朱權(quán)潔，梁 娟，張爾輝，龔 劍，劉曉輝，趙啟峰

(1. 華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 防災(zāi)科技學(xué)院 文化與傳播學(xué)院，北京 東燕郊 065201；3. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；4. 鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，鄭州 450044)

0 引言

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)研究巖石破壞失穩(wěn)特征和相關(guān)力學(xué)參數(shù)具有指導(dǎo)意義，對(duì)巖石力學(xué)等學(xué)科的教學(xué)工作具有促進(jìn)意義。近年來(lái)，隨著測(cè)量手段的豐富，多種方法已成功應(yīng)用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中[1-2]。章云等[3]以探索滿足創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需復(fù)合型人才的培養(yǎng)新模式為目標(biāo)，重構(gòu)課程體系、創(chuàng)新培養(yǎng)方式等，推進(jìn)工程人才培養(yǎng)模式改革。楊立云等[4]結(jié)合礦山井巷工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)情況和需求，設(shè)計(jì)和搭建了基于加載系統(tǒng)、數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，為學(xué)生大創(chuàng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等提供了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)環(huán)境。盛建龍等[5]針對(duì)人才培養(yǎng)理念、知識(shí)結(jié)構(gòu)體系、培養(yǎng)模式與創(chuàng)新人才培養(yǎng)不協(xié)調(diào)問(wèn)題，提出了采礦工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革的原則，并從課程體系、教學(xué)手段和教學(xué)資源等維度進(jìn)行了改革探索。為了通過(guò)科研促進(jìn)教學(xué)水平的提高，開(kāi)拓學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，朱建國(guó)[6]將二維數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)試引入到材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。為了克服傳統(tǒng)接觸式測(cè)量技術(shù)的局限性，深入革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生了解掌握最新的測(cè)量方法和先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科研意識(shí)和國(guó)際化視野，梁棟等[7]在材料力學(xué)平板拉伸實(shí)驗(yàn)中引入了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)以及紅外熱像技術(shù)。蘇勇等[8]專(zhuān)注于數(shù)字圖像相關(guān)方法的原理研究和應(yīng)用拓展，有效提升了該方法的測(cè)量精度和計(jì)算速度，在諸多領(lǐng)域取得了一系列研究成果。潘兵[9-10]等介紹了三維數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理及其關(guān)鍵技術(shù)，并用兩個(gè)典型的例子驗(yàn)證了該方法的有效性和對(duì)于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的指導(dǎo)意義。

本文將數(shù)字圖像技術(shù)引入到巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，一方面，克服傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方法和教學(xué)方式，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生快速掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)原理，另一方面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科研意識(shí)和國(guó)際化視野。

1 力學(xué)試驗(yàn)中應(yīng)變片測(cè)量及其缺陷

在壓縮變形試驗(yàn)等巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)巖石類(lèi)材料的力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)。巖石材料在受到外部作用力時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，變形到一定程度就發(fā)生斷裂破壞。巖石材料的這類(lèi)力學(xué)行為可以用“拉、壓、彎、剪”等力學(xué)性能來(lái)進(jìn)行描述。上世紀(jì)四十年代，基于“應(yīng)變效應(yīng)”原理，電阻應(yīng)變片使材料力學(xué)性能的定量描述成為現(xiàn)實(shí)。隨著應(yīng)變片技術(shù)的快速發(fā)展，以及配套標(biāo)準(zhǔn)的制定，應(yīng)變片被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，用于各類(lèi)結(jié)構(gòu)物荷載測(cè)定、土木工程健康監(jiān)測(cè)等。

