張 科，張 凱

(1.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500; 2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造作用后，巖石內(nèi)部不可避免地發(fā)育有大量的地質(zhì)缺陷，這些缺陷對(duì)巖石的力學(xué)特征產(chǎn)生了重要的影響[1-2]。地下采礦場(chǎng)的礦柱中普遍存在裂隙，在外部荷載作用下容易誘發(fā)裂隙擴(kuò)展、貫通，最終導(dǎo)致礦柱的失穩(wěn)破壞[3-5]。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation Method，DIC)是一種非接觸式全場(chǎng)變形觀測(cè)方法[6-7]，可以連續(xù)觀測(cè)試件表面的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、試驗(yàn)消耗小、可重復(fù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于巖石力學(xué)測(cè)試。李露露等[8]利用DIC技術(shù)得到單軸壓縮下三叉裂隙類巖石試件的應(yīng)變場(chǎng)。雷冬等[9]基于DIC技術(shù)計(jì)算出花崗巖在動(dòng)力破壞過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。潘紅宇等[10]結(jié)合DIC技術(shù)，分析煤巖表面應(yīng)變場(chǎng)變化特征，深入研究了軸向應(yīng)變率和裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系。大久保誠(chéng)介等[11]和YANG等[12]利用3D-DIC技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤安山巖和煤巖件在單軸壓縮破壞過(guò)程中的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律。上述研究表明，通過(guò)DIC技術(shù)可以得到試件加載全過(guò)程的應(yīng)變場(chǎng)。但是，在后續(xù)分析中，有必要結(jié)合一些具有物理意義的、能夠反映應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的定量指標(biāo)，以便更直觀、更準(zhǔn)確地把握巖體變形破裂規(guī)律。

近些年，研究發(fā)現(xiàn)灰度和紋理等圖像特征可以表征巖石破裂狀態(tài)，因而受到了學(xué)者們的關(guān)注與嘗試。徐金明等[13]和XU等[14]利用圖像紋理特征參數(shù)對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)的視頻圖像進(jìn)行分析，認(rèn)為這些參數(shù)可以反映出石灰?guī)r的變形狀態(tài)和花崗巖的裂紋萌生、擴(kuò)展過(guò)程。宋勇軍等[15]分析了CT圖像的灰度直方圖，研究了單軸加載下冰凍紅砂巖的裂隙擴(kuò)展規(guī)律。朱紅光等[16]通過(guò)對(duì)CT圖像的灰度統(tǒng)計(jì)，分析了裂紋演化過(guò)程中圖像灰度變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

目前的圖像特征研究主要集中于視頻拍攝圖像和CT圖像，對(duì)應(yīng)變場(chǎng)云圖卻鮮有研究。而基于DIC技術(shù)得到的應(yīng)變場(chǎng)云圖能夠更加真實(shí)地反映出巖體在加載過(guò)程中的變形破裂特征。因此，筆者以地下開(kāi)采中礦柱的力學(xué)問(wèn)題為工程背景[3-5]，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和圖像特征分析方法，通過(guò)應(yīng)變場(chǎng)云圖灰度直方圖以及10個(gè)圖像特征描述指標(biāo)，量化研究了單軸壓縮過(guò)程中含裂隙的礦柱巖體應(yīng)變場(chǎng)灰度及紋理特征演化規(guī)律，為精細(xì)化研究裂隙巖體變形破裂機(jī)制提供一種新的思路和方法，對(duì)礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及災(zāi)變預(yù)警也有重要的參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

選取云南省昆明市地區(qū)的紅砂巖作為試驗(yàn)對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)采集紅砂巖巖塊，將其加工成120 mm×60 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的試件，如圖1所示，端面不平整度誤差<0.05 mm。挑選質(zhì)地均勻、外觀完整的試件，采用高速水刀切割技術(shù)加工貫穿裂隙，裂隙形心與試件形心重合，裂隙長(zhǎng)度2b=28 mm。本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種裂隙傾角β，分別為30°，45°和60°，對(duì)應(yīng)的試件編號(hào)分別記為S30，S45和S60，見(jiàn)表1。在預(yù)制裂隙中填充云母片，模擬充填閉合型裂隙。制備完成的不同裂隙傾角砂巖試件如圖2所示。另外，制備完整砂巖試件，編號(hào)記為SW，用于對(duì)比分析。砂巖試件的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 砂巖試件物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of sandstone specimens

