CN114858551B - 一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法，包括：软硬相间透明层状试样的制备：采用不同种类的树脂材料分层浇筑得到软硬相间透明层状试样，相邻两层软硬相间透明层状试样之间喷涂有散斑点；位移场监测分析：采用DIC监测设备对软硬相间透明层状试样开展试验分析软硬相间透明层状试样的分层界面处的变形场。本发明通过浇筑环氧树脂、聚氨酯材料得到软硬相间的透明层状试样以模拟需要测试的层状试样，将散斑监测点设置在试样内部分层界面处，利用DIC监测设备进行应变场监测分析，实现了对层状试样分层界面处的位移场和应变场的监测，并可进一步分析得到试样软硬相间分层界面处的应力和变形特征。

Description

一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法
技术领域
本发明涉及应变测量技术领域，尤其涉及一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法。
背景技术
深部储层岩体大多呈层状结构，物理力学行为表现出横观各向异性。研究层状岩体在受力过程中的变形特征及层面对破裂机制的影响，对深部工程的安全具有重大意义。然而，由于层状结构的复杂性，且其往往隐藏于试样内部，不易从表面直接观察到，导致宏观破裂形态与微观结构之间的内在联系仍不清晰。此外，天然岩体由硬度大、强度高的基质形成支撑，裂隙、裂缝、孔隙、割理、层理等构成软弱结构面，整体呈现软硬相间的层状结构。软硬分层界面处的力学行为及整个岩体宏观变形破裂特征，也一直备受研究者的关注。
现阶段广泛使用的数字图像相关技术(Digital Image correlation，简称DIC)，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的全场应变测量。但该技术借助于待观测样品表面喷涂的散斑监测点的移动，获得样品表面的位移场和应变场。且一旦在实验过程中，样品表面出现掉片儿、剥落或者弹射情况时，该区域的散斑监测点脱落，将无法继续获取该区域的监测数据。
发明内容
针对上述技术存在的全场应变测量分析法无法测试层状试样分层界面处的变形场的技术问题，本发明提出了一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法。
本发明提出了一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法，包括：
软硬相间透明层状试样的制备：采用不同种类的树脂材料分层浇筑得到所述软硬相间透明层状试样，相邻两层所述软硬相间透明层状试样之间喷涂有散斑点，多层所述散斑点的空间位置不重叠，所述软硬相间透明层状试样一端底部具有白色涂层；
位移场监测分析：采用DIC监测设备对所述软硬相间透明层状试样开展试验分析所述软硬相间透明层状试样的分层界面处的变形场，提取所述散斑点的位移点时，对多层所述软硬相间透明层状试样进行折射效应的叠加分析以获取精确的变形量。
在一些实施例中，所述软硬相间透明层状试样包括硬质结构层和软弱结构层。
在一些实施例中，所述树脂材料由一定比例的树脂胶和固化剂混合得到。
在一些实施例中，根据所要模拟的试样的不同结构层的硬度和脆性分别选择所述树脂胶的种类以及所述树脂胶与所述固化剂的比例。
在一些实施例中，所述软硬相间透明层状试样的制备包括以下步骤：
(1)根据所述树脂胶的密度、所述固化剂的密度、所述树脂胶与所述固化剂的比例以及浇筑层的体积计算得到所述树脂胶和所述固化剂的质量，将称量得到的所述树脂胶和所述固化剂混合均匀得到所述树脂材料，静置备用；
(2)将所述硬质结构层对应的所述树脂材料倒入模具中，静置固化，完成所述硬质结构层的浇筑；
(3)固化完成后，在所述硬质结构层表面喷涂散斑点，静置使所述散斑点干燥；
(4)将所述软弱结构层对应的所述树脂材料倒入模具中，静置固化，完成所述软弱结构层的浇筑；
(5)固化完成后，在所述软弱结构层表面喷涂散斑点，静置使所述散斑点干燥；
(6)重复步骤(1)-(5)完成多层浇筑，且最后一层浇筑完成后不喷涂散斑点使得所述散斑点均位于所述软硬相间透明层状试样的分层界面处；
(7)脱模后将所述软硬相间透明层状试样的一端底面喷涂为白色。
在一些实施例中，所述模具为顶部开口的圆柱状结构，所述圆柱状结构的直径为D，高度为D/2。
优选地，圆柱状结构的模具的高度为直径的一半，其中，圆柱状结构的直径D不作具体限定，根据实际需求设定D值，优选地，D为50-100mm。模具可以为圆柱状结构，但不限于该结构。
在一些实施例中，所述硬质结构层和所述软弱结构层对应的所述树脂胶分别为环氧树脂和聚氨酯，所述环氧树脂与所述固化剂的质量比例为(3-5):1，所述聚氨酯与所述固化剂的质量比例为(2-4):1。
在一些实施例中，所述树脂胶和所述固化剂混合均匀后静置3-5min后备用。
