基于PIV技術的反傾層狀結構邊坡模型試驗研究

牛林峰,朱 瑞,王忠福,陳鈞龍

(1.華北水利水電大學河南省巖土力學與結構工程重點實驗室,河南鄭州450045；2.河南省水利勘測設計研究有限公司,河南鄭州450016)

基于PIV技術的反傾層狀結構邊坡模型試驗研究

牛林峰1,朱 瑞2,王忠福1,陳鈞龍1

(1.華北水利水電大學河南省巖土力學與結構工程重點實驗室,河南鄭州450045；2.河南省水利勘測設計研究有限公司,河南鄭州450016)

基于PIV技術,對頂部加載工況下的反傾層狀結構邊坡的變形破壞過程進行記錄監(jiān)測,研究反傾層狀結構邊坡的變形破壞機制。結果表明,頂部荷載較小時,邊坡模型變形較小,位移集中在模型上部和后緣,形成與巖層平行的應變集中帶；隨著荷載的加大,邊坡模型變形增大,上部位移方向反轉,出現橫向貫通的應變集中帶,并隨時間向下推移,最終位置固定,從坡腳處向上延伸,貫通整個邊坡模型,與水平成15°～17°的夾角；邊坡模型完全破壞時,形成自上而下的3條近于平行的破裂帶,最底部的最先形成,最頂部的最后形成,變形破壞程度自上而下依次增大。

PIV技術；反傾層狀邊坡；頂部加載；變形；破裂帶

0 引 言

反傾層狀結構邊坡的變形破壞問題廣泛存在于水利水電工程、道路交通工程、采礦工程等領域[1-2],已經成為工程建設中亟待解決的重要工程地質問題。對反傾層狀結構邊坡的研究始于20世紀60年代,研究方法可分為解析分析法、數值模擬法、物理模擬法。其中,物理模擬法可以有效解決解析分析法和數值模擬法難以解決的問題,能直接記錄和觀測反傾層狀邊坡的變形破壞過程。汪小剛等[3]結合龍灘水電站左岸邊坡實例,利用離心機試驗研究了反傾巖質邊坡的變形破壞；左保成等[4]通過室內物理力學試驗研究了反傾層狀邊坡破壞模式和影響因素；楊國香等[5]通過大型振動臺試驗探討了反傾層狀邊坡的動力響應特征和破壞模式。

隨著計算機技術的發(fā)展,高精度圖像處理技術在試驗中得到廣泛應用。粒子圖像測速(PIV)技術被廣泛應用于工程領域的試驗研究,其測量精度高、干擾小、穩(wěn)定性強、工作量小、自動化程度高,可完好地記錄了試驗過程,加深了對研究對象的變形破壞機制的研究。利用PIV技術,劉明亮等[6]研究了錨板抗拉破壞模式；姜彤等[7]對抗拔錨板的裙錨效應進行了研究；劉君等[8]將PIV技術應用于大型振動臺試驗中,并取得較好的效果；沈禮等[9]對構造物理模型試驗進行了監(jiān)測分析。

本文采用PIV技術,對頂部加載工況下的反傾層狀結構邊坡的變形破壞過程進行分析研究,通過對采集的灰度圖像的處理,再現了邊坡變形破壞過程的位移場變化,進一步揭示該類邊坡的變形破壞規(guī)律,為反傾層狀結構邊坡的治理提供參考。

1 PIV技術原理

PIV技術克服了傳統(tǒng)單點測量的限制,實現了動態(tài)瞬時全流場的實時測量,并且具有不干擾測量對象,測量精度高的優(yōu)點,基本原理見圖1。利用圖片采集設備采集t0時刻(變形前)和t1時刻(變形后)測量對象的圖片,將采集的t0、t1時刻的灰度圖像分割成若干均勻網格,利用交叉關聯函數對變形前(即t0時刻)圖像的某一網格在變形后(即t1時刻)圖像的指定范圍內進行全場匹配和相關運算。交叉關聯函數R(Δx,Δy)為[10]

圖1 PIV基本原理

(1)

式中,a、b為圖像塊的尺寸；Y為t0時刻圖像中圖像塊中心坐標在(m,n)處的灰度值分布函數；X為t1時刻圖像中圖像塊中心坐標在(m+Δx,n+Δy)處的灰度值分布函數；Δx、Δy分別為x、y方向的位移增量。

