巖石常三軸試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量技術(shù)

巖石常三軸試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量技術(shù)巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)中位移和應(yīng)變測(cè)量技術(shù)啞咣嘿巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)進(jìn)程，根底設(shè)施的完善，工程建筑的興盛、型材料的應(yīng)用、地質(zhì)災(zāi)難頻發(fā)、環(huán)境保護(hù)的提倡。三軸試驗(yàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖土工程、建筑材料、地質(zhì)災(zāi)難爭(zhēng)論與應(yīng)用等領(lǐng)域。在眾多的三軸試驗(yàn)當(dāng)中，常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)是最為根底也是應(yīng)用最為廣泛的試驗(yàn)。特別在巖土工程領(lǐng)域，巖石三軸試驗(yàn)擔(dān)當(dāng)著邊坡穩(wěn)定、巷道(隧道)圍巖維護(hù)等與巖石品質(zhì)親熱相關(guān)的科學(xué)爭(zhēng)論和工程應(yīng)用的重任。常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)通常分為常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)〔又稱假三軸壓縮試驗(yàn)〕和真三軸壓縮試驗(yàn)，其中前者的試樣處于等側(cè)向壓力的狀態(tài)下，而后者的試樣處于三個(gè)主應(yīng)力都不相等的應(yīng)力組合狀態(tài)下。一般狀況下巖石所處環(huán)境中水平方向壓力相當(dāng)，只有豎直方向上存在較大差異，本文所爭(zhēng)論的是常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。常規(guī)三軸試驗(yàn)用圓柱或棱柱試件進(jìn)展測(cè)試，試件放在試驗(yàn)艙中軸線處，通常使用油實(shí)現(xiàn)對(duì)試件側(cè)向壓力的施加，用橡膠套將試件與油隔開(kāi)。軸向應(yīng)力由穿過(guò)三軸室頂部襯套的活塞通過(guò)淬火鋼制端面帽蓋施加于試件之上。通過(guò)貼在試件外表的電阻應(yīng)變片可以測(cè)量局部的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變[1]。依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]中的三軸壓縮試驗(yàn)為強(qiáng)度試驗(yàn)。由不同側(cè)壓條件下的試件軸向破壞荷載計(jì)算不同側(cè)壓條件下的最大主應(yīng)力，并依據(jù)最大主應(yīng)力及相應(yīng)施加的側(cè)向壓力，在坐標(biāo)圖上繪制莫爾應(yīng)力圓；應(yīng)依據(jù)莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則確定巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，應(yīng)包括摩擦系數(shù)和粘聚力c試驗(yàn)機(jī)的進(jìn)展由早期簡(jiǎn)潔的籃子盛有重物加載到杠桿系統(tǒng)加載再520世紀(jì)30年月到60為增加壓力機(jī)的剛度而努力，直到消滅了液壓伺服技術(shù)，并結(jié)合提高試驗(yàn)機(jī)的剛度才形成了可以繪制材料全應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為成熟的技術(shù)[3]。液壓三軸試驗(yàn)機(jī)1-2橡膠密封機(jī)制a將套筒插入試驗(yàn)艙b組裝試驗(yàn)艙c將液壓油布滿試驗(yàn)艙d插入試件〔包括應(yīng)變片〕e插入球形支座f進(jìn)展常規(guī)三軸試驗(yàn)g試驗(yàn)后取出巖石試件在承受液壓私服技術(shù)的三軸試驗(yàn)中，應(yīng)變片導(dǎo)線穿過(guò)密封橡膠套筒、試驗(yàn)液、以及帶隔塞的試驗(yàn)艙。