局部化帶法向*大剪切應變 78
4.6 剪切帶剪脹測量 91
4.6.1 剪脹的統計量 91
4.6.2 局部體積應變的時空分布 91
4.6.3 不同縱向應變時測線局部體積應變的時空分布及統計 94
4.6.4 測線上的局部擴容角 99
4.7 剪切帶損傷測量 101
4.7.1 損傷變量的計算方法 101
4.7.2 剪切帶切向測線布置 101
4.7.3 剪切帶和土樣整體的損傷變量的演變 103
4.8 剪切帶的幾何特征 107
4.8.1 基于背景值方法的剪切帶寬度 107
4.8.2 基于*小二乘擬合方法的剪切帶傾角 112
4.8.3 基于*小二乘擬合方法的剪切帶間距 120
第5章 含孔洞土樣應變局部化觀測 128
5.1 平面應變雙軸壓縮實驗 128
5.1.1 土樣制備 128
5.1.2 實驗過程 128
5.2 應變測量方法的比較 130
5.3 *大剪切應變的時空分布 138
5.4 主應變軸偏轉角的演變 147
5.4.1 主應變軸偏轉角的計算公式 147
5.4.2 測線上*大剪切應變的時空分布 151
5.4.3 測線上主應變軸偏轉角的分布及演變 155
第6章 單軸壓縮煤樣應變局部化過程觀測 160
6.1 單軸壓縮實驗 160
6.2 變異系數計算公式162
6.3 應變局部化過程中*大剪應變場的變異系數 162
6.4 應變局部化過程中三種變異系數的對比 173
6.5 基于五種變異系數的煤樣破壞評價 179
第7章 環繞測點子區分割方法及應用 189
7.1 基本原理 189
7.2 方法驗證 191
7.3 真實非均勻變形測量 193
7.4 虛擬剪切帶寬度測量及實測修正 197
7.4.1 寬度測量 197
7.4.2 寬度的實測值修正 201
第8章 可靠子區方法及應用 205
8.1 可靠子區方法的原理及實現 205
8.2 采動誘發斷層滑移相似模擬實驗過程觀測 208
8.2.1 實驗過程簡介 208
8.2.2 可靠子區選擇 208
8.2.3 可靠子區的相關系數分布 210
8.2.4 位移場 212
參考文獻 218
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巖土材料應變局部化光學測量研究 節選
第1章緒論 1.1 背景和意義 我國經濟的快速發展促進了道路、橋梁等基礎設施建設的快速發展。在土木、交通、采礦及防護等工程的建設和運行中，常會發生一些災害，如地基失穩、基坑塌方、沖擊地壓、煤與瓦斯突出和巖爆等。這些災害的不時發生往往會造成巨大的財產損失和重大的人員傷亡。 巖土材料在外部載荷作用下很少表現為全面破壞，多表現為局部化破壞，即破壞發生的區域有限且破壞的程度不同。在宏觀裂紋出現之前，由均勻變形逐漸演變成不均勻、具有明顯位移梯度的變形，這種現象被稱為應變局部化。在應變局部化發生之后，應變主要集中于某些區域，而區域外的應變較小。根據應變集中的類型可以將應變局部化劃分為剪切應變局部化、拉伸應變局部化和壓縮應變局部化。剪切應變集中的相對狹窄的帶狀區域被稱為剪切帶。剪切帶出現于宏觀裂紋之前，并引導著宏觀裂紋的發展，是重要的破壞前兆之一，受到了眾多科技人員的密切關注，成為固體力學、巖土力學、材料科學及一些工程領域的研究熱點問題之一。 鑒于巖土材料剪切帶的復雜性，對其難以從理論上進行很好的解釋。目前，室內實驗已經成為認識巖土材料剪切帶的重要方法。常用的測量技術有激光技術、計算機斷層掃描術（computer tomography，CT）、聲發射技術、紅外探測技術及數字圖像相關（digital image correlation，DIC）方法等。利用DIC方法對物體變形前后表面的灰度場進行相關處理可以獲取變形過程中的位移場和應變場，該方法具有全場測量、非接觸、操作簡單、成本低、測量精度高等優點（王懷文等，2005；班宇鑫等，2019；崔新男等， 2020；王光勇等， 2020），特別適合巖土材料剪切帶測量，已被廣泛應用。 剪切帶發生、發展過程的實驗研究有助于深入揭示剪切帶的演化規律，可為剪切帶理論分析和數值模擬提供基礎數據，并促進剪切帶本構關系的建立，這顯然具有十分重要的理論和實踐意義。 1.2DIC方法的研究現狀 DIC方法是20世紀80年代由日本的 Yamaguchi（1981）、美國的Peters和Ranson（1982）等人獨立提出的。利用DIC方法進行變形測量的本質是將選定的參考圖像與變形后的一系列目標圖像進行相關運算。