节理岩石隧道围岩破裂带的数字照量测研究

节理岩石隧道围岩破裂带的数字照量测研究

1相似模型试验的量测方法本底定在相关研究中，数字相位检测技术也被称为数字离散检测或piv方法，其基本原则是相同的。这些算法是基于数字图像的变形计算的主要算法。近年来，随着数字相机的普及，数字照相量测技术得到迅速发展和广泛应用。目前，在岩土工程相关试验研究中，数字照相量测已被证明是一种先进的变形测试手段。其中，照相量测硬件系统主要由数字相机和照明设备组成，可通过市场直接选购，关键在于软件支持。笔者开发了一套集图像分析和结果后处理为一体的岩土工程数字照相量测软件系统PhotoInfor，以便该项技术的广泛应用和推广。众所周知，位移或变形是岩土工程围岩力学特性与所处应力环境相互作用的结果，是分析和评价岩土工程安全稳定性最常用的指标，同时，也是试验中最为重要的量测内容之一。迄今为止，国内外学者应用数字照相量测技术进行岩土力学或工程的试验研究，主要以砂土为多。因为砂土在外载作用下，变形相对平缓，更适合于基于微小变形连续计算和累加的数字照相量测方法，而对于以岩石为对象的相似模型试验，由于试验模型通常以河砂与石膏、石灰或者石蜡混合胶结而成，模型在外荷载作用下，相对于砂土等颗粒材料，在塑性变形或破裂区出现前，一般变形较小，而当岩体应力达到峰值时，变形破裂常常具有突发性，由于图像采集存储需要时间，在峰值附近，很难连续快速拍摄到多幅模型照片，图像相关性分析和变形量测效果可能不够理想。因此，一些研究人员在进行矿山采场岩层移动或巷道的破坏规律等相似模型试验时，都在模型上嵌入量测标点，国外则有学者利用不同直径的铝棒混合体和特殊的隧道结构建立试验模型，通过量测嵌入标点或铝棒端部的位移来观测围岩的变形，笔者将这些方法统称为“标点法”，它适应较大变形量测，但因测点数量有限，不能对岩体全域变形场进行精细测量。在岩石隧道相似模型试验中，直接利用岩体材料的自然纹理特征进行图像相关性分析和变形量测的应用研究未见有公开报道。针对节理岩石隧道相似模型试验，本文利用经过部分改装的真三轴试验台，在加载过程中，对模型隧道进行全程图像采集，定性和定量分析隧道围岩的位移场、变形场以及变形破裂演变过程，同时来进一步检验数字照相量测在岩石相似模拟试验中的应用效果，并试图发现存在哪些具体问题需要进一步改进。此外，在岩体隧道中，围岩破裂带(矿山巷道中又称围岩松动圈)的大小也是一个重要的研究问题，它是隧道所处应力环境和岩体强度综合作用的结果，破裂带内岩体碎胀变形被认为是围岩变形产生的主要原因，因此，破裂带大小是决定隧道维护难易程度的一个重要指标，它的准确测量对隧道支护设计和安全稳定性评价都具有重要意义。在相似模型试验研究中，通常用肉眼来观测围岩破裂范围，例如，试验结束时将试验模型封闭的加载板打开或将模型切开，然后进行人工素描和测量，这种方法虽然简单，但很难判断破裂带的准确边界，只能在试验结束时量测围岩破裂范围，无法了解其演变过程。为此，本文提出一种基于图像相关分析的简单实用且精度较高的隧道围岩破裂带识别新方法，可对破裂带的范围及其发展变化进行分析和研究。2数字图像测量方法的总结2.1亚像元精度分析数字照相量测的基本原理是利用图像相关分析，在满足图像相关性基本要求的试验照片序列中，首先在首张图像上设置量测像素点，然后在图像序列间进行像素测点的位置追踪，根据图像间对应测点坐标的变化进行微小位移计算和连续累加，并利用相关变形解释方法进行应变计算，最后进行结果后处理和进一步统计分析。利用插值方法，像素点位移可以达到亚像元精度。考虑到岩土材料局部化变形的广泛存在，图像相关性分析中，采用三步搜索法能够提高位移量测的精度。2.2图像刚体位移的测量坐标转换又称图像校准，是将图像上以像素为单位的坐标转换为以毫米或微米为单位的坐标表示，从图像空间到模型空间的转换通常以固定不动的控制网点来校准因各种原因产生的图像几何畸变和平移转动等刚体位移。坐标转换的方法多种多样，笔者采用的是四边形单元等参变换法。此法中，如何布置若干控制基准点和准确量测其真实坐标是关键。当控制点布置比较困难时，若相机镜头能够始终保持固定，观测目标不发生整体位移，且量测精度允许，可在模型表面立一把刻度尺，以获得图像的比例，即1pixel相当于多少毫米，用于图像分析中像素测点的坐标转换。图像比例直接决定着位移的量测精度，它与相机的分辨率和观测目标的范围直接相关。