該方法雖然可行，但其試驗(yàn)艙的組裝相對(duì)簡(jiǎn)潔。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)操作，Hoek,E.和Franklin[04]在1968年對(duì)三軸試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)艙局部進(jìn)展了重設(shè)計(jì)，其三軸試驗(yàn)機(jī)如以以下圖1-1所示。圖1-1中，貼有雙向應(yīng)變片的圓柱形巖石試件被包裹在橡膠套筒中，橡膠套筒兩端為U型。端部U型橡膠套筒的密封機(jī)制見(jiàn)圖1-2。試件及套筒位于在鋼制圓筒形試驗(yàn)艙中心，實(shí)驗(yàn)艙上下兩端設(shè)有開(kāi)孔蓋帽。油填通過(guò)輸油孔將套筒和試驗(yàn)艙間空隙填滿并施加油壓。試件、壓板以及應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線都可以插入試驗(yàn)艙進(jìn)展試驗(yàn)，試驗(yàn)后可以在不破壞試驗(yàn)艙密封條件的狀況下取出試件。具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)圖1-3。1-1三軸試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)艙剖面圖h拆解試驗(yàn)艙〔試件變形大〕1-3三軸試驗(yàn)步驟示意圖2相比于單軸試驗(yàn)，三軸壓縮試驗(yàn)中巖石試件被包裹在橡膠套中且受到側(cè)向油壓，應(yīng)變片則夾在試件于乳膠套筒中間，其導(dǎo)線通過(guò)圖1-中試驗(yàn)艙的底蓋與加壓裝置間的縫隙連接到試驗(yàn)艙外部的數(shù)據(jù)接收裝置，這就是傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)中變形測(cè)量的困難所在。除了應(yīng)變片式應(yīng)變計(jì)外，土和巖石的三軸壓縮試驗(yàn)中還承受諸如LVDT局部應(yīng)變傳感器、圖像測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)量技術(shù)。這些測(cè)量技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量技術(shù)的豐富也使得三軸試驗(yàn)的變形測(cè)量更加便利準(zhǔn)確。應(yīng)變片應(yīng)變片原理應(yīng)變片于1938年先后由EdwardE.Simmons和ArthurC.Ruge各自獨(dú)立地制造出來(lái)。一般地，應(yīng)變片〔見(jiàn)圖2-1〕由絕緣基片與金屬敏感柵組成。應(yīng)變片需要使用正確的粘合劑與物體相連接，比方 502膠水。當(dāng)被測(cè)部件受外力變形時(shí)，敏感柵也隨之變形，因此敏感柵的電阻值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。一個(gè)典型的應(yīng)變片，其主測(cè)試方向?yàn)樗椒较?。敏感柵外部的?biāo)記線便于粘貼時(shí)應(yīng)變片對(duì)齊所測(cè)應(yīng)變方向。2-1應(yīng)變片應(yīng)變片很好地利用了導(dǎo)體的物理特性和幾何特性。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在其彈性極限內(nèi)受外力拉伸時(shí)，其不會(huì)被拉斷或產(chǎn)生永久變形而會(huì)變窄變長(zhǎng)，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變大。相反，當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體被壓縮后會(huì)變寬變短，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變小〔如圖2-2所示〕。