與傳統的光測方法（光彈性法、全息干涉、散斑照相術、電子散斑干涉法、云紋法等）相比，DIC方法具有如下優點：通常不需特殊的光學儀器，可以使用白光源；測量范圍和靈敏度可以自由調節，可以適用于從微觀到宏觀、從微變形到大變形的測量；操作簡單、成本低、計算精度高、非接觸測量、可測量全場變形等（王懷文等，2005）。 基于DIC方法的變形測量主要包含圖像采集過程和圖像處理過程，如圖1-1所示。圖像采集主要通過 CCD相機（又稱電荷耦合器件攝像機）完成，也有通過互補金屬氧化物半導體元件（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）相機完成。與 CMOS相機相比，CCD相機的成像質量高，抗干擾能力強且圖像更容易存儲。在進行變形測量時，對采集的圖像進行處理是DIC方法的核心。近年來，相關搜索、測量誤差和應變獲取方法等被深入探索。 1.2.1相關搜索 在利用DIC方法進行變形測量時，通常以變形前的圖像為參考圖像，以變形后的圖像為目標圖像。為了評價參考圖像和目標圖像的相似程度，引入了相關函數（也被稱為相關系數）。當參考圖像和目標圖像的相關性*高時，通過參考圖像和目標圖像的對應位置確定物體的位移。尋找相關函數極值的過程被稱為相關搜索。相關搜索時使用的算法被稱為相關搜索方法。 不同的相關函數對參考圖像和目標圖像的相似度評價的結果存在一定的差異性。Ma和Jin（2003）對10種相關函數的計算精度和速度進行了對比，發現零均值歸一化后，相關計算的精度、魯棒性及適應性均得到了提高。Tong（2005）和Pan等（2010）通過散斑圖數值實驗發現，零均值歸一化互相關函數、零均值歸一化平方距離和相關函數對圖像灰度的線性變化不敏感，這兩種相關函數應該被使用。 科技人員提出了多種相關搜索方法。Sutton等（1983）提出了粗-細搜索方法。在該方法中，首先，得到整像素位移；然后，對變形后圖像進行插值，逐漸縮小搜索步長；*后，獲得亞像素位移。Sutton等（1986）針對粗 -細搜索方法耗時較長的問題，提出了一種基于優化理論的搜索方法，提高了計算速度。Bruck等（1989）針對粗-細搜索方法的計算精度較差問題，提出了基于牛頓 -拉弗森（Newton-Raphson，N-R）迭代方法的相關搜索方法。該方法是DIC方法的一次重大改進，也是目前被公認精度較高的相關搜索方法之一。但是，N-R迭代方法需要計算黑塞（Hessian）矩陣及雅克比（Jacobi）向量，計算量較大，且對初值比較敏感。Vendroux和 Knauss（1998）對N-R迭代方法中的黑塞矩陣進行了近似處理，既簡化了計算過程，降低了編程的復雜性，又不影響計算精度，這種改進的N-R迭代方法被稱為擬牛頓法。此外，科技人員還提出了一些其他的搜索方法，如雙參數迭代方法（Vendroux and Knauss，1998）、頻率相關方法（Chen et al.，1993）、十字搜索方法（芮嘉白等，1994）、時空梯度方法（Davis and Freeman，1998）、Leverberg-Marquart（L-M）方法（Schreier et al.，2000）、分形維數方法（侯振德和秦玉文，2002）、曲面擬合方法（潘兵等，2005）和加權因子方法（汪敏等，2008）等，但這些方法并不常用。 隨著智能優化算法的迅速發展及廣泛應用，科技人員將一些智能優化算法應用到DIC方法中。Pitter等（2001）提出了一種基于神經網絡的亞像素搜索方法。Zhang等（2003）、Jin和Bruck（2006）針對傳統方法對初值較敏感的問題，提出了一種基于遺傳算法的相關搜索方法。潘兵和謝惠民（2007）針對 N-R迭代方法對初值比較敏感的問題，利用差分進化算法搜索整像素位移，并將其作為N-R迭代方法的初值。 在DIC方法的實際應用中，不可避免地會遇到試樣或模型表面存在一些孔洞和缺口等缺陷，或者在變形過程中出現裂紋。潘兵等（2007）對試樣表面的缺陷進行人工標記，僅計算標記外區域的測點位移，并對局部位移場進行*小二乘擬合得到應變。李元海等（2012）提出了一種“一點五塊”DIC方法，當某一子區包含非連續變形時，在該子區周圍再布置4個包含該子區中心點的新子區，用不包含非連續變形的新子區來計算該子區中心點的位移。Sousa等（2011）提出了一種基于時空差分技術的DIC方法，使用四叉樹算法識別非連續區域。首先，他們將變形前后的圖像分割成4個矩形區域；其次，對任意矩形區域，如果其與變形后區域的相關性較差（小于預設的閾值），則將該區域再次分為4個矩形區域；重復上述過程，當每個區域的相關系數都滿足要求后，停止分割。對于包含裂紋的區域，由于其與變形后區域的相關性較差，因此，會被分割成多塊尺寸不同的矩形區域。而對于不包含或包含少量裂紋的區域，該方法的位移精度較高。 