在礦業(yè)工程本科教學(xué)中，《巖石力學(xué)》含有巖石壓縮變形試驗(yàn)。該試驗(yàn)是在縱向壓力作用下測(cè)定試樣的軸、徑向變形，由此計(jì)算巖石試件的彈性模量和泊松比。巖石壓縮變形試驗(yàn)的主要設(shè)備包括電阻應(yīng)變儀、壓力傳感器、引伸計(jì)等，與應(yīng)變儀配套的還有電阻應(yīng)變片、粘接劑、萬(wàn)用表等。利用應(yīng)變儀進(jìn)行壓縮變形試驗(yàn)的過(guò)程可概述為：(1)選擇電阻片，并貼在巖石試件合適的位置；(2)酒精擦凈，利用914粘接劑等脆性膠將電阻片固定在試件上；(3)將試件置于壓力機(jī)制下，選擇連接方式接入應(yīng)變儀中，接通電源并進(jìn)行加載試驗(yàn)；(4)同步采集記錄不少于10組數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄試件破壞形式及其它相關(guān)情況，并繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法及裝置

在開(kāi)展完上述操作過(guò)程后，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，進(jìn)而求取相關(guān)參數(shù)。首先，根據(jù)公式計(jì)算體積應(yīng)變值，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；然后，基于應(yīng)力應(yīng)變曲線，計(jì)算試樣的彈性模量E、泊松比μ；最后，根據(jù)最大破壞荷載和試件橫截面積計(jì)算單軸抗壓強(qiáng)度σc。

應(yīng)變片優(yōu)缺點(diǎn)同樣突出，其優(yōu)點(diǎn)可表述為靈敏度高、測(cè)量速度快等，但存在防潮性能差、受導(dǎo)線影響、施工過(guò)程較繁雜等。此外，單個(gè)應(yīng)變片只能測(cè)量表面一個(gè)點(diǎn)某一方向上的應(yīng)變，且需要保證巖石材料自身沒(méi)有大的離面變形。如果測(cè)量對(duì)象體型大，應(yīng)變片的安裝布置將會(huì)是非常大的工程?；谶@一背景，為改進(jìn)現(xiàn)有落后技術(shù)手段，將數(shù)字圖像相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入巖石力學(xué)試驗(yàn)之中，該技術(shù)使用高速攝像機(jī)以及相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)試件進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，可以高精度地測(cè)量材料的變形、形變和應(yīng)變等信息。相對(duì)于傳統(tǒng)應(yīng)變片，該技術(shù)從測(cè)量精度、計(jì)算方法、表達(dá)形式等有了顛覆改進(jìn)，其引入為本科生的教學(xué)和大創(chuàng)活動(dòng)提供思路和條件。

2 數(shù)字圖像技術(shù)的引入與應(yīng)用

數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種對(duì)全場(chǎng)位移和應(yīng)變進(jìn)行量化分析的非接觸式測(cè)量方法。該方法在巖石力學(xué)試驗(yàn)中的應(yīng)用可簡(jiǎn)述為：首先對(duì)目標(biāo)試樣表明制作散斑，確保試樣表面具備明顯的特征；在壓縮變形試驗(yàn)過(guò)程中，采用數(shù)碼相機(jī)或光電攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)試樣進(jìn)行圖像采集，并將圖像數(shù)字化；最后匹配追蹤兩個(gè)時(shí)刻同一散斑點(diǎn)的位移矢量變化，對(duì)所選定圖像區(qū)域進(jìn)行匹配運(yùn)算，獲取該區(qū)域面內(nèi)位移和應(yīng)變等特征信息。

2.1 DIC技術(shù)原理

數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)是通過(guò)計(jì)算試件表面變形前后的散斑圖像灰度，從而獲得試件的位移和變形等參數(shù)。為了評(píng)估參考區(qū)域和變形區(qū)域之間的變形特征，首先給定變形前基準(zhǔn)圖像和變形后目標(biāo)圖像的特征函數(shù)分別為I1=F1(x，y)，I2=F2(x，y)。假設(shè)對(duì)基準(zhǔn)圖像上的點(diǎn)P點(diǎn)位置進(jìn)行追蹤，則需求得其在目標(biāo)圖像的匹配點(diǎn)。在變形前基準(zhǔn)圖像中選擇方形參考子區(qū)，然后在變形后目標(biāo)圖像上進(jìn)行逐點(diǎn)搜索對(duì)應(yīng)的位移值。用相關(guān)匹配方法在變形后目標(biāo)圖像上搜索與之最匹配的數(shù)字圖像子區(qū)，匹配成功后，得到P點(diǎn)的位移。依照此方法繼而得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)。其原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字圖像相關(guān)匹配示意圖[10]

