節(jié)理巖石隧道圍巖破裂帶的數(shù)字照量測研究

節(jié)理巖石隧道圍巖破裂帶的數(shù)字照量測研究

1相似模型試驗的量測方法本底定在相關研究中，數(shù)字相位檢測技術也被稱為數(shù)字離散檢測或piv方法，其基本原則是相同的。這些算法是基于數(shù)字圖像的變形計算的主要算法。近年來，隨著數(shù)字相機的普及，數(shù)字照相量測技術得到迅速發(fā)展和廣泛應用。目前，在巖土工程相關試驗研究中，數(shù)字照相量測已被證明是一種先進的變形測試手段。其中，照相量測硬件系統(tǒng)主要由數(shù)字相機和照明設備組成，可通過市場直接選購，關鍵在于軟件支持。筆者開發(fā)了一套集圖像分析和結(jié)果后處理為一體的巖土工程數(shù)字照相量測軟件系統(tǒng)PhotoInfor，以便該項技術的廣泛應用和推廣。眾所周知，位移或變形是巖土工程圍巖力學特性與所處應力環(huán)境相互作用的結(jié)果，是分析和評價巖土工程安全穩(wěn)定性最常用的指標，同時，也是試驗中最為重要的量測內(nèi)容之一。迄今為止，國內(nèi)外學者應用數(shù)字照相量測技術進行巖土力學或工程的試驗研究，主要以砂土為多。因為砂土在外載作用下，變形相對平緩，更適合于基于微小變形連續(xù)計算和累加的數(shù)字照相量測方法，而對于以巖石為對象的相似模型試驗，由于試驗模型通常以河砂與石膏、石灰或者石蠟混合膠結(jié)而成，模型在外荷載作用下，相對于砂土等顆粒材料，在塑性變形或破裂區(qū)出現(xiàn)前，一般變形較小，而當巖體應力達到峰值時，變形破裂常常具有突發(fā)性，由于圖像采集存儲需要時間，在峰值附近，很難連續(xù)快速拍攝到多幅模型照片，圖像相關性分析和變形量測效果可能不夠理想。因此，一些研究人員在進行礦山采場巖層移動或巷道的破壞規(guī)律等相似模型試驗時，都在模型上嵌入量測標點，國外則有學者利用不同直徑的鋁棒混合體和特殊的隧道結(jié)構(gòu)建立試驗模型，通過量測嵌入標點或鋁棒端部的位移來觀測圍巖的變形，筆者將這些方法統(tǒng)稱為“標點法”，它適應較大變形量測，但因測點數(shù)量有限，不能對巖體全域變形場進行精細測量。在巖石隧道相似模型試驗中，直接利用巖體材料的自然紋理特征進行圖像相關性分析和變形量測的應用研究未見有公開報道。針對節(jié)理巖石隧道相似模型試驗，本文利用經(jīng)過部分改裝的真三軸試驗臺，在加載過程中，對模型隧道進行全程圖像采集，定性和定量分析隧道圍巖的位移場、變形場以及變形破裂演變過程，同時來進一步檢驗數(shù)字照相量測在巖石相似模擬試驗中的應用效果，并試圖發(fā)現(xiàn)存在哪些具體問題需要進一步改進。此外，在巖體隧道中，圍巖破裂帶(礦山巷道中又稱圍巖松動圈)的大小也是一個重要的研究問題，它是隧道所處應力環(huán)境和巖體強度綜合作用的結(jié)果，破裂帶內(nèi)巖體碎脹變形被認為是圍巖變形產(chǎn)生的主要原因，因此，破裂帶大小是決定隧道維護難易程度的一個重要指標，它的準確測量對隧道支護設計和安全穩(wěn)定性評價都具有重要意義。在相似模型試驗研究中，通常用肉眼來觀測圍巖破裂范圍，例如，試驗結(jié)束時將試驗模型封閉的加載板打開或?qū)⒛Ｐ颓虚_，然后進行人工素描和測量，這種方法雖然簡單，但很難判斷破裂帶的準確邊界，只能在試驗結(jié)束時量測圍巖破裂范圍，無法了解其演變過程。為此，本文提出一種基于圖像相關分析的簡單實用且精度較高的隧道圍巖破裂帶識別新方法，可對破裂帶的范圍及其發(fā)展變化進行分析和研究。2數(shù)字圖像測量方法的總結(jié)2.1亞像元精度分析數(shù)字照相量測的基本原理是利用圖像相關分析，在滿足圖像相關性基本要求的試驗照片序列中，首先在首張圖像上設置量測像素點，然后在圖像序列間進行像素測點的位置追蹤，根據(jù)圖像間對應測點坐標的變化進行微小位移計算和連續(xù)累加，并利用相關變形解釋方法進行應變計算，最后進行結(jié)果后處理和進一步統(tǒng)計分析。