圖2 待試驗(yàn)的裂隙砂巖試件Fig.2 Fractured sandstone specimens ready to be tested

為增強(qiáng)圖像紋理效應(yīng)[17]，通過(guò)噴漆的方法制作試件表面的人工散斑場(chǎng):對(duì)試件正面噴涂白漆，待其干透后再噴涂黑漆做隨機(jī)散斑處理，噴涂過(guò)程盡可能均勻，保證最后制作出優(yōu)良的人工散斑，如圖2所示。

礦柱是支撐地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，近似處于一維受壓應(yīng)力狀態(tài)(圖3)，故可通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)探究其破壞特征[4-5]。本次試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。采用WDW-100E萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，該設(shè)備最大軸向荷載為100 kN，測(cè)量精度為0.5%。試驗(yàn)加載采用位移控制方式，加載速率設(shè)置為0.3 mm/min。試驗(yàn)時(shí)，采用圖像分辨率為2 592×1 944像素的工業(yè)相機(jī)，對(duì)試件表面進(jìn)行散斑圖像采集，采集速率設(shè)置為1張/s。試驗(yàn)前，保證加載設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備的時(shí)間一致。

圖3 含裂隙的礦柱[3]Fig.3 A pillar containing flaw[3]

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of experimental system

1.2 圖像灰度特征參數(shù)

灰度是描述像素敏感程度的整數(shù)量，反映了圖像色度或亮度等級(jí)的分布特征[18]?；叶鹊燃?jí)可劃分為0～255，圖像中像素點(diǎn)越白，相應(yīng)的灰度級(jí)越高，反之灰度級(jí)越低。依據(jù)數(shù)字圖像處理理論[19]，灰度直方圖定義為不同灰度等級(jí)概率密度的分布函數(shù)，其積分函數(shù)稱為累計(jì)分布函數(shù)，反映了圖像中某灰度等級(jí)與其出現(xiàn)頻率之間的關(guān)系?；叶戎狈綀D的橫坐標(biāo)為灰度等級(jí)，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)灰度級(jí)在圖像中出現(xiàn)的頻數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中，pr(k)為k灰度級(jí)出現(xiàn)的概率；k為灰度級(jí);nk為灰度級(jí)為k的像素點(diǎn)個(gè)數(shù);n為像素點(diǎn)總數(shù)。

筆者對(duì)應(yīng)變場(chǎng)云圖的灰度直方圖進(jìn)行計(jì)算，采用均值、標(biāo)準(zhǔn)差、三階矩、平滑度、一致性以及熵6種灰度特征參數(shù)定量描述其灰度特征[20]。

(1)灰度均值m，表示圖像的平均灰度值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

(2)灰度標(biāo)準(zhǔn)差σ，表示圖像灰度的離散程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

(3)灰度三階矩μ，表示圖像灰度分布的不對(duì)稱程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4)

(4)灰度平滑度R，表示圖像灰度集中于均值附近的程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

(5)灰度一致性U，表示圖像灰度分布的統(tǒng)一程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(6)

(6)灰度熵h，表示灰度分布的不均勻、混亂程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

1.3 圖像紋理特征參數(shù)

在圖像空間中，一定距離內(nèi)的2個(gè)像素之間存在一定的灰度關(guān)系，即圖像中灰度的空間相關(guān)特性。它們呈現(xiàn)出的某種規(guī)律變化，形成了紋理特征。目前，提取紋理特征的方法很多[21]，灰度共生矩陣(Gray Level Co-occurrence Matrix，GLCM)對(duì)描述紋理有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性[22]，故本文采取灰度共生矩陣提取紋理特征。

基于GLCM，筆者采用對(duì)比度、相關(guān)性、角二階矩以及熵4種紋理特征參數(shù)定量描述應(yīng)變場(chǎng)云圖的紋理特征[23-24]。

(1)紋理對(duì)比度Con，表示圖像中相鄰像素點(diǎn)間的灰度級(jí)差異，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(8)

式中，矩陣P(i,j,d,θ)為像素點(diǎn)(x,y)的所有θ方向，相鄰間隔為d的像素對(duì)中1個(gè)取i值，另1個(gè)取j值的相鄰像素對(duì)出現(xiàn)的次數(shù)。

(2)紋理相關(guān)性Cor，表示圖像中相鄰像素點(diǎn)間灰度級(jí)的相似程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9)

(3)紋理角二階矩ASM，表示像素灰度級(jí)分布的均勻程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(10)

(4)紋理熵H，表示像素灰度級(jí)的復(fù)雜程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(11)

