T-CI 190-2023 岩体内应力波传播特性测试规程

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19.020学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载CCS

J

04 T/CI

190—2023岩体内应力波传播特性测试规程Technical

specification

testing

of

stress

wave

through

mass

发布

实施 发

布学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载 前言

.................................................................................

II1

...............................................................................

12 规范性引用文件

.....................................................................

13 术语和定义

.........................................................................

14 基本规定

...........................................................................

15 岩样采集与试件制备

.................................................................

16 设备与软件

.........................................................................

27 应力波测量

.........................................................................

38 应力波传播参数分析

.................................................................

49 报告编制

...........................................................................

5附录

A（规范性） 试验数据表...........................................................

6附录

B（资料性） 数字图像相关方法基本计算原理.........................................

7附录

C（资料性） 岩体内应力波传播试验案例.............................................

8学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载 本文件按照GB/T

—《标准化工作导则 第

1

部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由北京工业大学提出。本文件由中国国际科技促进会归口。研究所、石家庄铁道大学、中铁十六局集团有限公司、广西大学。

猛、张信贵。II学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载1 范围设备与软件、应力波测量、应力波传播参数分析和报告编制等要求。本文件适用于岩体内应力波传播特性（波速、幅值衰减率、频谱、衰减系数和波数）的测试。2 规范性引用文件文件。GB

50021

岩土工程勘察规范GB/T

50266

工程岩体试验方法标准The

ISRM

Suggested

for

Rock

Characterization,

Testing

and

2007-20143 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。数字图像相关方法

image

（DIC）一种通过对比试件变形前后的数字图像获取试件变形信息的方法。散斑

人工处理或天然形成的一系列随机分布在试件表面的斑点或纹理。关注区域

of

interest

（ROI）图像中需要进行位移和速度分析的区域。子集

关注区域中部分像素组成的集合。应力波

stress

wave外荷载引发的应力扰动在介质中的传播。4 基本规定测量前应编制试验方案，包括试件设计、冲击加载方式、数据采集方案和数据处理方法等内容。测量过程应做好原始数据记录，并符合附录

A

的规定。测量流程应包括岩样采集与试件制备、加载与非接触速度场测量、数据处理与分析。5 岩样采集与试件制备一般规定5.1.1 岩体内应力波传播测试时宜采用圆柱体试件。5.1.2 岩体内应力波传播测试的试件数量应根据实际测试目标确定，同组试件数量应不少于

3

个。学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载岩样采集5.2.1 采集流程应符合

GB

50021

和

GB/T

50266

的要求。5.2.2 同组岩样的采集地点、岩层、岩性应相同。5.2.3 采集后的岩样应完整且无明显裂纹,应符合

The

ISRM

Suggested

Methods

Characterization,

and

Monitoring:

2007-2014

的要求。5.2.4 采集后的岩样在运输、存储过程中应采取保护措施，避免受损。5.2.5 采集后填写岩样采集记录表，填写格式及内容按照表

A.1

执行。试件制备5.3.1

10

倍，试件长度应大于试件直径的

10

倍。5.3.2 沿试件的高度，直径的误差应小于±0.3mm。5.3.3 试件两端面不平行度误差应小于±0.05mm，试件端面应垂直于试件轴线，试件端面与试件轴线垂直，夹角误差应小于±0.25°。5.3.4 圆柱体试件的制备流程如下：a)

根据试件的直径选取对应大小的岩芯钻头，根据试件的长度选取对应长度的岩芯套管。使用选取的岩芯钻头与岩芯套管，从岩块中钻取岩芯；b)

对岩芯进行检查，岩芯表面应无明显裂纹；c)

对岩芯两端面进行精磨加工，端面平整度和与轴线垂直度应符合

5.3.3

要求。6 设备与软件一般规定学测量设备，软件应具有处理与分析数字图像的功能。动态加载设备动态加载设备应满足以下要求：a)