通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片的電阻，其掩蓋區(qū)域的應(yīng)變就可以演算出來(lái)。應(yīng)變片的敏感柵是一條窄導(dǎo)體條曲折排列成的一組平行導(dǎo)線，這樣的布置方式可將基線方向的微小變形累積起來(lái)以形成一個(gè)較大的電阻變化量累計(jì)值。應(yīng)變片的測(cè)量對(duì)象只有其所掩蓋區(qū)域的變形量，足夠小的應(yīng)變片可在諸如有限元式的應(yīng)力分析當(dāng)中使用。圖2-3惠斯登電橋2-2應(yīng)變片變形示意圖應(yīng)變片測(cè)量的計(jì)算公式如下：式中：——目標(biāo)應(yīng)變；K值與敏感柵的材料和幾何外形等有關(guān)，是由制造廠家用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)O(shè)備抽樣標(biāo)定后，供給應(yīng)使用者的；——電阻變化值；——初始電阻值。為了測(cè)量,就要測(cè)得,而是通過(guò)惠斯登電橋測(cè)得的,電橋如圖2-3,其作用是將電橋的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。電阻、、、構(gòu)成電橋的四個(gè)橋臂,它們可用應(yīng)變片代替。其中兩個(gè)對(duì)角AC為供橋端，供給直流電壓VAC來(lái)表示，另兩個(gè)對(duì)角BD為輸出端，輸出電壓用UBD來(lái)表示。工作時(shí)只有兩個(gè)相鄰橋臂電阻發(fā)生變化的稱為半橋接法，四個(gè)橋臂電阻均發(fā)生變化的稱為全橋接法?！?〕當(dāng)承受半橋接法時(shí)，輸出電壓為：電橋的平衡條件為=0，一般的電阻應(yīng)變儀都設(shè)計(jì)為等比電橋，即：，所以電橋的原始狀態(tài)是平衡的。當(dāng)測(cè)量的構(gòu)件受力作用時(shí)，構(gòu)件的變形使粘貼于上的電阻應(yīng)變片也跟著變形而產(chǎn)生電阻的變化。如AB橋臂上這個(gè)電阻應(yīng)變片〔簡(jiǎn)稱工作片〕，它從變化為+，其他的幾個(gè)橋臂固定不動(dòng)。這就造成了電橋的不平衡，將有一個(gè)電壓輸出，即：由于應(yīng)變測(cè)量時(shí)，電阻變化率甚小,，因此：〔2〕當(dāng)承受全橋接法時(shí)，輸出電壓為：設(shè)等臂電橋的，工作時(shí)四個(gè)電阻都要產(chǎn)生電阻變化量，其變化量分別為、、、，則可近似認(rèn)為：故應(yīng)變儀器讀數(shù)：圖2-5加圍壓應(yīng)變測(cè)量結(jié)果圖2-4棱柱試件應(yīng)變片布置2.2.2應(yīng)變片選擇及布置在進(jìn)展三軸試驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇適宜該試驗(yàn)的應(yīng)變片，選擇應(yīng)變片的步驟如下：首先依據(jù)應(yīng)用精度、環(huán)境條件選擇應(yīng)變計(jì)的系列；依據(jù)試件大小尺寸、粘貼面積、曲率半徑、安裝條件、應(yīng)變梯度選擇敏感柵柵長(zhǎng)；依據(jù)應(yīng)變梯度、應(yīng)力種類、散熱條件、安裝空間、應(yīng)變計(jì)電阻等選擇敏感柵構(gòu)造；依據(jù)使用條件、功耗大小、最大允許電壓等選擇標(biāo)稱電阻；依據(jù)試件材料、工作溫度范圍、應(yīng)用精度選擇溫度自或彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)；依據(jù)彈性體的固有蠕變特性、實(shí)際測(cè)試的精度、工藝方法、防護(hù)膠種類、密封形式等選；依據(jù)實(shí)際需要選擇應(yīng)變計(jì)的引線連接方式。這里以K.HAYANO和T.SATO等人對(duì)軟質(zhì)泥巖的三軸壓縮試驗(yàn)為例，試件為棱柱體，尺寸為，試驗(yàn)的變形應(yīng)變計(jì)承受應(yīng)變片，共4對(duì)應(yīng)變片用于測(cè)量巖石試件的軸向和側(cè)向變形〔如圖2-4〕。其中豎向應(yīng)變片一對(duì)，長(zhǎng)80mm長(zhǎng)；側(cè)向應(yīng)變片三對(duì)，長(zhǎng)60mm。