Poissant和 Barthelat（2010）提出了一種子區分割法，當檢測到非連續變形的位置時，在該位置將樣本子區分割為兩個子區，以避免子區內包含不連續變形。與傳統DIC方法相比，對于存在裂紋和斷層等不連續區域的位移測量，子區分割法具有較高的精度。王驥驍和陳金龍（2015）研究了裂紋尖端位移函數中各項及其組合項對位移場表征的貢獻程度及對測試精度的影響。 1.2.2誤差分析 相關搜索方法和散斑圖質量對DIC方法的測量精度起著決定性作用。除此之外還有許多因素會影響測量精度，如噪聲、子區尺寸、形函數、光源、相機和離面位移等。為了提高測量精度，科技人員對可能產生的誤差因素進行了分析。 Sutton等（1988）對散斑圖的數字化、采樣頻率及亞像素插值方法進行了深入的理論分析。Dai等（1999）和簡龍暉等（2003）分析了子區尺寸對測量精度的影響。Bornert等（2008）研究了子區尺寸、亞像素插值方法和形函數對測量精度的影響。Lu和Cary（2000）首次在DIC方法中引入了二階形函數。他們發現，二階形函數的DIC方法更適于大變形條件下的應變測量。Xu等（2015）分析了DIC方法中形函數和子區尺寸對高應變梯度應變測量的影響。他們發現，在DIC方法中，當一階形函數與二階形函數的測量結果相差大于10%時，二階形函數的結果更加可靠；二階形函數比一階形函數更適于描述高應變梯度的應變。王博等（2016）推導了一階形函數和二階形函數的位移隨機誤差理論公式，并利用數值實驗進行了驗證。他們發現，過匹配形函數（形函數的階數大于實際變形階數）不會引入額外的系統誤差，但會增加隨機誤差；在變形未知的情況下，推薦使用二階形函數。 測量系統對DIC方法的測量精度有一定的影響。Schreier等（2000）通過研究發現，在測量系統中，采用長焦鏡頭可以減小位移測量誤差。孟利波等（2006）對相機光軸與物面不垂直引起的誤差進行了詳細的研究。Reu等（2014）分析了相機的分辨率對結果的影響。他們發現，圖像的分辨率造成的誤差可以通過增加子區尺寸和散斑半徑來彌補。Lepage等（2016）為了提高測量精度，在相機鏡頭前增加偏振片使光線極化，并進行了實驗驗證。他們發現，在采用偏振片后，測量精度得到了改善。 圖像畸變主要是由光學元件（變焦鏡頭、擴倍鏡和CCD感光元件等）的非線性以及光線的折射等因素引起的，會產生一定的測量誤差。王助貧等（2002）采用二次標定方法解決了攝像視角不同時和變物距測量時圖像的畸變問題。首先，對標準模塊進行測量，得到了校準曲線；其次，在實際測量時，通過校準曲線上的點修正測量結果。Yoneyama等（2006）通過標準柵格標定方法獲得了相機鏡頭的畸變修正系數，據此對位移進行校正。馬少鵬等（2012）針對數字相機機身溫度升高會導致采集的圖像發生微小膨脹從而引起應變測量誤差增加的問題，提出了兩種誤差補償的思路。潘兵等（2013）通過研究發現，在使用高質量雙遠心鏡頭獲得圖像時，被測物體表面的離面位移和相機自熱的影響較小，鏡頭畸變較小。 戴相錄等（2013）基于針孔模型從理論上分析了離面位移對測量結果的影響。他們發現，離面位移對測量結果的影響隨著物距的增加而顯著減小；當存在靠近相機靶面的離面位移時，結果中有虛雙軸對稱拉伸應變；當存在遠離相機靶面的離面位移時，結果中有虛雙軸對稱壓縮應變。 1.2.3應變測量 在DIC方法中，應變可以通過N-R迭代方法、擬牛頓方法、L-M方法或遺傳算法得到，但是N-R迭代方法或遺傳算法僅僅適用于局部應變大于 0.01的情況（Bruck et al.，1989）。對于離散的數據，可通過位移的空間差分獲得應變，但是由于位移場中一般包含一定的誤差，直接利用差分方法計算應變可能會引入較大的誤差。Sutton等（1991）先采用有限元方法對位移場進行平滑，再通過中心差分方法計算應變。Tong（1997）和 Wang等（2002）采用樣條平滑技術消除位移場中的噪聲。Meng等（2007）進一步改進了有限元平滑技術。Wattrisse等（2001）和Pan等（2009）采用逐點局部*小二乘擬合方法獲得應變場。Zhao等（2012）基于厄米（Hermite）有限單元法和 Tikhonov正則化提出了一種位移平滑方法，實現對計算區域不規則時的位移場平滑。 在有限元平滑方法中，通過將離散的位移數據組裝成剛度矩陣可一次性獲得所有測點的應變，但對劃分節點網格質量要求較高。*小二乘擬合方法易于編程實現，已經成為DIC方法中獲取應變的重要方法。 1.3 基于DIC方法的巖土材料應變局
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