利用插值方法，像素點位移可以達到亞像元精度?？紤]到巖土材料局部化變形的廣泛存在，圖像相關性分析中，采用三步搜索法能夠提高位移量測的精度。2.2圖像剛體位移的測量坐標轉(zhuǎn)換又稱圖像校準，是將圖像上以像素為單位的坐標轉(zhuǎn)換為以毫米或微米為單位的坐標表示，從圖像空間到模型空間的轉(zhuǎn)換通常以固定不動的控制網(wǎng)點來校準因各種原因產(chǎn)生的圖像幾何畸變和平移轉(zhuǎn)動等剛體位移。坐標轉(zhuǎn)換的方法多種多樣，筆者采用的是四邊形單元等參變換法。此法中，如何布置若干控制基準點和準確量測其真實坐標是關鍵。當控制點布置比較困難時，若相機鏡頭能夠始終保持固定，觀測目標不發(fā)生整體位移，且量測精度允許，可在模型表面立一把刻度尺，以獲得圖像的比例，即1pixel相當于多少毫米，用于圖像分析中像素測點的坐標轉(zhuǎn)換。圖像比例直接決定著位移的量測精度，它與相機的分辨率和觀測目標的范圍直接相關。2.3邊形網(wǎng)格劃分圖像分析前，首張圖像上像素測點的指定類似有限元規(guī)則四邊形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點可看作是圖像變形測點，因此，利用四邊形等參單元的特點，已知4個節(jié)點位移，即可計算出單元中心的應變，從而實現(xiàn)對變形的解釋。2.4拍攝時，機關主導地位不穩(wěn)定，圖像采集的質(zhì)量與變形量測精度直接相關，因此，在圖像采集中要特別注意以下幾點：(1)光源選擇和環(huán)境光線的變化是首要考慮因素，特別是歷時較長的試驗觀測，力求光照在拍攝期間保持一致，并避免對觀測目標光照的干擾；(2)拍攝過程中，相機應保持固定不動，以減少同一系列圖像變形的差異；(3)圖像應采用未經(jīng)壓縮的RAW或TIFF等格式，而不用JPG等損失大量圖像細節(jié)的壓縮格式；(4)確?？刂苹鶞庶c固定不動。此外，由于周圍光線的變化或相機的輕微晃動，同一圖像序列會出現(xiàn)亮度差異或部分圖像上產(chǎn)生斑點，這些均會導致個別像素測點位移分析結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差，屬于正?，F(xiàn)象，尤其是照片采集歷時較長的試驗圖像，比如，連續(xù)24h，周圍光線變化較大，此時可通過增大模型表面的光照強度來降低自然光的變化影響。2.5．量測與圖形輸出巖土工程數(shù)字照相量測軟件系統(tǒng)包含圖像分析程序PhotoInfor和后處理程序PostViewer。系統(tǒng)除了規(guī)則測點網(wǎng)的變形分析外，還可以對用戶指定的離散測點進行分析，同時，利用筆者提出的剪切帶識別法，可進行剪切帶的量測與圖形輸出。在系統(tǒng)使用中，用戶只需要手工準備一個簡單的控制點數(shù)據(jù)文件和進行分析參數(shù)設置，其余圖像分析可由系統(tǒng)自動完成，PostViewer程序可以進行變形場等值線、云圖、變形網(wǎng)等圖形繪制，指定測點在整個試驗過程中的數(shù)據(jù)提取，等值線和云圖等的JPG,BMP,WMF格式的圖形批量自動輸出等。針對圖像識別過程中出現(xiàn)個別誤差明顯甚至錯誤的像素點，PhotoInfor程序提供了簡便的修正方法。3破裂帶范圍的“圖像鉆孔”由于圍巖破裂帶內(nèi)巖體位移通常較大，破裂帶外位移較小，且圍巖裂縫和破裂處位移由于發(fā)生時間極短，而圖像采集的時間間隔很難保證足夠小，因此位移曲線在該處通常會出現(xiàn)明顯的彎折點。利用圖像相關性分析，可以區(qū)別和判斷破裂帶的大小和范圍。