從上述文獻(xiàn)不難看出，豎直方向的應(yīng)變片長(zhǎng)度長(zhǎng)于側(cè)向，這是由于試件的截面尺寸為80mm80mm，在選擇側(cè)向應(yīng)變片的時(shí)候應(yīng)變片長(zhǎng)度不單要小于截面80mm，還需要預(yù)留出一段距離便于應(yīng)變片的粘貼。而相試件的軸向尺寸兩倍于側(cè)向尺寸，選擇柵長(zhǎng)較長(zhǎng)的應(yīng)變片能夠掩蓋更大的測(cè)量范圍，即使得測(cè)得的數(shù)據(jù)更加反響應(yīng)變的平均值。此外，雖然試件的兩對(duì)側(cè)面均布置了應(yīng)變片，這是為了沿試件高度方向均勻布置側(cè)向應(yīng)變計(jì)，這樣能通過(guò)三對(duì)側(cè)向應(yīng)變片采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)反響試件不同高度處的變樣子況。該試驗(yàn)為常溫下的三軸試驗(yàn)，對(duì)于高地應(yīng)力的巖石試件進(jìn)展試驗(yàn)時(shí)，往往需要對(duì)試件在高溫高壓的環(huán)境下的物理力學(xué)性能做出評(píng)測(cè)，這時(shí)需要應(yīng)變片能夠在高溫環(huán)境下保持確定的敏感度并穩(wěn)定工作。2.2.3應(yīng)變片測(cè)量缺陷及解決依據(jù)劉曉紅等人[6]的爭(zhēng)論，在進(jìn)展試件實(shí)測(cè)時(shí)一般只記錄加軸向壓力后巖樣的變樣子況，有時(shí)也記錄加圍壓過(guò)程中巖石的應(yīng)變,但資料并不抱負(fù),常常無(wú)法利用。如圖2-5所示，理論上來(lái)說(shuō)試驗(yàn)中無(wú)論是軸向應(yīng)變還是橫向應(yīng)變都是壓縮應(yīng)變，且與圍壓成正比關(guān)系。但實(shí)測(cè)狀況下，加圍壓時(shí)，有時(shí)記錄得到的是拉伸變形即c線；有時(shí)記錄到壓縮變形后又變成拉伸變形即b線。而且每次試驗(yàn)中壓縮、拉伸應(yīng)變值也都不一樣。這種簡(jiǎn)潔的結(jié)果常常使得加圍壓過(guò)程中應(yīng)變的測(cè)量資料無(wú)法利用。圖2-8LVDT加圍壓前加圍壓后2-6加圍壓前后應(yīng)變片變化通過(guò)顯微鏡對(duì)加壓前后應(yīng)變片變形的狀況〔圖2-6〕進(jìn)展比照，不難覺(jué)察，在加壓之前，應(yīng)變片格外平坦；加圍壓后，應(yīng)變片上了一些下凹的小坑，坑的直徑約為1mm左右。不同的應(yīng)變片受到圍壓作用后，其上坑的數(shù)量、大小和分布各不一樣。進(jìn)一步用顯微鏡直接觀看經(jīng)過(guò)加工后的巖樣外表,覺(jué)察巖樣外表上存在著很多小坑,不管加工多么認(rèn)真(甚至經(jīng)過(guò)無(wú)心磨床研磨)巖石外表的礦物顆?？傆袠O少量的脫落,從而在外表上形成一些小坑,坑的直徑與礦物顆粒直徑接近,深度約0.1~0.3mm不等。因此，當(dāng)我們把一片平坦的應(yīng)變片貼在巖樣外表時(shí)，由于圍壓的作用，應(yīng)變片會(huì)局部漸漸地被壓入巖樣外表的小坑。由于小坑深度有限，大多數(shù)狀況下，應(yīng)變片不會(huì)被壓斷，而是消滅了永久變形。雖然巖樣受到了壓縮，但這種實(shí)際上被加長(zhǎng)的應(yīng)變片記錄得到的卻是拉伸應(yīng)變?？梢赃@樣來(lái)理解，加圍壓過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果:應(yīng)變片登記的應(yīng)變反映了兩種結(jié)果,一種是巖樣的變形,而另一種是應(yīng)變片本身外形變化(這種變化與圍壓大小有關(guān))。由于巖樣外表小坑狀況很簡(jiǎn)潔,有時(shí)有小坑,有時(shí)又沒(méi)有,有時(shí)小坑多,有時(shí)小坑少。因此,在加圍壓過(guò)程中應(yīng)變片外形變化也是不確定和難以推想的。通過(guò)對(duì)巖樣預(yù)先施加確定的圍壓值，再卸掉圍壓至零，再重增加圍壓。如此當(dāng)圍壓到達(dá)預(yù)先施加的圍壓值之前，應(yīng)變片的永久變形不會(huì)再發(fā)生變化了，此時(shí)應(yīng)變測(cè)量的結(jié)果則完全表示了巖樣在圍壓下的變樣子況。