當關聯函數值達到峰值時,根據峰值相關系數確定該網格變形后的位置,進而得到該網格的像素位移,將像素位移按一定比例關系轉換可得到物理位移,對變形前后的所有網格進行類似運算就可以得到整個圖像的位移場。對得到的位移場進行計算[11-12],可得出其對應的應變場,據此可進一步分析研究對象的變形破壞機理。公式如下

(2)

(3)

(4)

式中,u為x方向的位移分量；v為y方向的位移分量；εx為沿x方向的正應變；εy為沿y方向的正應變；γxy為剪應變。

2 試驗模型及設備

2.1 試驗模型

反傾層狀結構邊坡模型由提前預制好的薄板堆砌而成,預制板長80 cm、寬15 cm、厚1.5 cm,由石膏和經過200目篩子篩選的黃土按石膏∶黃土∶水為1∶1∶2的比例配置而成。經室內試驗,其物理力學特性滿足試驗要求。由于預制板的厚度小,長寬比大,在脫模的過程要格外注意,脫模時間要適當延遲。堆砌邊坡模型的高70 cm、寬15 cm、底部長80 cm、坡頂長30 cm、坡腳距底部邊界15 cm、距模型前緣邊界18 cm、坡角60°、層面傾角75°,固定在提前定制好的模型框中,制作好的邊坡模型見圖2。

圖2 邊坡模型

2.2 試驗設備

將制作好的物理模型放置在加載裝置中,通過與加載裝置連接的壓力板對模型頂部加壓,使其變形破壞。同時,利用PIV系統(tǒng)的CCD相機獲取模型變形破壞過程的位移圖像。應用PIVview2C圖像處理軟件,分析邊坡模型破壞過程中的位移場和應變場。

加載裝置為CMT4000系列試驗機,可提供拉、壓向力,最大力30 kN,最大位移1 150 mm。通過PC機上安裝的SANS軟件,可方便控制加載力的速度和方向,并及時輸出試驗過程中力與位移的變化,力精度和位移精度分別為1/300 000 FS和0.03 μm,滿足試驗要求。CCD高速相機采用SONY科研級芯片,分辨率為2 489 pixel×2 091 pixel,曝光時間為100 μm×80 ms,采集速率可達200 fps,通過Camlink專用接口連接計算機,利用Davis8.0系列軟件儲存采集圖片。試驗設備組合系統(tǒng)見圖3。

圖3 試驗設備組合系統(tǒng)

3 試驗結果及分析

3.1 頂部加載力與時間的關系

圖4為整個試驗過程邊坡頂部受力與時間的關系。根據其變化特征可將試驗過程分為4個階段：0～1 000 s為第1階段；1 000～4 000 s為第2階段；4 000～5 000 s為第3階段； 5 000 s以后為第4階段。第1階段力與時間關系呈現較規(guī)則的線性關系,斜率為4.0,隨著時間的增大,模型頂部受力線性增大,最大為4 300 N；第2階段的受力在2 000～2 200 s有一次大的跌落,經過短暫停滯,迅速回升,回升后的受力特點與跌落前的受力特點基本保持不變,大致線性變化,斜率約為4/3,最大值接近峰值；第3階段受力與時間關系曲線大致為水平直線,保持在8 500 N左右；第4階段模型受力快速下降,模型完全破壞。

圖4 力與時間的關系

3.2 變形破壞各階段的位移場及應變場

第1階段邊坡模型變形較小,變形集中在模型中上部和后緣,位移自上而下呈層狀分布,逐漸減小。應變集中帶呈傾斜條帶狀分布在模型后緣,其傾向與巖層傾向一致。圖5為t=1 000 s時模型位移場、應變場分布及模型矢量。

第2階段邊坡模型變形增大,模型下部亦產生較大位移,以某一貫通圓弧界面為分界線,上下位移方向相反,并在圓弧面處產生拉張應變集中帶。圖6為t=2 000 s時模型位移場、應變場分布。隨著時間的增大,圓弧形界面不斷向下推移,并向兩端延伸,最終在t=3 400 s時界面位置固定不再下移,由圓弧形發(fā)展為直線形,從坡腳處向上延伸貫通模型,與水平成15°～17°的夾角,邊坡在該位置形成明顯的張裂帶。圖7為t=3 400 s時模型位移場、應變場分布。圖8為t=4 000 s時模型應變場以及該時刻模型圖像。

