确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法及设备

1.本发明实施例涉及岩石断裂力学技术领域，尤其涉及一种确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法及设备。


背景技术：

2.岩石材料中广泛存在的天然微观裂纹具有不同的倾角、长度以及充填情况等。在外部压应变作用下，这些裂纹尖端附近将出现应变集中的应变场并导致应变诱导的裂纹产生。当岩石材料中的裂纹的起裂与扩展达到一定程度时，材料将会破坏与失效，对裂纹尖端的断裂过程进行研究将有利于实际工程中的设计与建设。目前，混合压剪裂纹产生的力学机理较为复杂，研究混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度是十分困难的，且目前并没有有效的方法可以达到上述研究目的。因此，开发一种确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法及设备，可以有效填补上述相关技术空白，就成为业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法及设备。
4.第一方面，本发明的实施例提供了一种确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，包括：获取试验级岩石试样的照片，对所述照片进行数字图像分析得到试验级岩石试样的全场位移与应变；获取所述全场位移的不连续区域分隔边界，在所述分隔边界中以混合压剪裂纹尖端为起点布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变；根据所述各点的最大主应变及各点与所述起点的距离绘制散点图，并对散点图进行拟合得到拟合曲线，连接所述拟合曲线的起点与终点得到参考直线；在竖直方向上将拟合曲线上的点与参考直线上的相应点做差，得到最大主应变差值集合，则所述最大主应变差值集合中的极大值对应的与所述起点的距离，为岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度。
5.在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述试验级岩石试样的全场位移，包括：
[0006][0007][0008]
其中，u
i,x
与u
i,y
分别为图片中第i点处沿x方向与y方向的位移；u0与v0分别为中心点处沿x方向与y方向的位移；(x0,y0)与(x
i
,y
i
)分别为中心点处坐标与第i点处坐标；u或v对坐标x或y的偏导数为位移沿x轴或y轴方向的变化梯度。
[0009]
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述试验级岩石试样的应变，包括：
[0010][0011][0012]
其中，ε
xx
与ε
yy
分别为照片中任意一点沿x方向与y方向的应变。
[0013]
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述散点图中各点最大主应变的数值随各点与所述起点距离的增加而逐渐递减。
[0014]
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述最大主应变差值集合中的全部最大主应变差值随各点与所述起点距离的增加，呈现先增大后减小的趋势。
[0015]
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，在所述获取试验级岩石试样的照片之前，还包括：将岩石材料切割成立方体，在所述立方体的中心位置切割出预制裂纹，在包含预制裂纹的立方体上喷涂白色哑光漆与黑色哑光漆，形成黑白相间的散斑，得到试验级岩石试样。
[0016]
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述预制裂纹与竖直方向形成夹角，在所述预制裂纹尖端加载压缩应变与剪切应变后，形成混合压剪裂纹尖端。
[0017]
第二方面，本发明的实施例提供了一种确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，包括：
[0018]
位移与应变模块，用于获取试验级岩石试样的照片，对所述照片进行数字图像分析得到试验级岩石试样的全场位移与应变；最大主应变模块，用于获取所述全场位移的不连续区域分隔边界，在所述分隔边界中以混合压剪裂纹尖端为起点布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变；曲线与直线模块，用于根据所述各点的最大主应变及各点与所述起点的距离绘制散点图，并对散点图进行拟合得到拟合曲线，连接所述拟合曲线的起点与终点得到参考直线；长度模块，用于在竖直方向上将拟合曲线上的点与参考直线上的相应点做差，得到最大主应变差值集合，则所述最大主应变差值集合中的极大值对应的与所述起点的距离，为岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度。
[0019]
第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：
[0020]
至少一个处理器；以及
[0021]
与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
[0022]
存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法。
[0023]
第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法。
[0024]
本发明实施例提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法及设备，
通过对全场位移的不连续区域分隔边界上布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变，根据所述各点的最大主应变得到散点图并进行曲线拟合，在拟合曲线的基础上得到参考直线，根据拟合曲线和参考直线得到最大主应变差值集合中的极大值，得到岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度，可以对岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区进行定量分析。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明实施例提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法流程图；
[0027]