但假設(shè)巖石試件需要到達(dá)較高的應(yīng)力狀態(tài)甚至破壞階段，則在圍壓值到目標(biāo)應(yīng)力值的區(qū)段內(nèi)照舊會(huì)包含應(yīng)變片本身的變形影響。LVDTLVDT〔LinearVariableDifferentialTransformer〕是線性可變差動(dòng)變壓器縮寫(xiě)，屬于直線位移傳感器?？梢灾苯釉谠嚇由蠝y(cè)量軸向和徑向小應(yīng)變，是一款優(yōu)質(zhì)的位移傳感器。局部應(yīng)變傳感器又分為軸向應(yīng)變測(cè)量裝置和徑向局部應(yīng)變傳感器兩種，如圖2-7軸向應(yīng)變測(cè)量徑向局部應(yīng)變測(cè)量2-7LVDTLVDTLVDT器。如圖2-8所示，它由一個(gè)初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈，鐵芯，線圈骨架，外殼等部件組成。初級(jí)線圈、次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)線圈反串相接、兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關(guān)系。LVDT無(wú)摩擦測(cè)量LVDT的可動(dòng)鐵芯和線圈之間通常沒(méi)有實(shí)體接觸，也就是說(shuō)LVDT是沒(méi)有摩擦的部件。它被用于可以承受輕質(zhì)鐵芯負(fù)荷，但無(wú)法承受摩擦負(fù)荷的重要測(cè)量。無(wú)限的機(jī)械壽命由于LVDT的線圈及其鐵芯之間沒(méi)有摩擦和接觸，因此不會(huì)產(chǎn)生任何磨損。無(wú)限的區(qū)分率LVDT的無(wú)摩擦運(yùn)作及其感應(yīng)原理使它具備兩個(gè)顯著的特性。第一個(gè)特性是具有真正的無(wú)限區(qū)分率。這意味著LVDT可以對(duì)鐵芯最微小的運(yùn)動(dòng)作出響應(yīng)并生成輸出。外部電子設(shè)備的可讀性是對(duì)區(qū)分率的唯一限制。零位可重復(fù)性LVDT構(gòu)造對(duì)稱，零位可回復(fù)。LVDT的電氣零位可重復(fù)性高，且極其穩(wěn)定。軸向抑制LVDT結(jié)實(shí)耐用制造LVDT所用的材料以及接合這些材料所用的工藝使它成為結(jié)實(shí)耐用的傳感器。即使受到工業(yè)環(huán)境中常有的強(qiáng)大沖擊、巨幅振動(dòng)，LVDT也能連續(xù)發(fā)揮作用。鐵芯與線圈彼此分別，在鐵芯和線圈內(nèi)壁間插入非磁性隔離物，可以把加壓的、腐蝕性或堿性液體與線圈組隔離開(kāi)。這樣，線圈組實(shí)現(xiàn)氣密封，不再需要對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)展動(dòng)態(tài)密封。對(duì)于加壓系統(tǒng)內(nèi)的線圈組，只需使用靜態(tài)密封即可。環(huán)境適應(yīng)性LVDT是少數(shù)幾個(gè)可以在多種惡劣環(huán)境中工作的傳感器之一。用不銹鋼外殼的密封型LVDT可以置于腐蝕環(huán)境或類似液氮的低溫環(huán)境以及550℃的高溫環(huán)境。輸入/輸出隔離LVDT被認(rèn)為是變壓器的一種，由于它的勵(lì)磁輸入〔初級(jí)〕和輸出〔次級(jí)〕是完全隔離的。LVDT無(wú)需緩沖放大器，可以認(rèn)為它是一種有效的模擬信號(hào)計(jì)算元件。在高效的測(cè)量和把握回路中，它的信號(hào)線與電源地線是分別開(kāi)的。如上所述，LVDT具有諸多卓越的品質(zhì)。它的主要限制是，為得到線性性能，傳感器的外殼要比行程長(zhǎng)，還有輸出信號(hào)對(duì)輸入被測(cè)量存在確定的非線性。承受特地的調(diào)整技術(shù)，可以改進(jìn)展程對(duì)外殼的長(zhǎng)度比和非線性問(wèn)題，其中一個(gè)技術(shù)就是增加微把握器進(jìn)展校正。LVDT具有良好的重復(fù)性，這一技術(shù)是可行的。基于以上的優(yōu)點(diǎn)，LVDT測(cè)量技術(shù)為工程界廣泛承受，在諸如GDS、GCTS等公司生產(chǎn)的三軸試驗(yàn)機(jī)的組成介紹中都可以看到。