动态加载设备应配备冲击加载装置、动能吸收装置和试件支撑装置；b)

冲击加载装置应便于更换锤头形状、长度，应便于改变和测量锤头冲击速度。宜根据实际应用场景选择锤头形状、长度和冲击速度；c)

试件支撑装置应可以自由调整岩石试件的位置。非接触光学测量设备高速触发装置、图像采集与处理软件，具体应满足如下要求：a)

速摄像机拍摄帧率宜不小于

5帧/s；b)

宜支持灯光装置、触发装置等附件安装；c)

高速摄像机在进行数字图像采集过程中宜采用照明装置提高图像亮度，降低图像噪声水平；d)

高速摄像机的数据存储空间宜不小于

；e)

数据传输装置的传输效率宜不小于

1000Mbps；f)

高速触发装置应兼容应变片、激光测速仪等触发源；g)

图像采集与处理软件应具有调节相机分辨率、帧率、曝光时间的功能，实时显示与缩放图像的功能，存储与导出图像的功能。分析软件6.4.1 数字图像分析软件应满足下列要求：学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载a)

进行图像预处理；b)

选择计算区域；c)

设置计算参数及划分网格；d)

进行坐标系转换；e)

设定实际尺寸与像素的比例；f)

自动进行位移场和速度场计算，其计算基本原理见附录

B；g)

进行数据平滑、数据剔除和缺失数据插值；h)

将计算结果以图形、矢量场等形式进行可视化展示；i)

将计算区域内点、直线和面上数据进行显示、绘图和输出；j)

将计算结果的图像进行图片、视频格式输出。6.4.2 数字图像相关软件应具有导出多种数据格式的功能，以方便用户进行进一步处理与分析。7 应力波测量一般规定7.1.1

岩体内应力波传播测量应包括准备工作、冲击加载、光学测量、速度场计算等步骤。7.1.2

在试验开始前，应根据试验需求和目的制定冲击加载方案和光学测量方案。7.1.3

在试验过程中，应确保相机稳定、拍摄画面不受遮挡、光照均匀。7.1.4

试验结束后，应及时整理试验记录与试验数据。准备工作7.2.1 准备工作应包括试件散斑处理、试件安装、光学测量设备调节。7.2.2 试件散斑处理应满足以下要求：a)

试件表面应保持洁净，无明显尘土、油污或杂质等；b)

试件表面无自然散斑时，应在试件表面制作人工散斑；c)

试件表面生成的散斑尺寸应控制在

3

像素至

5

像素之间，散斑形状应为圆形，散斑密度应为50%±；d)

试件表面生成的散斑应随机分布，不同子区的散斑图案应具有唯一性；e)

试件表面生成的散斑应具有良好的附着性，散斑的运动和变形应与试件表面相同；f)

散斑制作完成后，宜对试件表面散斑开展质量评价。7.2.3 试件安装应包含以下内容：a)

将试件放置于加载台上，并在试件底部放置支撑装置；b)

调整支撑装置的摩擦系数，确保试件可以自由滑动；c)

调整支撑装置的位置，确保试件轴线水平，试件轴线与锤头轴线重合。7.2.4 光学测量设备调节应包含以下内容：a)

调节高速摄像机高度、角度与方位，确保相机中轴线与试件轴线垂直，相机拍摄区域水平线与试件轴线平行；b)

调节高速摄像机镜头焦距，使相机拍摄范围包含整个测量区域；c)

调节高速摄像机拍摄焦点，使试件表面散斑成像清晰；d)

调节光源强度、相机拍摄参数，确保拍摄范围内的散斑图案亮度适中且均匀。冲击加载7.3.1 根据试验目的选择合适的入射波波形、幅值和频率。7.3.2 同时启动动态加载设备和非接触光学测量设备，对试件进行冲击加载和数字图像采集。7.3.3 根据冲击加载方案确定高速摄像机拍摄帧率，应使用恒定帧率采集试件在冲击荷载作用下的变形图像，拍摄帧率宜大于入射波频率的