在一些实施例中，将所述树脂材料倒入模具中后静置初始固化时间为8-12h。
在一些实施例中，所述散斑点的静置干燥时间为0.5-1h。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明的可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法通过浇筑环氧树脂、聚氨酯材料得到软硬相间的透明层状试样以模拟需要测试的层状试样，将散斑监测点设置在试样内部分层界面处，利用DIC监测设备进行应变场监测分析，实现了对层状试样分层界面处的位移场和应变场的监测，并可进一步分析得到试样软硬相间分层界面处的应力和变形特征。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为实施例1浇筑的软硬相间透明层状试样的结构示意图；
图2为实施例2浇筑的软硬相间透明层状试样的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法。
以模拟层状岩石材料为例，树脂胶为环氧树脂和聚氨酯，根据接近类岩石材料强度及脆性材料应力-应变曲线变化规律的最优配比，以及软弱结构面的强度特征，选定环氧树脂胶与固化剂的质量比例为4：1，聚氨酯胶与固化剂的质量比例为3：1，分别混合均匀、浇筑、固结、再浇筑，以形成软硬相间的透明层状试样。其中，质量比例为4：1的环氧树脂胶与固化剂用以浇筑硬质结构层，质量比例为3：1的聚氨酯胶与固化剂用以浇筑软弱结构层。浇筑模具选择直径为50mm、高度为25mm顶部开口的圆柱状结构。可以理解的是，模具为中空结构，模具内部的洁净度以及底部的平整度满足试验需求。
实施例1：
如图1所示，浇筑含两层硬质结构层，一层软弱结构层的软硬相间透明层状试样。
浇筑含一层软弱结构层、两层硬质结构层的软硬相间透明层状试样，即共浇筑三层。其中，第一浇筑层的厚度为h1，第二层浇筑的厚度为h2，第三层浇筑的厚度为h3。根据所选浇筑模具的直径和高度，硬质结构层的密度，软弱结构层的密度计算此时所需的环氧树脂、聚氨酯胶与固化剂的质量如下：
25＝h1+h2+h3，h1＞h2，h3＞h2；
Figure BDA0003621972910000031
Figure BDA0003621972910000041
其中，h1为第一浇筑层的厚度，单位为mm；h2为第二浇筑层的厚度，单位为mm；h3为第三浇筑层的厚度，单位为mm；ρa为环氧树脂与固化剂混合液的密度，单位为g/mm3；ρb为聚氨酯与固化剂混合液的密度，单位为g/mm3；ρ1为环氧树脂的密度，单位为g/mm3；ρ2为聚氨酯胶的密度，单位为g/mm3；ρ3为固化剂的密度，单位为g/mm3；M1为环氧树脂的质量，单位为g；M2为聚氨酯的质量，单位为g。
拟浇筑第一层试样的体积：
Figure BDA0003621972910000042
拟浇筑第二层试样的体积：
Figure BDA0003621972910000043
拟浇筑第三层试样的体积：
Figure BDA0003621972910000044
其中，V11为拟浇筑第一层试样的体积，单位为mm3；V22为拟浇筑第二层试样的体积，单位为mm3；V33为拟浇筑第三层试样的体积，单位为mm3；D为模具的直径，单位为mm。
因此，可以计算浇筑每一层所需要的混合液的质量，如下：
拟浇筑第一层试样的质量：
M11＝ρaV11；
拟浇筑第一层试样的质量：
M22＝ρbV22；
拟浇筑第一层试样的质量：
M33＝ρaV33；
其中，M11为浇筑第一层所需要的混合液的质量，单位为g；M22为浇筑第二层所需要的混合液的质量，单位为g；M33为浇筑第三层所需要的混合液的质量，单位为g。
该软硬相间透明层状试样的制备过程具体为：
S1.量取浇筑第一层试验样品所需环氧树脂的质量m1和固化剂的质量m1/4，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置4min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S2.选取质量M11的混合后的环氧树脂和固化剂倒入模具中，初始静置固化12h，可以理解的是，考虑到过程损耗，环氧树脂的质量m1和固化剂的质量m1/4之和大于M11；
S3.固化完成后，在第一浇筑层表面喷涂第一层散斑点，静置1h使得第一层散斑点干燥；
S4.量取浇筑第二层试样所需聚氨酯的质量m2和固化剂的质量m2/3，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置3min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S5.选取质量M22的混合后的聚氨酯和固化剂倒入模具中，初始静置固化12h，可以理解的是，考虑到过程损耗，聚氨酯的质量m2和固化剂的质量m2/4之和大于M22；