為了抑制方向分量，使計(jì)算的紋理特征與方向無(wú)關(guān)，通常引入4個(gè)方向(θ一般取0°，45°，90°和135°)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差[25]來(lái)表示，本文采用標(biāo)準(zhǔn)差S表征紋理特征:

(12)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

單軸壓縮作用下3種裂隙傾角的砂巖試件以及完整砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。表1列出了對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力σc和彈性模量E，從表1可以看出，裂隙砂巖試件的極限承載力顯著低于完整砂巖試件(σc=75.05 MPa)，這說(shuō)明預(yù)制裂隙的存在改變了巖石的力學(xué)響應(yīng)。以加載前的數(shù)字散斑圖像為參考圖像，采用數(shù)字圖像相關(guān)軟件Ncorr[26]進(jìn)行計(jì)算，得到試件加載全過(guò)程的應(yīng)變場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，各裂隙傾角試件變形破裂過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律大致相似;相比于其他類型的應(yīng)變場(chǎng)，水平應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律最為明顯。限于篇幅，以β=45°砂巖試件的水平應(yīng)變場(chǎng)灰度和紋理分析結(jié)果作為典型進(jìn)行分析。結(jié)合WONG等[1]以及MIAO等[27]對(duì)裂紋類型的劃分(圖6)，本次試驗(yàn)主要觀察到張拉裂紋和剪切裂紋，分別記為T(mén)和S。圖7和8分別為5種應(yīng)力水平下的典型裂隙砂巖試件(β=45°)裂紋擴(kuò)展和水平應(yīng)變場(chǎng)云圖(拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù))。

圖6 裂紋類型示意[1,27]Fig.6 Schematic diagram of crack patterns[1,27]

圖7 加載過(guò)程典型裂隙砂巖試件裂紋擴(kuò)展Fig.7 Crack propagations of typical fractured sandstone specimen during loading process

圖8 加載過(guò)程典型裂隙砂巖試件水平應(yīng)變場(chǎng)Fig.8 Horizontal strain fields of typical fractured sandstone specimen during loading process

2.1 應(yīng)變場(chǎng)和灰度直方圖演化規(guī)律

將水平應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)化為灰度圖像，而后進(jìn)行二值化處理，最后利用Matlab自編程序，求解灰度圖像對(duì)應(yīng)的灰度直方圖。圖9為不同應(yīng)力水平下的典型裂隙砂巖試件(β=45°)灰度直方圖以及頻率峰值變化曲線。

由圖7～9可以看出：① 當(dāng)加載至0.08σc，應(yīng)變場(chǎng)分布較均勻，如圖8(a)所示;對(duì)應(yīng)的灰度直方圖表現(xiàn)為“矮胖”型(峰值頻率約為0.019)，此時(shí)像素點(diǎn)灰度大部分集中在灰度區(qū)間中部，如圖9(a)所示。② 當(dāng)加載至0.30σc，此時(shí)試件處于彈性變形狀態(tài)，未出現(xiàn)新生裂紋，如圖7(b)所示;但從應(yīng)變場(chǎng)云圖上可以看出，應(yīng)變集中區(qū)已在預(yù)制裂隙周圍形成，裂隙尖端處的應(yīng)變值最大(圖8(b))，遠(yuǎn)大于其他區(qū)域的應(yīng)變，成為最薄弱的部位，易萌生裂紋;對(duì)應(yīng)的灰度直方圖基本維持不變，如圖9(b)所示。③ 當(dāng)加載至0.93σc，預(yù)制裂隙尖端出現(xiàn)張拉裂紋，其擴(kuò)展方向大致與軸向壓應(yīng)力方向平行，如圖7(c)所示，與WONG等[1]以及MIAO等[27]對(duì)張拉裂紋的分類結(jié)果吻合(圖6(a));裂隙及新生裂紋周邊產(chǎn)生應(yīng)變局部化帶(圖8(c))，此時(shí)，灰度直方圖中峰值頻率增加為0.032，應(yīng)變場(chǎng)灰度整體向高灰度級(jí)方向移動(dòng)，如圖9(c)所示。④ 當(dāng)加載至0.95σc～1.00σc階段，出現(xiàn)剪切裂紋，與WONG等[1]、MIAO等[27]對(duì)剪切裂紋的分類結(jié)果吻合(圖6(b));應(yīng)變局部化帶也隨之發(fā)生改變，沿試件對(duì)角方向快速發(fā)展如圖8(d),(e)所示，此時(shí)應(yīng)變場(chǎng)灰度直方圖中峰值頻率增加至0.054，從“矮胖”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤案呤荨毙?，?yīng)變場(chǎng)灰度整體表現(xiàn)為向更高等級(jí)的灰度方向移動(dòng)，如圖9(d),(e)所示。