當(dāng)白光照射到橡皮粗糙表面時(shí)，形成隨機(jī)分布的散斑，用CCD記錄散斑圖。物體表面的散斑隨著物體的變形而運(yùn)動(dòng)，分析變形前后的散斑圖，得到散斑沿U和V方向的相對(duì)位移，既物體沿橫向和縱向的相對(duì)變形。變形前后的兩幅散斑圖存在相關(guān)性。在變形不大的情況下，物體表面的散斑場(chǎng)的灰度變化可以忽略不計(jì)。設(shè)(x，y)是變形前的一點(diǎn)，(x*，y*)是變形后的相應(yīng)點(diǎn)，兩者的關(guān)系為：

(1)

用函數(shù)F(xi，yi)表示變形前某一點(diǎn)(xi，yi)處的灰度值，G(x*I，y*i)表示變形后對(duì)應(yīng)點(diǎn)(x*I，y*i)處的灰度值，由概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論可知，兩者的相關(guān)系數(shù)為：

(2)

僅取試件中部下方的微小區(qū)域(宏觀上為可也認(rèn)為是一點(diǎn))。采集三點(diǎn)彎曲過(guò)程中的散斑圖，計(jì)算V場(chǎng)，此時(shí)V場(chǎng)的平均值近似等于試件的彎曲撓度f(wàn)，則試件的彎曲彈性模量Ef為：

(3)

式中，ΔP為載荷與撓度曲線上初始直線段的載荷增量，N；Δf為對(duì)應(yīng)于ΔP的試件跨度中點(diǎn)處的撓度增量，mm；本實(shí)驗(yàn)用V值代替。L為跨度，mm；b為試件寬度，mm；h為試件厚度，mm。

2.2 在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在本科生《巖石力學(xué)》、《井巷工程》實(shí)驗(yàn)中，為了研究巖石壓縮變形特征，可以引入DIC系統(tǒng)對(duì)加載過(guò)程中巖石試件的損傷破壞進(jìn)行追蹤，并對(duì)其位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行非接觸式精確測(cè)量。DIC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集和后處理過(guò)程簡(jiǎn)單，所獲得結(jié)果直觀形象。最為主要的試驗(yàn)前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)工作量較應(yīng)變片測(cè)量有了較大改觀。數(shù)字圖像技術(shù)的引入也使采礦專(zhuān)業(yè)學(xué)生有了更多的發(fā)揮空間，學(xué)生可以大膽構(gòu)思，創(chuàng)新設(shè)計(jì)新的試驗(yàn)方案(如圍巖支護(hù)、回采相似模擬等)，并結(jié)合MATLAB、Python進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的后期可視化處理和處理軟件的二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)而開(kāi)展更多的高質(zhì)量大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)[11-12]。眾多研究結(jié)果表明，DIC系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果吻合度較好[13]。DIC系統(tǒng)的非接觸式、可視化測(cè)量特點(diǎn)更符合現(xiàn)代巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求和發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)字圖像技術(shù)相較傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，可概括為：實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程簡(jiǎn)單，顯示結(jié)果直觀形象，測(cè)試環(huán)境要求低；支持全場(chǎng)測(cè)量，可以測(cè)量整個(gè)范圍內(nèi)所有點(diǎn)的應(yīng)變、位移以及任意兩點(diǎn)之間的距離，相當(dāng)于試件表面布置了無(wú)數(shù)個(gè)應(yīng)變片和引伸計(jì)，可以提供海量數(shù)據(jù)；測(cè)試過(guò)程非接觸，不影響變形過(guò)程；對(duì)被測(cè)對(duì)象的材料沒(méi)有要求；可快速測(cè)量全過(guò)程變形，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量；針對(duì)各種復(fù)雜構(gòu)建，對(duì)于應(yīng)力集中和應(yīng)力梯度可以測(cè)得清晰數(shù)據(jù)[14]。

