·304 工程科学学报，第40卷，第3期 最大能够产生5kN荷载，前进速度为1~100mm· 加载双向流动光弹试验.试验设备及其使用方法详 min-,最大进程为200mm,可以通过位移控制或荷 见文献16-17]. 载控制来确定加载方式.试样容器由钢制边框和钢 使用设备分别获取无偏振镜和有偏振镜时 化玻璃组成，可沿右侧门轴转动打开，通过顶部3 的图像，如图1所示.之后工作主要分为两个部分， mm宽的缝隙将颗粒放入试样容器内部.把试样容 第一部分是用无偏振镜下的图像获取每个颗粒位置 器的底部和右侧的钢制边框加工成连通槽，各由11 和颗粒间接触关系.第二部分是用有偏振镜下的图 个独立钢板挡住，可根据试验具体需要打开挡板，释 像获取每个颗粒的平均接触力，统计力链分布方位 放颗粒.不同的挡板打开或闭合，由排列组合知，该 角及力链强度，从而直观体现颗粒物质体系内部力 装置至少可以模拟1.32×102种不同工况下的双轴 链构造. 图1光弹试验图像.(a)无偏振镜：(b)有偏振镜 Fig.1 Images of photoelastic experiment:(a)image without polarizer:(b)image with polarizer 1.2颗粒材料 表1 Lexan*9030聚碳酸酯板性质参数 本试验使用的颗粒是用Lexan*9030透明聚碳 Table 1 Parameters of properties for Lexan*9030 PC 酸酯板加工而成的，该材料具有良好的透光性和高 性质参数 数值 测试方法 抗冲击性能，易于加工和成型而不会发生破裂.试 密度/(gcm3) 1.20 IS01183 验颗粒尺寸分为4种，分别是8mm×3mm、10 泊松比 0.38 ASTM-D638 mm×3mm、中12mm×3mm的圆柱体颗粒和10mm 抗拉屈服强度/MPa 60 IS0527 ×10mm×3mm的长方体颗粒.试验时用圆形颗粒 抗拉破坏强度/MPa 70 IS0527 模拟相对松散地层，为了避免圆形颗粒因为规律排 弹性模量/MPa 2300 IS0527 列而形成密致结构（即晶体化现象），因此将大、中、 抗弯屈服强度/MPa 90 IS0178 小3种圆形颗粒按照2：9：5的比例均匀混合后再填 挠曲模量/MPa 2300 IS0178 入试样容器中.此外，颗粒在加工过程中会形成残 维卡软化温度/℃ 145 IS0306 余应力，需要通过退火消除残余应力，不同材质和尺 热变形温度/℃ 127 IS075 寸的颗粒的退火过程一般不同.该材料的退火保温 适用于计算少量颗粒受力状况.本文采用的计算颗 温度一般在118~125℃，低于材料的热变形温度. 粒间平均接触力的方法是彩色梯度均方值(G)法， Lexan*9030透明聚碳酸酯板的性质如表1所 该方法不依据颗粒内部条纹级数的具体分布，而是 示 重点考虑单个颗粒内部光强梯度.对于由较多颗粒 1.3接触力计算方法 构成的体系，只需要精确定位每个颗粒位置并计算 通过条纹级数n和条纹延伸方向可以确定主应 每个像素点的光强，即可以处理多颗粒接触力问题. 力差值及其方向，再结合弹性力学解析方法（如侧 在介绍彩色梯度均方值法之前，先介绍灰度梯 向应变法、二向剪应力差法、斜射法和数解法等)， 度均方值法.该方法定义了灰度梯度均方值的概 可以求得该点的主应力大小及其方向 念：灰度图像每一个像素点(i,)均有一个自己的灰 但实际上，由于这种方法需要逐个颗粒进行计 度值1，，取值范围为0~255，亮度由深至浅，0表示 算，工作量巨大且受精度限制，所以这种方法一般只 黑色，255表示白色.每个像素点的灰度值与周围8工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 最大能够产生 5 kN 荷载，前进速度为 1 ～ 100 mm· min － 1，最大进程为 200 mm，可以通过位移控制或荷 载控制来确定加载方式． 