圖9 加載過(guò)程典型裂隙砂巖試件應(yīng)變場(chǎng)灰度直方圖Fig.9 Gray scale histograms of strain fields of typical fractured sandstone specimen during loading process

2.2 灰度與紋理特征參數(shù)演化規(guī)律

計(jì)算加載過(guò)程中灰度圖像的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、三階矩、平滑度、一致性以及熵6種灰度特征參數(shù);為便于比較分析，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行最大最小值歸一化處理。典型裂隙砂巖試件(β=45°)計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

將上述灰度圖像轉(zhuǎn)化為灰度共生矩陣，分別計(jì)算0°，45°，90°和135°方向?qū)?yīng)的對(duì)比度、相關(guān)性、角二階矩和熵4種紋理特征參數(shù)。為了抑制方向分量的影響，求解4個(gè)方向紋理特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行最大最小值歸一化處理。典型裂隙砂巖試件(β=45°)計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖10 典型裂隙砂巖試件灰度特征參數(shù)-時(shí)間曲線Fig.10 Gray feature parameters-time curves of typical fractured sandstone specimen

圖11 典型裂隙砂巖試件紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線Fig.11 Texture feature parameters-time curves of typical fractured sandstone specimen

由圖10和11可以看出，典型裂隙砂巖試件(β=45°)的灰度/紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線可大致劃分為3個(gè)階段:① 波動(dòng)段(階段I:1～89 s)，試件處于微缺陷壓密階段，此時(shí)形成早期的非線性變形，反映在灰度/紋理特征參數(shù)上表現(xiàn)為大幅波動(dòng)。② 平穩(wěn)段(階段II:90～198 s)，試件進(jìn)入彈性變形狀態(tài)，試件表面各像素點(diǎn)的灰度/紋理特征參數(shù)雖然仍在變化，但整體分布趨于穩(wěn)定，相應(yīng)的紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線呈現(xiàn)出平穩(wěn)化趨勢(shì)。③ 突變段(階段III:199～235 s)，該階段開(kāi)始時(shí)，試件內(nèi)部萌生張拉裂紋(圖10,11中標(biāo)識(shí)點(diǎn)A)，相應(yīng)的灰度/紋理特征參數(shù)產(chǎn)生突變，標(biāo)識(shí)點(diǎn)A1,A2,A3;伴隨著新生裂紋的繼續(xù)產(chǎn)生和擴(kuò)展，特征參數(shù)再次突變;試件最終破壞時(shí)(圖10,11中標(biāo)識(shí)點(diǎn)B)，曲線表現(xiàn)為近乎陡立，標(biāo)識(shí)點(diǎn)B1,B2,B3。

結(jié)合上述分析可知，灰度特征參數(shù)-時(shí)間曲線和紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線變化趨勢(shì)有一定的相似性，故計(jì)算兩者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)確定其相關(guān)程度?？紤]到波動(dòng)段變化規(guī)律不明顯，所以只對(duì)平穩(wěn)段和突變段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。3種裂隙傾角的砂巖試件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～4,可以看出，90.28%的皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.5，說(shuō)明絕大部分灰度特征參數(shù)與紋理特征參數(shù)變化存在顯著或高度的相關(guān)關(guān)系。

表2 β=30°時(shí)應(yīng)變場(chǎng)灰度與紋理特征參數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson’s correlation coefficients of gray and texture feature parameters of strain fields for β=30°

表3 β=45°時(shí)應(yīng)變場(chǎng)灰度與紋理特征參數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson’s correlation coefficients of gray and texture feature parameters of strain fields for β=45°

表4 β=60°時(shí)應(yīng)變場(chǎng)灰度與紋理特征參數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson’s correlation coefficients of gray and texture feature parameters of strain fields for β=60°