如在模型圖像上劃分常規(guī)測點網(wǎng)格，因測點間距較大(例如，本例圖像分析中設置測點間隔為25pixel，相當于3mm)，不能準確識別破裂帶邊界，間隔太小，導致計算量過大。為此，本文提出一種“圖像鉆孔”方法，即沿圓形隧道周邊按徑向等角度布置幾組“鉆孔”，每組“鉆孔”實際上由間距為1pixel的測點組成，然后，利用圖像相關分析，計算出“鉆孔”點在各個試驗階段的位移，便可準確判定圍巖破裂帶的范圍。筆者在PhotoInfor系統(tǒng)中增加了這一新功能，實現(xiàn)了圍巖破裂帶的識別參數(shù)設置(見圖1)、圖像自動分析與矢量格式的破裂帶識別素描圖的輸出等。4試驗研究內(nèi)容隧道工程的變形、失穩(wěn)乃至破壞往往與其周圍巖體內(nèi)部節(jié)理和裂隙的分布、擴展、貫通密切相關。試驗研究內(nèi)容為含斷續(xù)節(jié)理的隧道圍巖的變形破壞規(guī)律及其在地應力作用下的破裂區(qū)產(chǎn)生、發(fā)展及演變特點。下文重點介紹數(shù)字照相量測首次在巖石隧道相似模型試驗中圍巖變形量測與破裂帶識別的應用研究和部分成果。4.1試驗加載板及圖像模型加工試驗采用中國礦業(yè)大學的真三軸隧道平面模型試驗臺。模型為立式布置，可直接在臺架內(nèi)整體澆注和分層鋪設模型，通過3套互相獨立的液壓枕對模型進行六面加載，3個方向加載比例(本試驗為1∶1∶1)可任意調(diào)節(jié)，最大載荷為10MPa。但由于原有試驗系統(tǒng)相似模型六面全封閉，在試驗過程中，無法對隧道圍巖進行數(shù)字照相，因此，首先對原有試驗臺前面加載板進行改裝，重新加工制造一個開有窗口但尺寸和原件基本相同的加載板，窗口大小為400mm×400mm(見圖2)，如將頂部加載板去除，模型結(jié)構(gòu)俯視如圖3所示。在觀測窗口的有機玻璃板緊貼模型的一面4個角上分別描畫1個“十”字形標志作為坐標轉(zhuǎn)換的控制基準點，4點組成一個350mm×350mm的正方形。照相系統(tǒng)由有效像素為1280萬的佳能EOS5D單反數(shù)碼相機和2盞200W的普通白熾燈組成。相機鏡頭軸線正對隧道中心，與模型觀測面相距約1m，采用紅外遙控裝置進行照片拍攝。4.2模型建立與制作由于石蠟和砂的混合物具有良好的塑性，適合模擬隧道的壓力顯現(xiàn)與變形特征，可以作為模型相似材料。本試驗中，石蠟和砂的質(zhì)量配合比為100:6，相似材料主要力學指標——單軸抗壓強度σs、彈性模量E分別為1.3MPa,0.9GPa，黏聚力c、內(nèi)摩擦角?和泊松比μ分別為0.18MPa,27.1°和0.26，所對應的實際巖石力學指標分別為64.1MPa,44.4GPa,8.9MPa,27.4°和0.26。試驗模型所確定的相似常數(shù)包括：aL為幾何相似常數(shù)，根據(jù)模型試驗臺的幾何尺寸取aL=40；為簡化起見，取巖體的容重γp=2.5kN/m3，實測相似材料的容重為γm=1.60kN/m3，則比重相似比aγ=1.56，應力相似比aσ=aLaγ=62.5，時間相似比at=aL=6.3。模型制作時，先用電烘箱將砂子和石臘加熱至150℃左右，然后將兩者攪拌均勻后澆注到試驗臺架中，經(jīng)振動搗實后，選用厚度為2.0～3.0mm刀片按設計角度和密度插入模型后抽出，隨后將云母粉灌入刀片切縫中，形成寬1.0～1.5mm的窄縫，用來模擬斷續(xù)節(jié)理，隨后進行振實。模型的鋪裝連續(xù)進行，以防模型材料冷卻后兩層間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。4.3將礦巖環(huán)境分級加載(1)零圍壓下，直徑為10cm的圓形隧道人工開挖一次成型；(2)按圍壓增量為0.1MPa，對模型分級加載；然后靜置15min左右，以使圍巖應力分布均勻；(3)用相機采集一張照片，并記下試驗階段；(4)重復上述步驟(2)，(3)，直至隧道圍巖破壞，試驗結(jié)束。