图2为本发明实施例提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置结构示意图；
[0028]
图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；
[0029]
图4为本发明实施例提供的预制裂纹与线性剖面效果示意图；
[0030]
图5为本发明实施例提供的最大主应变差值极大值效果示意图；
[0031]
图6为本发明实施例提供的岩石试样切割立方体效果示意图；
[0032]
图7为本发明实施例提供的试验级岩石试样效果示意图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0034]
本发明实施例提供了一种确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，参见图1，该方法包括：获取试验级岩石试样的照片，对所述照片进行数字图像分析得到试验级岩石试样的全场位移与应变；获取所述全场位移的不连续区域分隔边界，在所述分隔边界中以混合压剪裂纹尖端为起点布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变；根据所述各点的最大主应变及各点与所述起点的距离绘制散点图，并对散点图进行拟合得到拟合曲线，连接所述拟合曲线的起点与终点得到参考直线；在竖直方向上将拟合曲线上的点与参考直线上的相应点做差，得到最大主应变差值集合，则所述最大主应变差值集合中的极大值对应的与所述起点的距离，为岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度。
[0035]
需要说明的是，裂纹尖端的断裂过程存在从弹性变形阶段到非弹性变形阶段的过程，且非弹性变形阶段又称为断裂过程区。岩石材料破坏所产生的裂纹按照断裂力学理论可分为i型裂纹、ii型裂纹与iii型裂纹三大基本裂纹模式。前两种裂纹模式为平面内产生的裂纹模式，i型裂纹也称为拉伸型裂纹，ii型裂纹也称为剪切型裂纹，iii型裂纹则为空间内产生的裂纹，也称为撕扯型裂纹。混合i/ii型裂纹是压应变与剪切应变混合作用所导致的，故从预制裂纹尖端产生的混合i/ii型裂纹与预制裂纹具有一定的夹角，且该夹角的大小并没有统一的数值或规律性的变化规律。
[0036]
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述试验级岩石试样的全场位移，包括：
[0037][0038]
其中，u
i,x
与u
i,y
分别为图片中第i点处沿x方向与y方向的位移；u0与v0分别为中心点处沿x方向与y方向的位移；(x0,y0)与(x
i
,y
i
)分别为中心点处坐标与第i点处坐标；u或v对坐标x或y的偏导数为位移沿x轴或y轴方向的变化梯度。
[0039]
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述试验级岩石试样的应变，包括：
[0040][0041]
其中，ε
xx
与ε
yy
分别为照片中任意一点沿x方向与y方向的应变。
[0042]
具体地，将拍摄得到的试验级岩石试样的照片进行数字图像相关分析，即可得到试验过程中任意时刻试验级岩石试样表面的全场位移与应变的分布情况，计算全场位移如(1)式所示，计算应变如(2)式所示。
[0043]
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述散点图中各点最大主应变的数值随各点与所述起点距离的增加而逐渐递减。
[0044]
具体地，在外力作用下混合压剪裂纹尖端附近的全场位移存在不连续区域。不连续位移的分隔界限即为混合压剪裂纹(在另一实施例中，可以为i型裂纹与ii型裂纹的混合压剪裂纹)尖端断裂过程区可能分布的位置。根据不连续位移的分隔界限，在其附近以混合压剪裂纹尖端处为起点布置线性剖面。由于混合压剪裂纹(在另一实施例中，可以为i型裂纹与ii型裂纹的混合压剪裂纹)尖端附近起裂裂纹与预制裂纹存在一定的夹角，故以采用数字图像相关方法计算得到的最大主应变为分析对象。如图4所示，预制裂纹尖端的最大主应变沿线性剖面远离裂纹尖端的方向呈逐渐减小的变化趋势，计算线性剖面上各点的最大主应变数值则可为判断混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度提供依据。
[0045]
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确
定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述最大主应变差值集合中的全部最大主应变差值随各点与所述起点距离的增加，呈现先增大后减小的趋势。
[0046]
具体地，将各点最大主应变与线性剖面上各点与混合压剪裂纹尖端的距离以散点的形式绘制在图中，并采用指数衰减公式对散点数据进行非线性拟合。由图5可知，线性剖面上各点的最大主应变(如图5中圆圈所示)数值均匀分布在由指数衰减公式拟合后的拟合曲线503附近。随线性剖面各点与混合压剪裂纹尖端距离的增加，最大主应变呈逐渐递减的变化趋势。连接拟合曲线的起点与终点设置一条参考直线501，并计算拟合曲线503上各点与参考直线501上各点垂直方向的差值，以得到最大主应变的差值。参见图5，最大主应变差值随线性剖面各点与混合压剪裂纹尖端距离的增加呈现先增加后减小的变化趋势，故取最大主应变差值的极大值502所对应的距离则为混合压剪断裂过程区的长度。
[0047]
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，在所述获取试验级岩石试样的照片之前，还包括：将岩石材料切割成立方体，在所述立方体的中心位置切割出预制裂纹，在包含预制裂纹的立方体上喷涂白色哑光漆与黑色哑光漆，形成黑白相间的散斑，得到试验级岩石试样。
[0048]
具体可以参见图6，将岩石材料切割成宽度为50mm、高度为100mm与厚度为20mm的立方体试样，采用水刀切割或线切割的方式在立方体试样中心位置切割长度为15mm、宽度为1mm的预制裂纹，预制裂纹与水平方向夹角为30度(则易知与竖直方向夹角为60度)。试样的表面通过白色哑光漆与黑色哑光漆的处理，可形成黑白色相间的散斑，得到试验级岩石试样如图7所示。
[0049]
基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，所述预制裂纹与竖直方向形成夹角，在所述预制裂纹尖端加载压缩应变与剪切应变后，形成混合压剪裂纹尖端。
[0050]
具体地，将制作好的试验级岩石试样放置在岩石力学测试系统mts815.04设备上进行加载试验。由于试验级岩石试样的预制裂纹倾角(预制裂纹与水平方向夹角)与轴向加载y方向具有一定的夹角，故外部施加的加载应变将在预制裂纹尖端形成压缩应变与剪切应变共同作用的效果，进而导致混合压剪裂纹(在另一实施例中，可以为i型裂纹与ii型裂纹的混合压剪裂纹)周边的断裂过程区在预制裂纹尖端萌生并发展。为记录试验级岩石试样破坏的全过程，采用超高速相机对试验进行全程记录，以便为后续数字图像相关分析提供照片。
