基于Vic-3D技術(shù)的煤巖單軸壓縮試驗研究

李高陽

摘要：使用Vic-3D應變測量系統(tǒng)為測量儀器，對煤巖試件單軸壓縮試驗進行全過程測量拍攝，測量過程中系統(tǒng)通過散斑的移動獲得試件正表面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程相對應，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可以較為直觀地再現(xiàn)煤巖的微觀力學特征，預示其最終破壞形態(tài)。

關(guān)鍵詞：煤巖;Vic-3D;位移;云圖

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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)，同時利用三角定位的方法將需要測量材料的表面進行坐標化處理，從而可以測量出被測材料任何位置的變形。

二、試驗步驟及試驗設(shè)備

1.本次試驗所使用的煤巖試件是取自陜西省咸陽市胡家河煤礦，參照國際標準對試件進行標準加工，將試件加工為高度100mm，直徑50mm的圓柱體。試驗加載系統(tǒng)選用DNS200型電子萬能試驗機，采用位移加載的方法進行控制，試驗過程中加載速率確定為0.3kN/s。

2.用白色和黑色噴漆對試件做噴漆處理，調(diào)整攝像機的鏡頭對焦煤巖試件使清晰度為最佳，利用相機拍攝三維校正板對影像進行校正處理，對試件進行加載的同時開始監(jiān)測獲取動態(tài)影響數(shù)據(jù)，并對煤巖試件產(chǎn)生變形全過程影像進行實時采集記錄。

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

三、單軸壓縮條件下煤巖試件在X方向與Y方向位移演化過程分析

1.X方向位移演化過程分析。選取對煤巖所加荷載為峰值荷載的25%、75%、95%狀態(tài)所對應的云圖進行分析，定義A=m/M，其中，m代表當前對試件施加的荷載，M代表峰值荷載，A代表當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程如圖1所示。

從圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)，當荷載加載到A=25%的階段時，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，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，當A=75%時，試件表面位移云圖的顏色變深表明位移值進一步增大，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。

當荷載增加到A=95%時，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，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方向位移演化過程。選取對煤巖所加荷載為峰值荷載的25%、75%、95%狀態(tài)所對應的云圖進行分析，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，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，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，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，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A=95%，裂縫已經(jīng)完全連接并且由上部穿透試件右部，此時，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

通過本文的試驗研究，我們可以發(fā)現(xiàn)：

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

2.通過定量對比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時間，試件在Y方向產(chǎn)生的位移遠遠大于在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：

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