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

3.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

利用上述實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)煤、巖樣試件進(jìn)行了單軸壓縮變形試驗(yàn)，并借助DIC系統(tǒng)和聲發(fā)射AE系統(tǒng)對(duì)試件變形破壞過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。

(1) 試樣制作與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

DIC系統(tǒng)有：光源、CCD高分辨率相機(jī)、圖像卡、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)及軟件。光源為白光，由光纖燈產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)及軟件主要由圖像采集、相關(guān)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等軟件模塊組成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置

利用實(shí)驗(yàn)室制樣設(shè)備制作長(zhǎng)寬高分別為20 mm×20 mm×50 mm的試件，利用打磨機(jī)對(duì)上下斷面進(jìn)行打磨。試件表面噴漆制作散斑。

(2) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)

首先加工制作方柱形巖石試件，在試樣表面噴漆制作散斑；將聲發(fā)射傳感器固定于試件側(cè)面，避免擋住相機(jī)視角；將試件移到加載裝置上，打開(kāi)白光光源照射試樣表面，布置相機(jī)并固定拍攝方位；打開(kāi)圖像采集系統(tǒng)，打開(kāi)伺服機(jī)，設(shè)置同步，開(kāi)始試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，即可對(duì)散斑圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算求取巖石試件的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。RLJW-2000試驗(yàn)機(jī)作為試驗(yàn)加載系統(tǒng)，控制方式為位移擴(kuò)展，位移控制加載速率為0.05 mm/min。此外，利用CCD相機(jī)搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)加載全過(guò)程試件表面散斑圖像進(jìn)行采集。其中，CCD相機(jī)速率為3.5幀/s，圖像分辨率為1600像素×1200像素，物面分辨率為0.1316 mm/像素。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展與實(shí)施

基于上述方法和原理可針對(duì)教學(xué)內(nèi)容或?qū)W生大創(chuàng)內(nèi)容進(jìn)行不同試驗(yàn)，例如巖石、煤、混凝土等多種材料的單軸拉壓實(shí)驗(yàn)、三軸伺服實(shí)驗(yàn)、循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)等。利用RMT-301試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載并記錄力學(xué)破壞參數(shù)，CCD相機(jī)采集變形場(chǎng)演化特征圖像。限于篇幅，本文具體介紹煤?jiǎn)屋S壓縮實(shí)驗(yàn)的具體開(kāi)展方式和在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，具體實(shí)施步驟如圖4所示，人工散斑場(chǎng)及圖像識(shí)別效果如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

圖5 人工散斑場(chǎng)效果圖

首先選擇試件側(cè)表面比較平整的一面作為散斑面，在散斑面均勻噴灑一層黑漆作為散斑場(chǎng)底色，然后，噴灑白漆顆粒使其隨機(jī)散落在試件散斑面，制作成人工散斑場(chǎng)。其次，加載系統(tǒng)、數(shù)字圖像采集系統(tǒng)及聲發(fā)射采集系統(tǒng)設(shè)置完成后需進(jìn)行校準(zhǔn)對(duì)時(shí)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)間嚴(yán)格一致。再次，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)同時(shí)觸發(fā)加載系統(tǒng)和整個(gè)采集系統(tǒng)，對(duì)加載全過(guò)程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)采集，直至試件破壞。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后停止加載和采集，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

考慮到全方位鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，指導(dǎo)學(xué)生獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。建議學(xué)生利用MATLAB或Python語(yǔ)言編制相應(yīng)的分析模塊，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化展示。