[0051]
本发明实施例提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法，通过对全场位移的不连续区域分隔边界上布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变，根据所述各点的最大主应变得到散点图并进行曲线拟合，在拟合曲线的基础上得到参考直线，根据拟合曲线和参考直线得到最大主应变差值集合中的极大值，得到岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度，可以对岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区进行定量分析。
[0052]
本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种确定岩石混
合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，该装置用于执行上述方法实施例中的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的方法。参见图2，该装置包括：
[0053]
位移与应变模块，用于获取试验级岩石试样的照片，对所述照片进行数字图像分析得到试验级岩石试样的全场位移与应变；最大主应变模块，用于获取所述全场位移的不连续区域分隔边界，在所述分隔边界中以混合压剪裂纹尖端为起点布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变；曲线与直线模块，用于根据所述各点的最大主应变及各点与所述起点的距离绘制散点图，并对散点图进行拟合得到拟合曲线，连接所述拟合曲线的起点与终点得到参考直线；长度模块，用于在竖直方向上将拟合曲线上的点与参考直线上的相应点做差，得到最大主应变差值集合，则所述最大主应变差值集合中的极大值对应的与所述起点的距离，为岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度。
[0054]
本发明实施例提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，采用图2中的各种模块，通过对全场位移的不连续区域分隔边界上布置线性剖面，计算并得到所述线性剖面上各点的最大主应变，根据所述各点的最大主应变得到散点图并进行曲线拟合，在拟合曲线的基础上得到参考直线，根据拟合曲线和参考直线得到最大主应变差值集合中的极大值，得到岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区的长度，可以对岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区进行定量分析。
[0055]
需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：
[0056]
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，还包括：第二模块，用于实现所述试验级岩石试样的全场位移，包括：
[0057][0058][0059]
其中，u
i,x
与u
i,y
分别为图片中第i点处沿x方向与y方向的位移；u0与v0分别为中心点处沿x方向与y方向的位移；(x0,y0)与(x
i
,y
i
)分别为中心点处坐标与第i点处坐标；u或v对坐标x或y的偏导数为位移沿x轴或y轴方向的变化梯度。
[0060]
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，还包括：第三模块，用于实现所述试验级岩石试样的应变，包括：
[0061]
[0062][0063]
其中，ε
xx
与ε
yy
分别为照片中任意一点沿x方向与y方向的应变。
[0064]
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，还包括：第四模块，用于实现所述散点图中各点最大主应变的数值随各点与所述起点距离的增加而逐渐递减。
[0065]
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，还包括：第五模块，用于实现所述最大主应变差值集合中的全部最大主应变差值随各点与所述起点距离的增加，呈现先增大后减小的趋势。
[0066]
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，还包括：第六模块，用于实现在所述获取试验级岩石试样的照片之前，还包括：将岩石材料切割成立方体，在所述立方体的中心位置切割出预制裂纹，在包含预制裂纹的立方体上喷涂白色哑光漆与黑色哑光漆，形成黑白相间的散斑，得到试验级岩石试样。
[0067]
基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的确定岩石混合压剪裂纹尖端断裂过程区长度的装置，还包括：第七模块，用于实现所述预制裂纹与竖直方向形成夹角，在所述预制裂纹尖端加载压缩应变与剪切应变后，形成混合压剪裂纹尖端。
[0068]
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)301、通信接口(communications interface)304、至少一个存储器(memory)302和通信总线303，其中，至少一个处理器301，通信接口304，至少一个存储器302通过通信总线303完成相互间的通信。至少一个处理器301可以调用至少一个存储器302中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。
[0069]
此外，上述的至少一个存储器302中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0070]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0071]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0072]
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0073]
在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括
……
"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0074]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。