试样容器由钢制边框和钢 化玻璃组成，可沿右侧门轴转动打开，通过顶部 3 mm 宽的缝隙将颗粒放入试样容器内部． 把试样容 器的底部和右侧的钢制边框加工成连通槽，各由 11 个独立钢板挡住，可根据试验具体需要打开挡板，释 放颗粒． 不同的挡板打开或闭合，由排列组合知，该 装置至少可以模拟 1. 32 × 1042种不同工况下的双轴 加载双向流动光弹试验． 试验设备及其使用方法详 见文献［16--17］． 使用设备［16］分别获取无偏振镜和有偏振镜时 的图像，如图 1 所示． 之后工作主要分为两个部分， 第一部分是用无偏振镜下的图像获取每个颗粒位置 和颗粒间接触关系． 第二部分是用有偏振镜下的图 像获取每个颗粒的平均接触力，统计力链分布方位 角及力链强度，从而直观体现颗粒物质体系内部力 链构造． 图 1 光弹试验图像． ( a) 无偏振镜; ( b) 有偏振镜 Fig． 1 Images of photoelastic experiment: ( a) image without polarizer; ( b) image with polarizer 1. 2 颗粒材料 本试验使用的颗粒是用 Lexan* 9030 透明聚碳 酸酯板加工而成的，该材料具有良好的透光性和高 抗冲击性能，易于加工和成型而不会发生破裂． 试 验颗粒尺寸分为 4 种，分别是 8 mm × 3 mm、10 mm × 3 mm、12 mm × 3 mm 的圆柱体颗粒和 10 mm × 10 mm × 3 mm 的长方体颗粒． 试验时用圆形颗粒 模拟相对松散地层，为了避免圆形颗粒因为规律排 列而形成密致结构( 即晶体化现象) ，因此将大、中、 小 3 种圆形颗粒按照 2∶ 9∶ 5的比例均匀混合后再填 入试样容器中． 此外，颗粒在加工过程中会形成残 余应力，需要通过退火消除残余应力，不同材质和尺 寸的颗粒的退火过程一般不同． 该材料的退火保温 温度一般在 118 ～ 125 ℃，低于材料的热变形温度． Lexan* 9030 透明聚碳酸酯板的性质如表 1 所 示． 1. 3 接触力计算方法 通过条纹级数 n 和条纹延伸方向可以确定主应 力差值及其方向，再结合弹性力学解析方法( 如侧 向应变法、二向剪应力差法、斜射法和数解法等) ， 可以求得该点的主应力大小及其方向． 但实际上，由于这种方法需要逐个颗粒进行计 算，工作量巨大且受精度限制，所以这种方法一般只 表 1 Lexan* 9030 聚碳酸酯板性质参数 Table 1 Parameters of properties for Lexan* 9030 PC 性质参数 数值 测试方法 密度/( g·cm － 3 ) 1. 20 ISO1183 泊松比 0. 38 ASTM--D638 抗拉屈服强度/MPa 60 ISO527 抗拉破坏强度/MPa 70 ISO527 弹性模量/MPa 2300 ISO527 抗弯屈服强度/MPa 90 ISO178 挠曲模量/MPa 2300 ISO178 维卡软化温度/℃ 145 ISO306 热变形温度/℃ 127 ISO75 适用于计算少量颗粒受力状况． 本文采用的计算颗 粒间平均接触力的方法是彩色梯度均方值( G2 ) 法， 该方法不依据颗粒内部条纹级数的具体分布，而是 重点考虑单个颗粒内部光强梯度． 对于由较多颗粒 构成的体系，只需要精确定位每个颗粒位置并计算 每个像素点的光强，即可以处理多颗粒接触力问题． 在介绍彩色梯度均方值法之前，先介绍灰度梯 度均方值法． 该方法定义了灰度梯度均方值的概 念: 灰度图像每一个像素点( i，j) 均有一个自己的灰 度值 Ii，j ，取值范围为 0 ～ 255，亮度由深至浅，0 表示 黑色，255 表示白色． 每个像素点的灰度值与周围 8 · 403 ·