3.3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圖6是試件破壞應(yīng)力—應(yīng)變曲線，圖7是試件破壞失穩(wěn)的形態(tài)特征變化過(guò)程。由圖6可以得出煤在單軸作用下的破壞失穩(wěn)過(guò)程可以分為4個(gè)階段：孔隙壓密階段、線彈性階段、塑性變形破壞階段和殘余強(qiáng)度階段。

圖6 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 試件破壞演化過(guò)程

在孔隙壓密階段由于試件的孔隙小，內(nèi)部無(wú)明顯原始缺陷，比較致密，在外載荷作用下，應(yīng)力變化迅速增加，應(yīng)變變化緩慢。在線彈性階段，由于孔隙被壓密，微破裂在試件的內(nèi)部逐漸孕育、發(fā)展、貫通，進(jìn)入塑性變形破壞階段。在塑性變形破壞階段，由于在線彈性階段形成了大量的微裂紋，隨著外力的不斷增加，微裂紋逐漸演化為宏觀裂紋，形成破裂面，大量破裂面累積、發(fā)展，迫使試件破壞失穩(wěn)，但是沒(méi)有完全失去承載能力。在殘余強(qiáng)度階段，試件仍具有一定的承載能力，該過(guò)程應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)變稍有變化。

3.3.2 變形場(chǎng)演化特征分析

圖8為加載全過(guò)程中關(guān)鍵時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的主應(yīng)變場(chǎng)演化特征，該圖通過(guò)不同顏色顯示了全過(guò)程主應(yīng)變場(chǎng)演化特征。從圖中可以看出，試件加載破壞過(guò)程中，主應(yīng)變場(chǎng)的演化特征與試件破壞失穩(wěn)過(guò)程裂紋的擴(kuò)展貫通過(guò)程緊密相關(guān)，主應(yīng)變局部化帶顏色較深，應(yīng)變較集中，反之亦然。A～F6個(gè)時(shí)刻與圖6中的各點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

圖8 變形場(chǎng)演化過(guò)程

A點(diǎn)時(shí)刻位于孔隙壓密階段，受試件內(nèi)部天然缺陷的影響，主應(yīng)變場(chǎng)小幅度變化；隨著應(yīng)力的增加，加載過(guò)程進(jìn)入彈性變形階段，B時(shí)刻為線彈性變形起始點(diǎn)，該時(shí)刻內(nèi)部缺陷被壓實(shí)，微裂紋在局部位置開(kāi)始孕育，由主應(yīng)變圖可以看出試件應(yīng)變場(chǎng)變形值明顯增大；應(yīng)力繼續(xù)增加，彈性階段結(jié)束，C點(diǎn)時(shí)刻，試件中間部位有明顯變形，表面煤塊脫落；應(yīng)力繼續(xù)增加，進(jìn)入塑性變形階段，該階段微裂紋逐漸演化為宏觀裂紋，宏觀裂紋逐漸向試件各個(gè)方向貫通；D時(shí)刻點(diǎn)，應(yīng)力稍有回落，裂紋持續(xù)貫通，變形場(chǎng)持續(xù)演化，試件表面脫落面積繼續(xù)增大。E時(shí)刻點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到峰值，宏觀裂紋向各個(gè)方向迅速貫通，該時(shí)刻點(diǎn)試件的最終破壞形式和裂紋空間分布特征形成；E時(shí)刻點(diǎn)后，應(yīng)力逐漸回落，進(jìn)入峰后變形破壞階段，該階段宏觀裂紋繼續(xù)貫通，試件嚴(yán)重失穩(wěn)破壞，但未完全失去承載能力，主應(yīng)變場(chǎng)變形值繼續(xù)增大，表面脫落面積繼續(xù)增加；F點(diǎn)后，進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，宏觀裂紋徹底貫通，試件破壞紋絡(luò)基本形成，試件破壞嚴(yán)重，應(yīng)力逐漸減小直到完全卸載，試件徹底失穩(wěn)破壞。