S6.固化完成后，在第二浇筑层表面喷涂第二层散斑点，静置1h使得第二层散斑点干燥，第二层散斑点在空间位置上与第一层散斑点不重叠，两层散斑点所在的表面区域加起来覆盖整个透明试样表面，优选地，每层散斑点喷涂1/2表面区域；
S7.量取浇筑第三层试验样品所需环氧树脂的质量m1和固化剂的质量m1/4，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置4min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S8.选取质量M33的混合后的环氧树脂和固化剂倒入模具中，初始静置固化12h，可以理解的是，考虑到过程损耗，环氧树脂的质量m3和固化剂的质量m3/4之和大于M33；
S9.脱模得到内部具有一层软弱结构层，两层硬质结构层，且在两个软硬分层界面处喷有散斑监测点的软硬相间透明层状试样，在试样的一端底部喷涂白色油漆，待油漆干燥后，放置1h后，即可开展后续试验。考虑到浇筑的试样为透明的，进行DIC监测时不易区分，在试样的一端底部喷涂白色油漆，增强对比度，以实现更好的监测效果。优选地，散斑点为黑色。
实施例2：
浇筑含两层软弱结构层、三层硬质结构层的软硬相间透明层状试样，即共浇筑五层，如图2所示。其中，五层浇筑层的厚度分别为ha、hb、hc、hd、he，其中，ha、hc、he均大于hb，ha、hc、he均大于hd，对应浇筑的每一层所需混合液质量分别为Ma、Mb、Mc、Md、Me。确定浇筑每一层所需混合液质量的计算方式跟实施例1中的一样。确定完后，按照如下步骤完成:
S1.量取浇筑第一层试验样品所需环氧树脂的质量ma和固化剂的质量ma/4，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置4min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S2.选取质量Ma的混合后的环氧树脂和固化剂倒入模具中，初始静置固化10h，可以理解的是，考虑到过程损耗，环氧树脂的质量ma和固化剂的质量ma/4之和大于Ma；
S3.固化完成后，在第一浇筑层表面喷涂第一层散斑点，静置0.5h使得第一层散斑点干燥；
S4.量取浇筑第二层试样所需聚氨酯的质量mb和固化剂的质量mb/3，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置3min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S5.选取质量Mb的混合后的聚氨酯和固化剂倒入模具中，初始静置固化10h，可以理解的是，考虑到过程损耗，聚氨酯的质量mb和固化剂的质量mb/4之和大于Mb；
S6.固化完成后，在第二浇筑层表面喷涂第二层散斑点，静置0.5h使得第二层散斑点干燥，第二层散斑点与第一层散斑点在空间位置上不重叠；
S7.量取浇筑第三层试验样品所需环氧树脂的质量mc和固化剂的质量mc/4，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置4min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S8.选取质量Mc的混合后的环氧树脂和固化剂倒入模具中，初始静置固化10h，可以理解的是，考虑到过程损耗，环氧树脂的质量mc和固化剂的质量mc/4之和大于Mc；
S9.固化完成后，在第三浇筑层表面喷涂第三层散斑点，静置1h使得第三层散斑点干燥，第三层散斑点与第一层散斑点、第二层散斑点在空间位置上均不重叠；
S10.量取浇筑第四层试验样品所需聚氨酯的质量md和固化剂的质量md/4，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置4min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S11.选取质量Md的混合后的聚氨酯和固化剂倒入模具中，初始静置固化10h，可以理解的是，考虑到过程损耗，聚氨酯的质量md和固化剂的质量md/4之和大于Md；
S12.固化完成后，在第四浇筑层表面喷涂第四层散斑点，静置1h使得第四层散斑点干燥，第四层散斑点与第一层散斑点、第二层散斑点、第三层散斑点在空间位置上均不重叠，四层散斑点所在的表面区域加起来覆盖整个透明试样表面，优选地，每层散斑点喷涂1/4表面区域；
S13.量取浇筑第五层试验样品所需环氧树脂的质量me和固化剂的质量me/4，将两者沿着一个方向搅拌混合均匀后，静置4min后备用，使得因搅拌产生的气泡排出；
S14.选取质量Me的混合后的环氧树脂和固化剂倒入模具中，初始静置固化10h，可以理解的是，考虑到过程损耗，环氧树脂的质量me和固化剂的质量me/4之和大于Me；