7.3.4 试验中应对齐锤头轴线与试件轴线，保证应力波传播方向与试件轴线一致。速度场确定学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载7.4.1 速度场的确定应包含以下内容：a)

选择试件静止时的参考图像和受冲击时的位移图像；b)

创建待计算的测量区域；c)

设置图像匹配的子集尺寸和计算步长；d)

设置种子点，种子点的选择应满足均匀分布的要求；e)

计算测量区域内的位移场；f)

设置相邻位移图像之间的时间间隔；g)

计算测量区域内的速度场。7.4.2 数字图像相关方法计算时涉及的主要参数为子集尺寸和计算步长，各参数建议如下：a)

用于图像匹配的子集应至少包含

3

个散斑，子集的尺寸宜为

×15

b)

计算步长应设置为子集尺寸的

至

1/2。8 应力波传播参数分析一般规定8.1.1 基于数字图像相关方法计算岩体内应力波传播参数，即波速、频谱、幅值衰减率、衰减系数和波数。8.1.2 波速、频谱、幅值衰减率、衰减系数和波数按所有试件测值的算术平均值确定，测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的

10%值的算术平均值为该组试件的最终结果。波速8.2.1 本文件基于岩体内速度脉冲计算岩体内应力波的波速。8.2.2 岩体内速度脉冲可以通过以下步骤确定：a)

选择岩体静止时刻的图像作为参考图像，选择冲击加载中不同时刻的图像作为变形图像；b)

选择试件的自由端部分为需要计算的测量区域；c)

采用数字图像相关方法计算测量区域内的位移场，并进一步得到测量区域内的速度场；d)

提取不同时刻下速度场中心的数据，得到冲击荷载作用下岩体内的速度脉冲。8.2.3 岩体内应力波的波速可通过速度脉冲传播时间和速度脉冲传播距离确定，其值按式(1)计算：𝐶

=

𝑙/(𝑡2

−𝑡1)(1)式中：C——岩体内应力波波速，单位为米每秒(m/s)；l——速度脉冲传播距离，单位为米；t1——第一速度脉冲到达自由端的时刻，单位为秒；t2——第二速度脉冲到达自由端的时刻，单位为秒。应力波频谱岩体内应力波的频谱可通过速度脉冲确定，可按式计算：𝑓(𝜔)

𝑓(𝜔)

=

∫−∞

𝑣(𝑡)𝑒−𝑖𝜔𝑡𝑑𝑡(2)

+∞ω——角频率，单位为秒的倒数(s

ω——角频率，单位为秒的倒数(s

)；𝑚𝑎𝑥|𝑣1(𝑡)|

(3)-1v(t)——速度脉冲，单位为米每秒(m/s)；i——虚数；t——时间，单位为秒(s)。应力波幅值衰减率岩体内应力波的幅值衰减率可通过速度脉冲的幅值确定，可按式计算：𝐴

=

𝑚𝑎𝑥|𝑣1(𝑡)|−𝑚𝑎𝑥|𝑣2(𝑡)|学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载𝛼

=

−𝑅𝑒[𝑙

𝑙𝑛(学兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载𝛼

=

−𝑅𝑒[𝑙

𝑙𝑛(𝐹|𝑣2(𝑡)|)](4)α——应力波衰减系数，单位为米的倒数(m

)；𝑘

=

−𝐼𝑚[𝑙

𝑙𝑛(𝐹|𝑣2(𝑡)|)](5)式中：A——应力波幅值衰减率；max|v1(t)|——第一速度脉冲幅值，单位为米每秒(m/s)；max|v2(t)|——第二速度脉冲幅值，单位为米每秒(m/s)。应力波衰减系数当采用岩体内速度脉冲计算应力波衰减系数时，可按式计算：1式中：-1Re——复数的实部；v1(t)——第一速度脉冲,单位为米每秒(m/s)；v2(t)——第二速度脉冲,单位为米每秒(m/s)；F——离散傅里叶变换。应力波波数当采用岩体内速度脉冲计算应力波波数时，可按式计算：1式中：k——应力波波数,单位为米的倒数(m-1)；Im——复数的虚部。9 报告编制