3 討 論

3.1 灰度與紋理特征參數(shù)突變機(jī)制及前兆點(diǎn)識(shí)別

裂隙砂巖試件的灰度/紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線在突變段表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性和趨勢(shì)性。根據(jù)張拉裂紋出現(xiàn)時(shí)(對(duì)應(yīng)于圖10和11中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)A)，灰度/紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線不同的趨勢(shì)變化，可將特征參數(shù)劃分為:增長(zhǎng)型、降低型以及變異不明顯型3種，分別對(duì)應(yīng)于標(biāo)識(shí)點(diǎn)A1,A2,A3。其中，灰度標(biāo)準(zhǔn)差、灰度平滑度、灰度三階矩、灰度熵、紋理熵、紋理對(duì)比度以及紋理角二階距屬于增長(zhǎng)型特征參數(shù)，灰度一致性和紋理相關(guān)度屬于降低型特征參數(shù)，而灰度均值屬于變異不明顯型特征參數(shù)。產(chǎn)生上述突變現(xiàn)象的原因是由于伴隨著宏觀裂紋的突然出現(xiàn)，試件抗力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在應(yīng)變場(chǎng)上表現(xiàn)為新生裂紋處產(chǎn)生應(yīng)變局部化帶，導(dǎo)致應(yīng)變場(chǎng)云圖的灰度及紋理特征也隨之發(fā)生突變。① 灰度標(biāo)準(zhǔn)差、灰度平滑度、灰度三階矩以及灰度熵與灰度分布的不均勻程度呈正相關(guān)關(guān)系;紋理角二階矩、紋理對(duì)比度以及紋理熵與紋理的混亂程度呈正相關(guān)關(guān)系;所以，在裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程中，這些特征參數(shù)表現(xiàn)為增長(zhǎng)型。② 灰度一致性則表示灰度分布的均勻程度，圖像的像素點(diǎn)灰度值越趨于一致，對(duì)應(yīng)的數(shù)值最大，故灰度一致性與灰度分布的不均勻程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;紋理相關(guān)性表示圖像中相鄰像素點(diǎn)間灰度級(jí)的相似程度，其與紋理局部變化差異呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;所以，在試件變形破裂過(guò)程中，這些特征參數(shù)表現(xiàn)為降低型。③ 灰度均值只能反映圖像的整體灰度等級(jí)，對(duì)于局部灰度變化并不敏感，研究結(jié)果與毛靈濤等[28]對(duì)混凝土CT圖像的灰度均值變化趨勢(shì)類似。

從上述分析可以看出，灰度標(biāo)準(zhǔn)差、灰度平滑度、灰度三階矩、灰度熵、灰度一致性、紋理熵、紋理對(duì)比度、紋理角二階矩以及紋理相關(guān)度等特征參數(shù)在突變段起始處會(huì)出現(xiàn)陡變現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)于宏觀裂紋起裂，可將其視為前兆點(diǎn)。分別統(tǒng)計(jì)3種裂隙砂巖試件前兆點(diǎn)對(duì)應(yīng)的前兆應(yīng)力、前兆時(shí)間、前兆應(yīng)力/峰值應(yīng)力比和前兆/最終破壞時(shí)間比，見(jiàn)表5。對(duì)于同一試件，這些灰度/紋理特征參數(shù)前兆點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和時(shí)間均一致。

表5 基于應(yīng)變場(chǎng)灰度與紋理特征參數(shù)演化規(guī)律的前兆點(diǎn)Table 5 Precursory points based on the evolution law of gray and texture feature parameters of strain fields

由表5可知，裂隙砂巖試件的前兆/峰值應(yīng)力比為0.83～0.97，前兆/最終破壞時(shí)間比為0.85～0.95，所以前兆點(diǎn)均在巖體臨近最終破壞時(shí)出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于影響巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵破壞事件，可將其作為礦柱失穩(wěn)的預(yù)警信號(hào);而應(yīng)變局部化帶的產(chǎn)生位置則預(yù)示著礦柱出現(xiàn)破壞的相應(yīng)部位。需要指出的是，本文著重于提出一種識(shí)別裂隙巖體最終破壞前的異常前兆的方法，表5的結(jié)論是基于不同裂隙傾角的砂巖試件室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，而影響前兆應(yīng)力和前兆時(shí)間的因素有很多，如巖性、礦物成分、裂隙特征等。但有一點(diǎn)可以明確，巖體一旦出現(xiàn)前兆點(diǎn)，表明其物理力學(xué)特性已經(jīng)產(chǎn)生了重大變化。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論還需要大量不同巖性的裂隙巖石試件來(lái)進(jìn)一步佐證。另外，若將本文的小尺度試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于巖體工程災(zāi)害預(yù)警，還需進(jìn)一步研究前兆點(diǎn)的尺度效應(yīng)。