3.3.3 局部變形場(chǎng)特征

上述對(duì)試件破壞失穩(wěn)過(guò)程中全局應(yīng)變場(chǎng)演化特征進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過(guò)對(duì)局部點(diǎn)進(jìn)行局部變形場(chǎng)演化特征分析，可以進(jìn)一步了解試件的破壞行為。利用MATLAB編制相應(yīng)代碼對(duì)試件的變形場(chǎng)進(jìn)行分析識(shí)別，其結(jié)果如圖9所示。該圖的制作過(guò)程可概述為：設(shè)定底圖(巖樣的監(jiān)測(cè)側(cè)面)及關(guān)鍵坐標(biāo)位置、讀取DIC系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)、處理測(cè)量數(shù)據(jù)并形成變形場(chǎng)數(shù)據(jù)集、附加底圖和數(shù)據(jù)集形成成果。

圖9 利用MATLAB處理的變形場(chǎng)

為了便于對(duì)比觀察，在圖10中分別設(shè)定測(cè)點(diǎn)1、2和3，對(duì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處的變形場(chǎng)演化特征進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)圖形可以看出，測(cè)點(diǎn)1、2位于試件破壞范圍，測(cè)點(diǎn)3在試件破壞區(qū)域意外。其中試件在X向表面位移(U位移)較為明顯，中間區(qū)域位移值超過(guò)3.25 mm，這與圖8中標(biāo)識(shí)點(diǎn)E、F結(jié)果相吻合。測(cè)點(diǎn)3所在區(qū)域沒(méi)有明顯的U位移，但V位移相對(duì)明顯。

對(duì)比圖10(a)可知，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化曲線，圖10(b)顯示了3個(gè)測(cè)點(diǎn)的次應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化曲線。由圖可知，測(cè)點(diǎn)2在加載時(shí)間為53 s時(shí)，試件外表面破壞剝離，變形場(chǎng)演化結(jié)束(黃色曲線終止)；測(cè)點(diǎn)1在加載時(shí)間為91 s時(shí)，變形場(chǎng)演化結(jié)束，此外，在53～74 s有顯著的變形波動(dòng)；測(cè)點(diǎn)3變形場(chǎng)演化貫穿于整個(gè)加載過(guò)程，直至試件破壞，但在53 s時(shí)其V向位移變化較為明顯(膨脹)。結(jié)合圖8中試件的變形破壞特征可知，隨著加載的進(jìn)行，試件表面逐漸脫落，數(shù)字散斑圖像逐漸失效，CCD相機(jī)無(wú)法采集變形場(chǎng)特征。由此表明，試件在加載狀態(tài)下，由上自下逐漸變形失穩(wěn)破壞。

圖10 標(biāo)識(shí)點(diǎn)局部變形場(chǎng)特征

4 結(jié)果分析

基于數(shù)字圖像技術(shù)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相較傳統(tǒng)教學(xué)思路增加了幾點(diǎn)新內(nèi)容，包括數(shù)字圖像技術(shù)的引入、MATLAB數(shù)據(jù)后處理等，其思路主要來(lái)源于采礦專(zhuān)業(yè)當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)——多學(xué)科交叉和跨學(xué)科融合是現(xiàn)代科教發(fā)展一大熱點(diǎn)和趨勢(shì)?；谥悄芑_(kāi)采背景的采礦工程專(zhuān)業(yè)更是面臨如此重要轉(zhuǎn)折和機(jī)遇。

多學(xué)科交叉和跨學(xué)科融合是現(xiàn)代科教創(chuàng)新的重要萌發(fā)點(diǎn)，也是高等教育新興發(fā)展的趨勢(shì)。在我國(guó)高舉“創(chuàng)新”人才培養(yǎng)的時(shí)代背景之下，華北科技學(xué)院在“雙一流”建設(shè)中對(duì)創(chuàng)新型、應(yīng)用型高端人才的跨學(xué)科培養(yǎng)提出了更高要求。以華北科技學(xué)院采礦工程專(zhuān)業(yè)為例，在全國(guó)推行智能化礦山之際，行業(yè)所需要采礦人才將不能僅僅只局限于本專(zhuān)業(yè)內(nèi)部培養(yǎng)，更多的是如何適應(yīng)多學(xué)科交叉融合的復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。解決這一難題的關(guān)鍵是，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行改革。以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和方式已不能滿足當(dāng)前需求。因此，新技術(shù)的引入、新方法的介紹等都是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要改革方向。