C，数据记录按照表

A.2

执行。岩体内应力波传播特性测试报告应包含但不限于下列内容：a)

岩石类型、仪器型号、测试时间、试验人员、计算人员、校核人员等基本试验信息；b)

试件编号、试件尺寸、速度脉冲幅值、速度脉冲频率、相机帧率、单像素尺寸、子集尺寸、计算步长等基本测试结果和计算参数；c)

波速、频谱、幅值衰减率、衰减系数和波数等计算结果。cmcmcm/sHz/scm/应力波传播参数．ｃ兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗｏｍ标兔学准下载T/CI

—2023．ｃ兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗｏｍ标兔学准下载

附 录 A（规范性）试验数据表岩样采集记录表见表A.1，岩体内应力波传播特性记录表见表。表A.1

岩样采集记录表

表A.2

岩体内应力波传播特性记录表．ｂｚｆｘｗ．ｃ学兔兔ｗｗｗｏｍ标准下载T/CI

—2023．ｂｚｆｘｗ．ｃ学兔兔ｗｗｗｏｍ标准下载

附 录 B（资料性）数字图像相关方法基本计算原理数字图像相关方法是一种非接触光学测量试验技术。该方法通过对比试件在变形前后的散斑图像，跟踪试件表面的散斑在变形前后的几何位置变化，实现对试件位移和变形的测量。在图面的散斑随机分布，QQQ点与变形子集Q变形时Q点产生的位移。变形前后散斑图像内任意选定的像素点均可进行相关匹配，从而获得这些像素点在变形时产生的位移，即获得散斑图像内的位移场分布，如图B.2所示。通过相关算法进而得到散斑图像内的速度场分布。(a) (b)𝑥0

𝑦0为参考子集中心O点位置；𝑥0′

𝑦0′为变形子集中心O点位置；u

v分别为参考子集中心O点位置在xyx

yPOxy图B.1

变形前后参考子集和变形子集示意图图B.2

图像内待计算点和待计算子集分布示意图兔兔ｗｗｗ．ｂ学ｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载T/CI

—2023兔兔ｗｗｗ．ｂ学ｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载

附 录 C（资料性）岩体内应力波传播试验案例C.1 试件描述本试验选用长度120.0cm4.50cm与试件轴线垂直。图C.1

花岗岩试件C.2 试验装置图C.2展示了试验所需的动态加载装置。在冲击加载装置中，摆锤锤头可自行设计更换。通过改变岗岩试件的位移。由于应力波在试件自由端发生反射，试件自由端应力和应变为0光装置用于补充照明，提高图像的清晰度。图C.2

动态加载装置C.3 试验过程C.3.1 选择拍摄区域。本试验将高速摄像机放置在花岗岩试件自由端，用于拍摄花岗岩试件自由端的速度。C.3.2 对花岗岩试件拍摄区域进行散斑处理。本试验采用喷涂法对拍摄区域处进行散斑处理。首先，24静置24小时自然干燥。在喷涂过程中，应尽可能减小喷涂厚度，确保散斑与花岗岩试件同步移动。ｗｗ．ｂ学兔兔ｗｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载拍摄帧率为10

帧/s，拍摄区域大小为5.16mmｗｗ．ｂ学兔兔ｗｚｆｘｗ．ｃｏｍ标准下载拍摄帧率为10

帧/s，拍摄区域大小为5.16mm×2.56mm，拍摄分辨率为0.02mm/像素。C.3.3 设置高速摄像机位置与参数。调