2.3边形网格划分图像分析前，首张图像上像素测点的指定类似有限元规则四边形网格划分，网格节点可看作是图像变形测点，因此，利用四边形等参单元的特点，已知4个节点位移，即可计算出单元中心的应变，从而实现对变形的解释。2.4拍摄时，机关主导地位不稳定，图像采集的质量与变形量测精度直接相关，因此，在图像采集中要特别注意以下几点：(1)光源选择和环境光线的变化是首要考虑因素，特别是历时较长的试验观测，力求光照在拍摄期间保持一致，并避免对观测目标光照的干扰；(2)拍摄过程中，相机应保持固定不动，以减少同一系列图像变形的差异；(3)图像应采用未经压缩的RAW或TIFF等格式，而不用JPG等损失大量图像细节的压缩格式；(4)确保控制基准点固定不动。此外，由于周围光线的变化或相机的轻微晃动，同一图像序列会出现亮度差异或部分图像上产生斑点，这些均会导致个别像素测点位移分析结果出现明显误差，属于正常现象，尤其是照片采集历时较长的试验图像，比如，连续24h，周围光线变化较大，此时可通过增大模型表面的光照强度来降低自然光的变化影响。2.5．量测与图形输出岩土工程数字照相量测软件系统包含图像分析程序PhotoInfor和后处理程序PostViewer。系统除了规则测点网的变形分析外，还可以对用户指定的离散测点进行分析，同时，利用笔者提出的剪切带识别法，可进行剪切带的量测与图形输出。在系统使用中，用户只需要手工准备一个简单的控制点数据文件和进行分析参数设置，其余图像分析可由系统自动完成，PostViewer程序可以进行变形场等值线、云图、变形网等图形绘制，指定测点在整个试验过程中的数据提取，等值线和云图等的JPG,BMP,WMF格式的图形批量自动输出等。针对图像识别过程中出现个别误差明显甚至错误的像素点，PhotoInfor程序提供了简便的修正方法。3破裂带范围的“图像钻孔”由于围岩破裂带内岩体位移通常较大，破裂带外位移较小，且围岩裂缝和破裂处位移由于发生时间极短，而图像采集的时间间隔很难保证足够小，因此位移曲线在该处通常会出现明显的弯折点。利用图像相关性分析，可以区别和判断破裂带的大小和范围。如在模型图像上划分常规测点网格，因测点间距较大(例如，本例图像分析中设置测点间隔为25pixel，相当于3mm)，不能准确识别破裂带边界，间隔太小，导致计算量过大。为此，本文提出一种“图像钻孔”方法，即沿圆形隧道周边按径向等角度布置几组“钻孔”，每组“钻孔”实际上由间距为1pixel的测点组成，然后，利用图像相关分析，计算出“钻孔”点在各个试验阶段的位移，便可准确判定围岩破裂带的范围。笔者在PhotoInfor系统中增加了这一新功能，实现了围岩破裂带的识别参数设置(见图1)、图像自动分析与矢量格式的破裂带识别素描图的输出等。4试验研究内容隧道工程的变形、失稳乃至破坏往往与其周围岩体内部节理和裂隙的分布、扩展、贯通密切相关。试验研究内容为含断续节理的隧道围岩的变形破坏规律及其在地应力作用下的破裂区产生、发展及演变特点。下文重点介绍数字照相量测首次在岩石隧道相似模型试验中围岩变形量测与破裂带识别的应用研究和部分成果。4.1试验加载板及图像模型加工试验采用中国矿业大学的真三轴隧道平面模型试验台。模型为立式布置，可直接在台架内整体浇注和分层铺设模型，通过3套互相独立的液压枕对模型进行六面加载，3个方向加载比例(本试验为1∶1∶1)可任意调节，最大载荷为10MPa。但由于原有试验系统相似模型六面全封闭，在试验过程中，无法对隧道围岩进行数字照相，因此，首先对原有试验台前面加载板进行改装，重新加工制造一个开有窗口但尺寸和原件基本相同的加载板，窗口大小为400mm×400mm(见图2)，如将顶部加载板去除，模型结构俯视如图3所示。在观测窗口的有机玻璃板紧贴模型的一面4个角上分别描画1个“十”字形标志作为坐标转换的控制基准点，4点组成一个350mm×350mm的正方形。照相系统由有效像素为1280万的佳能EOS5D单反数码相机和2盏200W的普通白炽灯组成。相机镜头轴线正对隧道中心，与模型观测面相距约1m，采用红外遥控装置进行照片拍摄。4.2模型建立与制作由于石蜡和砂的混合物具有良好的塑性，适合模拟隧道的压力显现与变形特征，可以作为模型相似材料。