圖4為隧道模型在圍壓σ3=2.8MPa時的試驗照片。4.4長和寬和長度之和比根據(jù)由4個控制點組成的四邊形的兩對角線在模型空間和圖像空間的長度之和的比值得到試驗圖像比例約為0.12mm/pixel，圖像有效分析范圍長和寬分別設定為280.6,232.6mm，測點間距為25pixel，測點總數(shù)為6497個。4.4.1不同圍壓下圍巖位移分析限于篇幅，僅給出圍壓σ3=2.6MPa，即隧道圍巖發(fā)生破裂時的圍巖位移矢量、位移場和最大剪應變分布圖(見圖5～7)。圖5清楚地反映出圍巖位移方向和相對大小，結(jié)合圖6和7發(fā)現(xiàn)，含有節(jié)理的隧道右側(cè)圍巖位移要大于左側(cè)，并且隧道周邊及節(jié)理附近變形較大，說明節(jié)理存在對圍巖變形影響比較明顯。為對隧道圍巖在不同圍壓下的變形發(fā)展和演變過程進行定量分析，利用PostViewer的測點數(shù)據(jù)提取功能，分別在隧道周邊的頂、底板和兩幫選取4個點進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖8和9。圖8說明，隧道在低圍壓(σ3<1.4MPa)下，位移量很小，而在圍巖破裂帶產(chǎn)生前(σ3=2.4MPa)，位移就開始逐漸增大，當圍壓增大到2.4MPa左右，破裂帶發(fā)生，除底板外，圍巖位移急劇增加；圖9反映了圍巖破裂帶產(chǎn)生前、后隧道周邊最大剪應變的明顯差異，由此可知，破裂帶產(chǎn)生后，隧道若不加支護或支護失效，隧道圍巖則會因較大的剪應變而發(fā)生破壞。4.4.2破裂帶圖像相關分析在試驗圖像上，以隧道中心為圓心，沿隧道周邊按10°間隔徑向布置36個圖像“鉆孔”，見圖10，鉆孔長度為500pixel，相當于60mm，利用PhotoInfor分析后輸出每組圖像“鉆孔”在不同圍壓下的位移文本數(shù)據(jù)和素描圖。圖11是在試驗結(jié)束時PhotoInfor自動生成的隧道加載前、后的鉆孔素描圖。圖11表明，在圍巖破裂帶邊界處鉆孔有明顯彎折，由此能夠判定圍巖破裂帶的范圍；同時發(fā)現(xiàn)，破裂帶內(nèi)有兩類變形破壞現(xiàn)象：一類是破裂帶內(nèi)巖體位移成線性分布，如圖11中的鉆孔(1)–0°；一類是破裂帶巖體發(fā)生了再破碎現(xiàn)象，導致巖塊間發(fā)生較大的相對錯動、滑移或轉(zhuǎn)動，因此，圖像相關性較小，表現(xiàn)出破裂帶區(qū)域內(nèi)像素測點分布比較散亂，如圖11中的鉆孔(2)–90°。根據(jù)破裂帶內(nèi)外巖體位移差異，在鉆孔深度范圍內(nèi)測點位移曲線圖上可以確定破裂帶邊界。本文給出(1)–0°和(2)–90°兩個鉆孔的測點位移–鉆孔深度曲線圖(見圖12)。從圖中可以判定隧道右?guī)秃晚敯宓膰鷰r破裂帶范圍分別是33.2和12.0mm。其中，圖12(b)，(c)分別是在圍巖發(fā)生破裂之初與試驗結(jié)束時的曲線圖，由此，對照圖11破裂帶素描圖可以看出，圍巖破裂帶內(nèi)巖體在破裂帶剛剛發(fā)生時，其內(nèi)部位移表現(xiàn)出一定的線性分布特征，而在圍壓繼續(xù)增大時，巖體則發(fā)生了進一步的破碎，持續(xù)產(chǎn)生較大的位移和變形，這一發(fā)現(xiàn)有助于對巖體破壞后的力學行為進行更為深入的研究。照相量測中發(fā)現(xiàn)一個問題，即有機玻璃板在壓力較大時，可能會發(fā)生“鼓肚”現(xiàn)象，設置在玻璃板上的控制基準點就失去了固定不動的意義，此時，可再選擇加載框架上的幾個點作為基準點進行圖像分析，輕微“鼓肚”對觀測目標的變形模式和相對變形大小影響很小。要解決“鼓肚”問題，可在觀察窗表面增加