數(shù)字圖像測(cè)量數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種承受圖像追蹤并配準(zhǔn)以準(zhǔn)確對(duì)圖像進(jìn)展二維或者三維測(cè)量的光學(xué)方法。常用于科學(xué)工程領(lǐng)域的變形、位移、應(yīng)變等的測(cè)量。該方法是一種通過(guò)圖像相關(guān)點(diǎn)進(jìn)展比照的算法，可計(jì)算出物體外表位移及應(yīng)變分布，〔圖形中用紅色標(biāo)出〕。整個(gè)測(cè)量過(guò)程，只需以一臺(tái)或兩臺(tái)圖像采集器，拍攝變形前后待測(cè)物圖像，經(jīng)運(yùn)算后3D全場(chǎng)應(yīng)變數(shù)據(jù)分布即可一目了然。不像應(yīng)變片需花費(fèi)大量時(shí)間做外表的磨平及黏貼，同時(shí)也只能測(cè)量到一個(gè)點(diǎn)某個(gè)方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)。也不像條紋干預(yù)法對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格。DIC方法獲得的數(shù)據(jù)為全場(chǎng)范圍內(nèi)的3D數(shù)據(jù)。DIC用于分析、計(jì)算、記錄變形數(shù)據(jù)。承受圖形化顯示測(cè)量結(jié)果，便于更好地理解和分析被測(cè)材料的性能。系統(tǒng)識(shí)別測(cè)量物體外表構(gòu)造的數(shù)字圖像，為圖像像素計(jì)算坐標(biāo)，測(cè)量工程的第一個(gè)圖像表示為未變外形態(tài)。在被測(cè)物體變形過(guò)程中或者變形之后，采集連續(xù)的圖像。系統(tǒng)比較數(shù)字圖像并計(jì)算物體紋理特征的位移和變形。該系統(tǒng)特別適合測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的三維變形，用于分析實(shí)際組件的變形和應(yīng)變[11]。三軸試驗(yàn)中的數(shù)字圖像技術(shù)數(shù)字圖像相關(guān)圖像處理方法在三軸試驗(yàn)中應(yīng)用相對(duì)較少，緣由在于三軸壓力室的圓筒外形會(huì)導(dǎo)致較大的圖像畸變。20世紀(jì)90年月末NASA資助的太空工程中，Alshibli等[7]將3個(gè)CCD攝像機(jī)應(yīng)用于干砂三軸剪切試驗(yàn)中的變形觀測(cè)，并結(jié)合CT機(jī)重構(gòu)了試樣的三維形態(tài)。瑞士Philippe等[8]將2個(gè)CCD攝像機(jī)分別放置在試樣的正面和側(cè)面〔夾角90°〕，通過(guò)提取試樣輪廓信息來(lái)計(jì)算體變。N.Lenoir等人[10X射線微斷層攝影得到試件的完整3D圖像，并通過(guò)DIC〔DigitalImageCorrelation〕數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)展處理。試驗(yàn)中的圖像采集設(shè)備如2-92-9試驗(yàn)裝置包括一個(gè)小的三軸試驗(yàn)艙和一個(gè)針對(duì)黏土和泥質(zhì)巖的 X射線微斷層攝影而設(shè)計(jì)的加載裝置。其中三軸試驗(yàn)裝置同典型的常規(guī)三軸試驗(yàn)裝置一樣，但其尺寸更小以及試驗(yàn)艙的側(cè)壁為了滿足X射線的透射的需要以及10MPa的圍壓及艙內(nèi)液壓帶來(lái)的拉應(yīng)力的強(qiáng)度要求。軸向荷載和應(yīng)力誤差通過(guò)位移量進(jìn)展把握。加載系統(tǒng)局部受到X射線的直接照耀，為了不影響對(duì)試件微裂縫的掃描，這一局部的加載裝置格外致密且輕。試驗(yàn)所使用的X射線束為白色光束具有最高的光子通量可用，并通過(guò)一個(gè)11極搖擺產(chǎn)生的。值得留意的是光束通過(guò)硬件濾除了低能量光子，這就避開(kāi)了硬化。在此爭(zhēng)論中使用的X射線能量范圍為50-70kV，允許穿過(guò)試驗(yàn)艙側(cè)壁去，圍壓液體和樣品〔圖2-10所示〕。