基于PIV技术的反倾层状结构边坡模型试验研究

牛林峰,朱 瑞,王忠福,陈钧龙

(1.华北水利水电大学河南省岩土力学与结构工程重点实验室,河南郑州450045；2.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南郑州450016)

基于PIV技术的反倾层状结构边坡模型试验研究

牛林峰1,朱 瑞2,王忠福1,陈钧龙1

(1.华北水利水电大学河南省岩土力学与结构工程重点实验室,河南郑州450045；2.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南郑州450016)

基于PIV技术,对顶部加载工况下的反倾层状结构边坡的变形破坏过程进行记录监测,研究反倾层状结构边坡的变形破坏机制。结果表明,顶部荷载较小时,边坡模型变形较小,位移集中在模型上部和后缘,形成与岩层平行的应变集中带；随着荷载的加大,边坡模型变形增大,上部位移方向反转,出现横向贯通的应变集中带,并随时间向下推移,最终位置固定,从坡脚处向上延伸,贯通整个边坡模型,与水平成15°～17°的夹角；边坡模型完全破坏时,形成自上而下的3条近于平行的破裂带,最底部的最先形成,最顶部的最后形成,变形破坏程度自上而下依次增大。

PIV技术；反倾层状边坡；顶部加载；变形；破裂带

0 引 言

反倾层状结构边坡的变形破坏问题广泛存在于水利水电工程、道路交通工程、采矿工程等领域[1-2],已经成为工程建设中亟待解决的重要工程地质问题。对反倾层状结构边坡的研究始于20世纪60年代,研究方法可分为解析分析法、数值模拟法、物理模拟法。其中,物理模拟法可以有效解决解析分析法和数值模拟法难以解决的问题,能直接记录和观测反倾层状边坡的变形破坏过程。汪小刚等[3]结合龙滩水电站左岸边坡实例,利用离心机试验研究了反倾岩质边坡的变形破坏；左保成等[4]通过室内物理力学试验研究了反倾层状边坡破坏模式和影响因素；杨国香等[5]通过大型振动台试验探讨了反倾层状边坡的动力响应特征和破坏模式。

随着计算机技术的发展,高精度图像处理技术在试验中得到广泛应用。粒子图像测速(PIV)技术被广泛应用于工程领域的试验研究,其测量精度高、干扰小、稳定性强、工作量小、自动化程度高,可完好地记录了试验过程,加深了对研究对象的变形破坏机制的研究。利用PIV技术,刘明亮等[6]研究了锚板抗拉破坏模式；姜彤等[7]对抗拔锚板的裙锚效应进行了研究；刘君等[8]将PIV技术应用于大型振动台试验中,并取得较好的效果；沈礼等[9]对构造物理模型试验进行了监测分析。

本文采用PIV技术,对顶部加载工况下的反倾层状结构边坡的变形破坏过程进行分析研究,通过对采集的灰度图像的处理,再现了边坡变形破坏过程的位移场变化,进一步揭示该类边坡的变形破坏规律,为反倾层状结构边坡的治理提供参考。

1 PIV技术原理

PIV技术克服了传统单点测量的限制,实现了动态瞬时全流场的实时测量,并且具有不干扰测量对象,测量精度高的优点,基本原理见图1。利用图片采集设备采集t0时刻(变形前)和t1时刻(变形后)测量对象的图片,将采集的t0、t1时刻的灰度图像分割成若干均匀网格,利用交叉关联函数对变形前(即t0时刻)图像的某一网格在变形后(即t1时刻)图像的指定范围内进行全场匹配和相关运算。交叉关联函数R(Δx,Δy)为[10]

图1 PIV基本原理

(1)

式中,a、b为图像块的尺寸；Y为t0时刻图像中图像块中心坐标在(m,n)处的灰度值分布函数；X为t1时刻图像中图像块中心坐标在(m+Δx,n+Δy)处的灰度值分布函数；Δx、Δy分别为x、y方向的位移增量。

当关联函数值达到峰值时,根据峰值相关系数确定该网格变形后的位置,进而得到该网格的像素位移,将像素位移按一定比例关系转换可得到物理位移,对变形前后的所有网格进行类似运算就可以得到整个图像的位移场。对得到的位移场进行计算[11-12],可得出其对应的应变场,据此可进一步分析研究对象的变形破坏机理。公式如下