本试验中，石蜡和砂的质量配合比为100:6，相似材料主要力学指标——单轴抗压强度σs、弹性模量E分别为1.3MPa,0.9GPa，黏聚力c、内摩擦角ϕ和泊松比µ分别为0.18MPa,27.1°和0.26，所对应的实际岩石力学指标分别为64.1MPa,44.4GPa,8.9MPa,27.4°和0.26。试验模型所确定的相似常数包括：aL为几何相似常数，根据模型试验台的几何尺寸取aL=40；为简化起见，取岩体的容重γp=2.5kN/m3，实测相似材料的容重为γm=1.60kN/m3，则比重相似比aγ=1.56，应力相似比aσ=aLaγ=62.5，时间相似比at=aL=6.3。模型制作时，先用电烘箱将砂子和石腊加热至150℃左右，然后将两者搅拌均匀后浇注到试验台架中，经振动捣实后，选用厚度为2.0～3.0mm刀片按设计角度和密度插入模型后抽出，随后将云母粉灌入刀片切缝中，形成宽1.0～1.5mm的窄缝，用来模拟断续节理，随后进行振实。模型的铺装连续进行，以防模型材料冷却后两层间出现分层现象。4.3将矿岩环境分级加载(1)零围压下，直径为10cm的圆形隧道人工开挖一次成型；(2)按围压增量为0.1MPa，对模型分级加载；然后静置15min左右，以使围岩应力分布均匀；(3)用相机采集一张照片，并记下试验阶段；(4)重复上述步骤(2)，(3)，直至隧道围岩破坏，试验结束。图4为隧道模型在围压σ3=2.8MPa时的试验照片。4.4长和宽和长度之和比根据由4个控制点组成的四边形的两对角线在模型空间和图像空间的长度之和的比值得到试验图像比例约为0.12mm/pixel，图像有效分析范围长和宽分别设定为280.6,232.6mm，测点间距为25pixel，测点总数为6497个。4.4.1不同围压下围岩位移分析限于篇幅，仅给出围压σ3=2.6MPa，即隧道围岩发生破裂时的围岩位移矢量、位移场和最大剪应变分布图(见图5～7)。图5清楚地反映出围岩位移方向和相对大小，结合图6和7发现，含有节理的隧道右侧围岩位移要大于左侧，并且隧道周边及节理附近变形较大，说明节理存在对围岩变形影响比较明显。为对隧道围岩在不同围压下的变形发展和演变过程进行定量分析，利用PostViewer的测点数据提取功能，分别在隧道周边的顶、底板和两帮选取4个点进行统计分析，结果见图8和9。图8说明，隧道在低围压(σ3<1.4MPa)下，位移量很小，而在围岩破裂带产生前(σ3=2.4MPa)，位移就开始逐渐增大，当围压增大到2.4MPa左右，破裂带发生，除底板外，围岩位移急剧增加；图9反映了围岩破裂带产生前、后隧道周边最大剪应变的明显差异，由此可知，破裂带产生后，隧道若不加支护或支护失效，隧道围岩则会因较大的剪应变而发生破坏。4.4.2破裂带图像相关分析在试验图像上，以隧道中心为圆心，沿隧道周边按10°间隔径向布置36个图像“钻孔”，见图10，钻孔长度为500pixel，相当于60mm，利用PhotoInfor分析后输出每组图像“钻孔”在不同围压下的位移文本数据和素描图。图11是在试验结束时PhotoInfor自动生成的隧道加载前、后的钻孔素描图。图11表明，在围岩破裂带边界处钻孔有明显弯折，由此能够判定围岩破裂带的范围；同时发现，破裂带内有两类变形破坏现象：一类是破裂带内岩体位移成线性分布，如图11中的钻孔(1)–0°；一类是破裂带岩体发生了再破碎现象，导致岩块间发生较大的相对错动、滑移或转动，因此，图像相关性较小，表现出破裂带区域内像素测点分布比较散乱，如图11中的钻孔(2)–90°。根据破裂带内外岩体位移差异，在钻孔深度范围内测点位移曲线图上可以确定破裂带边界。本文给出(1)–0°和(2)–90°两个钻孔的测点位移–钻孔深度曲线图(见图12)。从图中可以判定隧道右帮和顶板的围岩破裂带范围分别是33.2和12.0mm。其中，图12(b)，(c)分别是在围岩发生破裂之初与试验结束时的曲线图，由此，对照图11破裂带素描图可以看出，围岩破裂带内岩体在破裂带刚刚发生时，其内部位移表现出一定的线性分布特征，而在围压继续增大时，岩体则发生了进一步的破碎，持续产生较大的位移和变形，这一发现有助于对岩体破坏后的力学行为进行更为深入的研究。照相量测中发现一个问题，即有机玻璃板在压力较大时，可能会发生“鼓肚”现象，设置在玻璃板上的控制基准点就失去了固定不动的意义，此时，可再选择加载框架上的几个点作为基准点进行图像分析，轻微“鼓肚”对观测目标的变形模式和相对变形大小影响很小。要解决“鼓肚”问题，可在观察窗表面增加