該光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)將X射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的熒光屏、一個(gè)單倍物鏡和一個(gè)10241024像素的DalstarCCD照相機(jī)組成，系統(tǒng)圖像采集時(shí)間極短。一次完整的掃描由圍繞物體180°均等分的1200次拍攝記錄0.04s。空間的區(qū)分率到達(dá)了14。視圖領(lǐng)域?qū)?4mm，3.65mm厚，能夠?qū)υ嚰M(jìn)展掩蓋式掃描。在每次掃描時(shí)，系統(tǒng)對(duì)261個(gè)連續(xù)薄片同時(shí)進(jìn)展記錄。如此一疊薄片合起來(lái)成為試件的一個(gè)局部。整個(gè)試件〔直徑10mm，高20mm〕局部組成，其掃描完成時(shí)間不超過(guò)15min。這些3D子圖像連接成一個(gè)代表全樣本大型圖像，包括橡膠外套。其像素尺寸通常為9259251325。2-10X數(shù)字圖像處理數(shù)字圖形處理DIP〔DigitalImageProcessing〕是利用計(jì)算機(jī)算法來(lái)執(zhí)行數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)處理。作為一個(gè)子類別或場(chǎng)的數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)字圖像處理?yè)碛泻芏鄡?yōu)點(diǎn)模擬影像處理。它允許被應(yīng)用到輸入數(shù)據(jù)更廣范圍的算法和可避開(kāi)的問(wèn)題，例如在處理過(guò)程中的噪聲和信號(hào)失真的積聚。由于影像通過(guò)二維〔或許更多〕中所定義的數(shù)字圖像處理可以以的形式進(jìn)展建模多維系統(tǒng)。在P.Gachet和F.Geiser等人[12]的試驗(yàn)中，爭(zhēng)論人員承受自動(dòng)數(shù)字圖像處理技術(shù)以進(jìn)展實(shí)踐在三軸試驗(yàn)中體積變化的測(cè)量。具體布置如圖2-11所示，將數(shù)字?jǐn)z像機(jī)固定在距離三軸試驗(yàn)艙確定距離的位置，在試驗(yàn)過(guò)程中依據(jù)設(shè)定的變化間隔時(shí)差進(jìn)展拍照，使用輪廓技術(shù)提取時(shí)間的體積進(jìn)而進(jìn)展體積應(yīng)變的測(cè)量。通過(guò)一個(gè)剛性試件的體積與其圖像進(jìn)展比對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的校正程序。2-11數(shù)字圖像設(shè)備布置圖像測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)邵龍?zhí)逗凸鶗韵嫉热薣9]將數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)室常規(guī)土工三軸試驗(yàn)中，解決了常規(guī)土工三軸試驗(yàn)傳統(tǒng)變形測(cè)量中的一系列難題，抑制了傳統(tǒng)變形測(cè)量技術(shù)存在的缺陷和缺乏，為土工三軸試驗(yàn)供給了一種的、更為準(zhǔn)確和有效的應(yīng)變測(cè)量手段。應(yīng)用數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變形過(guò)程的非接觸直接測(cè)量，不擾動(dòng)土樣的變形，除了具有較高的測(cè)量精度外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以同步測(cè)量多斷面的徑向變形和多段土體的軸向變形,可以直接測(cè)量土樣的任一局部變形;既適用于小變形測(cè)量也適用于大變形測(cè)量;體積變形測(cè)量不受土樣飽和程度的限制，可以直接用于非飽和土樣的變形測(cè)量;實(shí)時(shí)保存變形圖像，可以在試驗(yàn)完畢后重觀看和分析整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程;除了需要對(duì)壓力室作適當(dāng)改進(jìn)外，可以直接應(yīng)用于任何常規(guī)三軸試驗(yàn)儀。