(2)

(3)

(4)

式中,u为x方向的位移分量；v为y方向的位移分量；εx为沿x方向的正应变；εy为沿y方向的正应变；γxy为剪应变。

2 试验模型及设备

2.1 试验模型

反倾层状结构边坡模型由提前预制好的薄板堆砌而成,预制板长80 cm、宽15 cm、厚1.5 cm,由石膏和经过200目筛子筛选的黄土按石膏∶黄土∶水为1∶1∶2的比例配置而成。经室内试验,其物理力学特性满足试验要求。由于预制板的厚度小,长宽比大,在脱模的过程要格外注意,脱模时间要适当延迟。堆砌边坡模型的高70 cm、宽15 cm、底部长80 cm、坡顶长30 cm、坡脚距底部边界15 cm、距模型前缘边界18 cm、坡角60°、层面倾角75°,固定在提前定制好的模型框中,制作好的边坡模型见图2。

图2 边坡模型

2.2 试验设备

将制作好的物理模型放置在加载装置中,通过与加载装置连接的压力板对模型顶部加压,使其变形破坏。同时,利用PIV系统的CCD相机获取模型变形破坏过程的位移图像。应用PIVview2C图像处理软件,分析边坡模型破坏过程中的位移场和应变场。

加载装置为CMT4000系列试验机,可提供拉、压向力,最大力30 kN,最大位移1 150 mm。通过PC机上安装的SANS软件,可方便控制加载力的速度和方向,并及时输出试验过程中力与位移的变化,力精度和位移精度分别为1/300 000 FS和0.03 μm,满足试验要求。CCD高速相机采用SONY科研级芯片,分辨率为2 489 pixel×2 091 pixel,曝光时间为100 μm×80 ms,采集速率可达200 fps,通过Camlink专用接口连接计算机,利用Davis8.0系列软件储存采集图片。试验设备组合系统见图3。

图3 试验设备组合系统

3 试验结果及分析

3.1 顶部加载力与时间的关系

图4为整个试验过程边坡顶部受力与时间的关系。根据其变化特征可将试验过程分为4个阶段：0～1 000 s为第1阶段；1 000～4 000 s为第2阶段；4 000～5 000 s为第3阶段； 5 000 s以后为第4阶段。第1阶段力与时间关系呈现较规则的线性关系,斜率为4.0,随着时间的增大,模型顶部受力线性增大,最大为4 300 N；第2阶段的受力在2 000～2 200 s有一次大的跌落,经过短暂停滞,迅速回升,回升后的受力特点与跌落前的受力特点基本保持不变,大致线性变化,斜率约为4/3,最大值接近峰值；第3阶段受力与时间关系曲线大致为水平直线,保持在8 500 N左右；第4阶段模型受力快速下降,模型完全破坏。

图4 力与时间的关系

3.2 变形破坏各阶段的位移场及应变场

第1阶段边坡模型变形较小,变形集中在模型中上部和后缘,位移自上而下呈层状分布,逐渐减小。应变集中带呈倾斜条带状分布在模型后缘,其倾向与岩层倾向一致。图5为t=1 000 s时模型位移场、应变场分布及模型矢量。

第2阶段边坡模型变形增大,模型下部亦产生较大位移,以某一贯通圆弧界面为分界线,上下位移方向相反,并在圆弧面处产生拉张应变集中带。图6为t=2 000 s时模型位移场、应变场分布。随着时间的增大,圆弧形界面不断向下推移,并向两端延伸,最终在t=3 400 s时界面位置固定不再下移,由圆弧形发展为直线形,从坡脚处向上延伸贯通模型,与水平成15°～17°的夹角,边坡在该位置形成明显的张裂带。图7为t=3 400 s时模型位移场、应变场分布。图8为t=4 000 s时模型应变场以及该时刻模型图像。

图5 t=1 000 s时模型位移场、应变场分布及其矢量

图6 t=2 000 s时模型位移场、应变场分布

图7 t=3 400 s时模型位移场、应变场分布

第3、4阶段边坡模型变形加大,破坏程度加剧,出现新的应变集中带,其变化规律与之前的应变集中带相似,最终形成3条近于平行的应变集中带,见图9。边坡模型在应变集中带处产生不同程度的拉张断裂。