S15.脱模得到内部具有两层软弱结构层，三层硬质结构层，且在四个软硬分层界面处喷有散斑监测点的软硬相间透明层状试样，在试样的一端底部喷涂白色油漆，待油漆干燥后，放置1h后，即可开展后续试验。
实施例1和实施例2在确定浇筑层所需混合液的量时，采用的是质量量取的方式，该方式准确度高，且对模具的透明度没有要求。
在其他实施例中，对浇筑层的厚度要求精确度不高时，可以采用高度透明的浇筑模具，在浇筑开始前，确定好浇筑软硬层面的总数及每一层浇筑的厚度，然后在浇筑模具上标注出不同厚度对应的刻度线，将不同浇筑层所需要的混合液混合均匀后，倒入模具中对应的刻度线，静置固化即可完成浇筑。该浇筑方式操作简单，适用于浇筑层厚度大、精确度要求不高的浇筑过程。
可以理解的是，本发明对制备软硬相间透明层状试样时浇筑的层数和散斑点的位置不作具体限定，根据实际情况确定浇筑的层数以及散斑点的位置。
浇筑完成后，所有样品呈透明状且具有不同软硬层面的层状结构，且试样内部分层界面处均含有喷涂的散斑监测点。将试验样品放在试验台上，将喷涂白色油漆的一面朝后，另一面朝前，正对DIC监测设备，同时将高速摄像机及配套光源***放置在能清晰照亮整个试验样品的位置，调整采集频率，随后通过操控试验机，开展巴西劈裂试验。
利用全场应变测量分析***结合DIC图像技术与双目立体视觉技术，追踪试样分层界面处的散斑图像，实现变形过程中监测区域的全场应变测量，包括三维坐标测量、位移场测量及应变场测量。分析变形场，获取样品破裂全过程中软硬分层界面处的应变云图及进一步推导应力、变形破坏情况等。
针对实施例1和实施例2的分层界面处喷涂散斑区域的试验样品，在分析样品分层界面处变形场时，需要考虑浇筑的每一透明层的折射效应，在提取散斑监测点的位移点时，需要进行参数修正，以获取精确的变形量。尤其对于多层试验样品，需要进行折射效应的叠加分析。
提取多层样品内部散斑监测点所在分层界面处的变形场，对比分析，形成内部不同区域的变形过程。尤其分析产生最大应力的试样中心邻近区域，有助于理解间接拉伸破坏试验的发生过程中，软结构面对层状结构的岩体破裂机制的影响。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种可实现监测层状试样分层界面处的变形场的方法，其特征在于，包括：
软硬相间透明层状试样的制备：采用不同种类的树脂材料分层浇筑得到所述软硬相间透明层状试样，相邻两层所述软硬相间透明层状试样之间喷涂有散斑点，多层所述散斑点的所在的表面区域位置不重叠，所述软硬相间透明层状试样一端底部具有白色涂层，所述树脂材料由一定比例的树脂胶和固化剂混合得到，所述软硬相间透明层状试样包括硬质结构层和软弱结构层，所述硬质结构层和所述软弱结构层对应的所述树脂胶分别为环氧树脂和聚氨酯，所述环氧树脂与所述固化剂的质量比例为(3-5):1，所述聚氨酯与所述固化剂的质量比例为(2-4):1；
位移场监测分析：采用DIC监测设备对所述软硬相间透明层状试样开展试验分析所述软硬相间透明层状试样的分层界面处的变形场，提取所述散斑点的位移点时，对多层所述软硬相间透明层状试样进行折射效应的叠加分析以获取精确的变形量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软硬相间透明层状试样的制备包括以下步骤：
(1)根据所述树脂胶的密度、所述固化剂的密度、所述树脂胶与所述固化剂的比例以及浇筑层的体积计算得到所述树脂胶和所述固化剂的质量，将称量得到的所述树脂胶和所述固化剂混合均匀得到所述树脂材料，静置备用；
(2)将所述硬质结构层对应的所述树脂材料倒入模具中，静置固化，完成所述硬质结构层的浇筑；
(3)固化完成后，在所述硬质结构层表面喷涂散斑点，静置使所述散斑点干燥；
(4)将所述软弱结构层对应的所述树脂材料倒入模具中，静置固化，完成所述软弱结构层的浇筑；
(5)固化完成后，在所述软弱结构层表面喷涂散斑点，静置使所述散斑点干燥；
(6)重复步骤(1)-(5)完成多层浇筑，且最后一层浇筑完成后不喷涂散斑点使得所述散斑点均位于所述软硬相间透明层状试样的分层界面处；
(7)脱模后将所述软硬相间透明层状试样的一端底面喷涂为白色。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模具为顶部开口的圆柱状结构，所述圆柱状结构的直径为D，高度为D/2。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述树脂胶和所述固化剂混合均匀后静置3-5min后备用。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述树脂材料倒入模具中后静置初始固化时间为8-12h。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述散斑点的静置干燥时间为0.5-1h。
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