總體而言，通過(guò)將DIC技術(shù)引入巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，其作用和意義可概述為：

(1) 提高了課堂教學(xué)效果。將先進(jìn)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，改變了現(xiàn)有教學(xué)模式和教學(xué)方法，提升了實(shí)驗(yàn)精度，同時(shí)通過(guò)可視化模式使學(xué)生能夠更清晰觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，使許多原本枯燥的課程和課程設(shè)計(jì)變得生動(dòng)有趣，使學(xué)生從學(xué)習(xí)者變成設(shè)計(jì)者、參與者，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

(2) 指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展MATLAB編程練習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，有利于加強(qiáng)高校大學(xué)生科技創(chuàng)新建設(shè)與實(shí)踐育人的隊(duì)伍建設(shè)等，可以有效提高大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)和實(shí)踐育人工作的針對(duì)性、有效性和實(shí)效性，形成具有“創(chuàng)新型”特色的新時(shí)期采礦人才培養(yǎng)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

(3) 實(shí)驗(yàn)方法貼近國(guó)際潮流，使學(xué)生了解和掌握當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)手段，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科研意識(shí)和國(guó)際化視野。實(shí)踐育人多以第二課堂活動(dòng)模式開(kāi)展，將科技創(chuàng)新基地建設(shè)與實(shí)踐育人模式進(jìn)行有效協(xié)同，可以促進(jìn)第一課堂和第二課堂的有效銜接，解決學(xué)生創(chuàng)新學(xué)分、第二課堂學(xué)分與動(dòng)手能力、協(xié)作能力培養(yǎng)之間的無(wú)縫對(duì)接。

(4) 將科學(xué)研究與教學(xué)緊密結(jié)合，使課堂內(nèi)容貼近實(shí)際應(yīng)用，完善課堂教學(xué)內(nèi)容、提升課程教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生綜合實(shí)力，適應(yīng)行業(yè)就業(yè)需求。依托學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)，在教學(xué)團(tuán)隊(duì)的策劃和指導(dǎo)下，積極引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生參與科教研活動(dòng)，建立科教聯(lián)動(dòng)、產(chǎn)學(xué)研一體化機(jī)制，進(jìn)而形成師生互動(dòng)、科教融合新局面，最終形成“基礎(chǔ)理論+應(yīng)用知識(shí)+實(shí)操技能”的全方位培養(yǎng)模式。

5 結(jié)論

(1) 本文將數(shù)字圖像相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入巖石力學(xué)試驗(yàn)之中，利用高速攝像機(jī)以及相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)巖石試件進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。通過(guò)巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該技術(shù)可以高精度地測(cè)量材料的變形、形變和應(yīng)變等信息，相對(duì)于傳統(tǒng)應(yīng)變片，該技術(shù)從測(cè)量精度、計(jì)算方法、表達(dá)形式等有了顛覆改進(jìn)。

(2) 通過(guò)設(shè)計(jì)詳細(xì)的試驗(yàn)方案，包括試樣制作與實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)等，介紹了基于DIC系統(tǒng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。最后引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB開(kāi)展DIC系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理，處理結(jié)果顯示，試件加載破壞過(guò)程中，主應(yīng)變場(chǎng)的演化特征與試件破壞失穩(wěn)過(guò)程裂紋的擴(kuò)展貫通緊密相關(guān)。

(3) 下階段將聯(lián)合聲發(fā)射、DIC技術(shù)等開(kāi)展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索煤巖樣加載破壞過(guò)程的聲發(fā)射響應(yīng)特征、應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律及其與試件自身?yè)p傷演化規(guī)律的關(guān)聯(lián)性等。