圖5 t=1 000 s時模型位移場、應變場分布及其矢量

圖6 t=2 000 s時模型位移場、應變場分布

圖7 t=3 400 s時模型位移場、應變場分布

第3、4階段邊坡模型變形加大,破壞程度加劇,出現新的應變集中帶,其變化規(guī)律與之前的應變集中帶相似,最終形成3條近于平行的應變集中帶,見圖9。邊坡模型在應變集中帶處產生不同程度的拉張斷裂。

圖8 t=4 000 s時模型應變場分布及模型圖像

圖9 t=5 800 s時模型應變場

4 結 語

運用PIV技術,記錄了反傾層狀邊坡模型在頂部加載工況下的變形破壞過程,通過后期對采集圖像的處理分析,研究邊坡模型的位移場和應變場的變化,得出以下幾點結論：

(1)頂部荷載較小時,邊坡模型變形較小,位移集中在模型中上部和后緣,沒有橫向貫通的應變集中帶,產生的應變集中帶呈傾斜條帶狀分布在邊坡后緣,其傾向與巖層傾向一致。

(2)隨著頂部荷載的加大,邊坡變形增大,在頂部位移方向反轉,出現橫向貫通拉張應變集中帶,并隨時間向下推移,最終位置固定,貫通模型從坡腳向上延伸,與水平成15°～17°的夾角,邊坡模型在該處出現明顯拉張破壞。

(3)邊坡模型完全破壞時,形成自上而下的3條近于平行的破裂帶,最底部的破裂帶最先形成,最頂部的最后形成,其變形破壞程度自上而下依次增大。

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[3]汪小剛, 張建紅, 趙毓芝, 等. 用離心模型研究巖石邊坡的傾倒破壞[J]. 巖土工程學報, 1996, 18(5)： 14- 21．

[4]左保成, 陳從新, 劉小巍, 等. 反傾巖質邊坡破壞機理物理模型研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(19)： 3505- 3511．

[5]楊國香, 葉林海, 伍法權, 等. 反傾層狀結構巖質邊坡動力響應特性及破壞機制振動臺模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(11)： 2214- 2221．

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[8]劉君, 劉福海, 孔憲京, 等. PIV技術在大型振動臺模型試驗中的應用[J]. 巖土工程學報, 2010, 32(3)： 368- 373．

[9]沈禮, 賈東, 尹宏偉, 等. 構造物理模擬和PIV有限應變分析對構造裂縫預測的啟示[J]. 高校地質學報, 2016, 22(1)： 171- 182．

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(責任編輯楊 健)

ExperimentalStudyofAnti-dipLayeredSlopeModelBasedonPIVTechnology

NIU Linfeng1, ZHU Rui2, WANG Zhongfu1, CHEN Junlong1
(1. Henan Key Laboratory of Geomechanics and Structural Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China; 2. Henan Water & Power Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450016, Henan, China)

The process of deformation and failure of anti-dip layered slope under pressure load at slop top are measured based on Particle Image Velocity (PIV) to analyze deformation and failure mechanism. The results show that, (a) when the pressure load is relatively small, there is little deformation, the displacements appear at the upper part and the back of model slope, and the strain concentration is formed in parallel with rock formation; (b) with the increasing of load, the deformation is also increasing, the displacement sense of upper part of slope becomes opposite, and a horizontal run-through strain concentration appears which gradually moves down until it runs through the slope from slope toe to slope back with a angle of 15-17 degree to horizontal line; and (c) when the slope is at complete failure stage, there are three parallel fracture zones in model slope, the one at the bottom of slope appears firstly and the one at the uppermost part of slope appears at the latest, and the failure degree gets increasing from top to bottom of slope．

PIV technology; anti-dip layered slope; tope pressure load; deformation; fracture zone

2017- 02- 21

華北水利水電大學研究生教育創(chuàng)新計劃(YK2016- 04)

牛林峰(1992—),男,河南南陽人,碩士研究生,主要從事邊坡穩(wěn)定性分析研究．

TU457

：A

：0559- 9342(2017)06- 0100- 05