3.2 裂隙巖體與完整巖石計(jì)算結(jié)果的區(qū)別

本文還計(jì)算加載過(guò)程中完整砂巖試件的6種灰度特征參數(shù)和4種紋理特征參數(shù)，對(duì)上述參數(shù)同樣進(jìn)行最大最小值歸一化處理，與裂隙砂巖試件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。完整砂巖試件的灰度/紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線可大致分為:波動(dòng)段(階段I)，平穩(wěn)段(階段II)以及持續(xù)變化段(階段III)。完整砂巖試件階段I和II的變化特征與裂隙砂巖試件類似;而后，灰度/紋理特征參數(shù)并未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，如圖12所示，灰度標(biāo)準(zhǔn)差、灰度平滑度、灰度熵、紋理熵、紋理對(duì)比度表現(xiàn)為持續(xù)增長(zhǎng)，灰度一致性則表現(xiàn)為持續(xù)降低，其余參數(shù)屬于變異不明顯型，這是因?yàn)橄啾扔谕暾麕r石，預(yù)制裂隙的存在導(dǎo)致受荷裂隙巖體的變形不連續(xù)性更為顯著。階段II和階段III之間的分界處可視為前兆點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的前兆應(yīng)力、前兆時(shí)間、前兆應(yīng)力/峰值應(yīng)力比和前兆/最終破壞時(shí)間比見(jiàn)表5。

圖12 完整砂巖試件灰度與紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線Fig.12 Gray and texture feature parameters-time curves of intact sandstone specimen

本文提出的6種灰度特征參數(shù)和4種紋理特征參數(shù)對(duì)加載過(guò)程中裂隙巖體和完整巖石的應(yīng)變場(chǎng)變化特征有著不同的敏感性。建議監(jiān)測(cè)的灰度/紋理特征參數(shù)見(jiàn)表6。相比于完整巖石，灰度/紋理特征參數(shù)對(duì)裂隙巖體破裂前兆的識(shí)別能力更強(qiáng)。

表6 建議監(jiān)測(cè)的灰度/紋理特征參數(shù)Table 6 Recommended monitoring gray/texture feature parameters

4 結(jié) 論

(1)裂隙砂巖試件在裂紋起裂、擴(kuò)展以及貫通過(guò)程中表現(xiàn)出不同的應(yīng)變場(chǎng)灰度特征。從灰度直方圖上可以看出，整體從低灰度級(jí)向高灰度級(jí)方向移動(dòng)，形態(tài)方面則從“矮胖”型轉(zhuǎn)化為“高瘦”型，峰值頻率也逐漸增大，最終破壞時(shí)達(dá)到最大。

(2)根據(jù)裂隙砂巖試件應(yīng)變場(chǎng)灰度/紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線的變化特征，可將其劃分為波動(dòng)段、平穩(wěn)段以及突變段。裂紋的萌生與擴(kuò)展，在應(yīng)變場(chǎng)上表現(xiàn)為應(yīng)變局部化帶產(chǎn)生與發(fā)展，使得應(yīng)變場(chǎng)灰度及紋理特征發(fā)生突變，在應(yīng)變場(chǎng)灰度/紋理特征參數(shù)變化曲線上形成突變段。根據(jù)不同的突變段變化趨勢(shì)，將特征參數(shù)劃分為增長(zhǎng)型、降低型以及變異不明顯型。

(3)通過(guò)計(jì)算裂隙砂巖試件應(yīng)變場(chǎng)灰度特征參數(shù)與紋理特征參數(shù)之間的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)90.28%的皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值>0.5，說(shuō)明它們之間存在顯著或高度的相關(guān)關(guān)系。

(4)裂隙砂巖試件應(yīng)變場(chǎng)灰度/紋理特征參數(shù)-時(shí)間曲線的第1次突增，此時(shí)萌生張拉裂紋，可將其視為前兆點(diǎn)，用于礦柱失穩(wěn)預(yù)警;相應(yīng)的前兆/最終破壞時(shí)間比為0.83～0.97，前兆/峰值應(yīng)力比為0.85～0.95。相比于完整巖石試件，應(yīng)變場(chǎng)灰度/紋理特征參數(shù)更易于捕捉裂隙巖體的破裂前兆。

通過(guò)以上試驗(yàn)研究，應(yīng)變場(chǎng)灰度與紋理特征參數(shù)能夠很好地反應(yīng)裂隙巖體在單軸加載過(guò)程中的破裂演化特征，為礦柱失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)警提供了一種新思路?？紤]到地下工程裂隙圍巖多處于真三軸應(yīng)力環(huán)境，仍需進(jìn)一步開(kāi)展裂隙巖體真三軸應(yīng)力條件下應(yīng)變場(chǎng)灰度及紋理特征研究。