圖像測(cè)量技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)目前對(duì)于數(shù)字圖像技術(shù)多為土材料相關(guān)的試驗(yàn)所使用，其緣由主要在于土三軸試驗(yàn)中圍壓值一般遠(yuǎn)低于巖石三軸試驗(yàn)。而圍壓值的大小對(duì)于三軸試驗(yàn)儀中試驗(yàn)艙側(cè)壁的材料選擇起到重要作用，即巖石三軸儀中試驗(yàn)艙側(cè)壁的強(qiáng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于土三軸試驗(yàn)。在滿足試驗(yàn)艙側(cè)壁強(qiáng)度的根底之上，還需要滿足允許數(shù)字圖像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，如文獻(xiàn)[10]中側(cè)壁滿足X射線的穿透且其致密程度、密度等特性應(yīng)當(dāng)與被測(cè)試件相區(qū)分開(kāi)來(lái)。而在實(shí)際狀況下，巖石材料一般構(gòu)造致密且密度較大，滿足巖石三軸試驗(yàn)圍壓要求的側(cè)壁多為金屬材料，構(gòu)造致密程度及密度稍大于巖石，這就給數(shù)據(jù)處理上帶來(lái)了很多困難。所以當(dāng)前承受圖像測(cè)量技術(shù)進(jìn)展巖石三軸試驗(yàn)主要針對(duì)泥質(zhì)巖這一類強(qiáng)度較弱的巖石，其常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的性質(zhì)也更接近于土三軸試驗(yàn)。假設(shè)材料領(lǐng)域能夠研制處滿足高強(qiáng)度要求的輕質(zhì)、密封性好材料，圖像測(cè)量技術(shù)在巖石三軸壓縮試驗(yàn)中的困難將迎刃而解。圖像測(cè)量技術(shù)也會(huì)將三軸壓縮試驗(yàn)帶上的高度。3在巖石常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的變形測(cè)量方面，以應(yīng)變片和LVDT兩種位移傳感器為主，而數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)由于試驗(yàn)艙側(cè)壁材料等因素限制，尚不成熟；相比于土三軸壓縮試驗(yàn)，巖石三軸壓縮試驗(yàn)的變形測(cè)量約束條件更多，因而進(jìn)展較慢；對(duì)于一般環(huán)境下的巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)，選擇應(yīng)變片進(jìn)展變形測(cè)量更為經(jīng)濟(jì)；對(duì)于例如高溫高壓下的常三軸試驗(yàn)，或者傳感器與試件接觸LVDT在被測(cè)巖石試件強(qiáng)度較低時(shí)，可以考慮用改進(jìn)的土三軸試驗(yàn)機(jī)及數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)展變形測(cè)量。測(cè)量變形的傳感器技術(shù)總體向著滿足無(wú)接觸、全方位、準(zhǔn)確化、便捷等方面進(jìn)展。這使得關(guān)于巖石的承載力、變形特性等方面的爭(zhēng)論更加真實(shí)而全面。引用文獻(xiàn)王鷹鵬,汪令輝.兩種不同巖石在三軸壓縮條件下的變形試驗(yàn)[J].中國(guó)礦山工程,2023,10〔5〕:8-11GBT50266-2023.工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)打算出版社,2023牛學(xué)超,張慶喜,岳中文.巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)狀及進(jìn)展趨勢(shì)[J].巖土力學(xué),2023,2Hoek.E,ranklin.J.A.Asimpletriaxialcellforfieldandlaboratorytestingofrock[K].Trans.InstnMin.Metall.1968,77,A22-26K.Hayano,T.Sato,F.Tatsuoka.Deformationcharacteristicsofasedimentarysoftmudstonefromtriaxialcompressiontestsusing rectangular prism specimen