图8 t=4 000 s时模型应变场分布及模型图像

图9 t=5 800 s时模型应变场

4 结 语

运用PIV技术,记录了反倾层状边坡模型在顶部加载工况下的变形破坏过程,通过后期对采集图像的处理分析,研究边坡模型的位移场和应变场的变化,得出以下几点结论：

(1)顶部荷载较小时,边坡模型变形较小,位移集中在模型中上部和后缘,没有横向贯通的应变集中带,产生的应变集中带呈倾斜条带状分布在边坡后缘,其倾向与岩层倾向一致。

(2)随着顶部荷载的加大,边坡变形增大,在顶部位移方向反转,出现横向贯通拉张应变集中带,并随时间向下推移,最终位置固定,贯通模型从坡脚向上延伸,与水平成15°～17°的夹角,边坡模型在该处出现明显拉张破坏。

(3)边坡模型完全破坏时,形成自上而下的3条近于平行的破裂带,最底部的破裂带最先形成,最顶部的最后形成,其变形破坏程度自上而下依次增大。

[1]王思敬. 金川露天矿边坡变形机制及过程[J]. 岩土工程学报, 1982, 4(1)： 76- 83．

[2]程东幸, 刘大安, 丁恩宝, 等. 层状反倾岩质边坡影响因素及反倾条件分析[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(11)： 1362- 1366．

[3]汪小刚, 张建红, 赵毓芝, 等. 用离心模型研究岩石边坡的倾倒破坏[J]. 岩土工程学报, 1996, 18(5)： 14- 21．

[4]左保成, 陈从新, 刘小巍, 等. 反倾岩质边坡破坏机理物理模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(19)： 3505- 3511．

[5]杨国香, 叶林海, 伍法权, 等. 反倾层状结构岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(11)： 2214- 2221．

[6]刘明亮, 朱珍德, 刘金元. 锚板抗拉破坏机制试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(3)： 697- 702．

[7]姜彤, 任淼, 张昕. 抗拔锚板群锚基础模型试验研究[J]. 地下空间与工程学报, 2016, 12(4)： 968- 974．

[8]刘君, 刘福海, 孔宪京, 等. PIV技术在大型振动台模型试验中的应用[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(3)： 368- 373．

[9]沈礼, 贾东, 尹宏伟, 等. 构造物理模拟和PIV有限应变分析对构造裂缝预测的启示[J]. 高校地质学报, 2016, 22(1)： 171- 182．

[10]THOMAS S H, JAGDISHKUMAR K A. Image Se-quence Analysis [M]. New York: Springer-Verlag, 1981．

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(责任编辑杨 健)

ExperimentalStudyofAnti-dipLayeredSlopeModelBasedonPIVTechnology

NIU Linfeng1, ZHU Rui2, WANG Zhongfu1, CHEN Junlong1
(1. Henan Key Laboratory of Geomechanics and Structural Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China; 2. Henan Water & Power Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450016, Henan, China)

The process of deformation and failure of anti-dip layered slope under pressure load at slop top are measured based on Particle Image Velocity (PIV) to analyze deformation and failure mechanism. The results show that, (a) when the pressure load is relatively small, there is little deformation, the displacements appear at the upper part and the back of model slope, and the strain concentration is formed in parallel with rock formation; (b) with the increasing of load, the deformation is also increasing, the displacement sense of upper part of slope becomes opposite, and a horizontal run-through strain concentration appears which gradually moves down until it runs through the slope from slope toe to slope back with a angle of 15-17 degree to horizontal line; and (c) when the slope is at complete failure stage, there are three parallel fracture zones in model slope, the one at the bottom of slope appears firstly and the one at the uppermost part of slope appears at the latest, and the failure degree gets increasing from top to bottom of slope．

PIV technology; anti-dip layered slope; tope pressure load; deformation; fracture zone

2017- 02- 21

华北水利水电大学研究生教育创新计划(YK2016- 04)

牛林峰(1992—),男,河南南阳人,硕士研究生,主要从事边坡稳定性分析研究．

TU457

：A

：0559- 9342(2017)06- 0100- 05