千眼狼（Revealer）高速3D-DIC助力凝灰?guī)r干濕循環(huán)機(jī)理研究：為巖石力學(xué)DIC系統(tǒng)選型提供參考

　　在巖石力學(xué)與邊坡工程研究中，如何精準(zhǔn)捕捉巖石在復(fù)雜環(huán)境下的變形與破壞過程，一直是學(xué)者們關(guān)注的核心問題。地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員采用千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統(tǒng)，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)AE技術(shù)，對(duì)凝灰?guī)r在干濕循環(huán)作用下的損傷演化規(guī)律開展了系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，為巖石力學(xué)領(lǐng)域的DIC技術(shù)應(yīng)用提供了典型案例。

　　一、研究背景：為什么巖石力學(xué)研究需要3D-DIC系統(tǒng)

　　多雨山區(qū)高速公路及邊坡工程中，凝灰?guī)r等火山碎屑巖因反復(fù)失水與吸水經(jīng)歷干濕循環(huán)，導(dǎo)致力學(xué)性能劣化，內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗(yàn)依賴應(yīng)變片或位移計(jì)，難以捕捉巖石表面的非均勻變形與裂紋萌生全過程。因此，在巖石破壞機(jī)理研究中，越來越多科研團(tuán)隊(duì)開始引入三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（3D-DIC），通過高速攝像機(jī)對(duì)試樣表面散斑圖像進(jìn)行連續(xù)采集，實(shí)時(shí)反演巖石的三維位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)分布。

　　本研究中，科研團(tuán)隊(duì)采用千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統(tǒng)同步結(jié)合聲發(fā)射（AE）監(jiān)測(cè)，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下凝灰?guī)r的裂紋演化過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

　　二、試驗(yàn)設(shè)備：千眼狼（Revealer）3D-DIC系統(tǒng)價(jià)值

　　本研究試驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成：

　　1、單軸加載系統(tǒng)：采用DYT-50多場(chǎng)耦合干濕循環(huán)滲透試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮加載，用于模擬巖石在實(shí)際工程中的受力環(huán)境。

　　2、聲發(fā)射（AE）系統(tǒng)：用于監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的彈性波信號(hào)，可分析裂紋活動(dòng)成都與損傷演化階段。

　　3、高速3D-DIC系統(tǒng)（核心設(shè)備）：

　　試驗(yàn)采用千眼狼（Revealer）3D-DIC系統(tǒng)，由兩臺(tái)Revealer M230高速攝像機(jī)組成雙目立體測(cè)量系統(tǒng)，通過圖像匹配算法計(jì)算試驗(yàn)表面的三維位移場(chǎng)、XY方向應(yīng)變場(chǎng)。相比普通DIC設(shè)備，千眼狼（Revealer）3D-DIC系統(tǒng)具備以下特征：

　　●高速成像能力，適用于巖石破壞瞬態(tài)過程

　　●三維應(yīng)變測(cè)量精度更高

　　●穩(wěn)定的全場(chǎng)變形計(jì)算能力

　　●適配巖石力學(xué)與材料破壞研究

圖1 高速3D-DIC測(cè)試系統(tǒng)示意圖

　　三、試驗(yàn)過程：高速3D-DIC巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)流程

　　1、試樣準(zhǔn)備：將采集高速公路邊坡的凝灰?guī)r加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體，按6組干濕循環(huán)次數(shù)（0、1、5、10、15、20次），每組5個(gè)試樣，制備共30個(gè)圓柱體。

　　2、散斑制作：試樣表面先噴涂白色啞光底漆，再噴涂黑色啞光漆形成隨機(jī)散斑，確保DIC系統(tǒng)可準(zhǔn)確追蹤表面點(diǎn)位移。干燥后安裝試樣，調(diào)整高速攝像機(jī)位置、光圈和焦距，確保成像清晰。標(biāo)定后開始加載。

　　3、加載與同步采集：?jiǎn)屋S壓縮以位移控制加載，千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)M230持續(xù)采集試樣表面圖像，千眼狼（Revealer）3D-DIC系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算三維位移場(chǎng)并反演應(yīng)變場(chǎng)，全程記錄直至試樣破壞。

　　四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)：3D-DIC揭示裂紋演化全過程

　　千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統(tǒng)完整記錄了不同干濕循環(huán)次數(shù)下凝灰?guī)r試樣的位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)演化過程。

　　1、未經(jīng)干濕循環(huán)（0次）的試樣演化：如圖2所示。加載初期即裂紋閉合階段與線彈性階段（對(duì)應(yīng)第1、2列云圖），位移場(chǎng)分布均勻，應(yīng)變場(chǎng)無明顯異常，表明內(nèi)部微裂紋尚未擴(kuò)展；進(jìn)入穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段后（第3列云圖），試樣中部逐漸形成局部應(yīng)變集中區(qū)域，對(duì)應(yīng)微裂紋的萌生；該集中區(qū)在峰值階段迅速?gòu)?qiáng)化并發(fā)展為貫通性主裂紋，裂紋路徑基本沿軸向展開，破壞模式呈典型的拉伸破壞特征。

圖2  0次干濕循環(huán)次數(shù)下位移場(chǎng)與XY方向應(yīng)變場(chǎng)演化

　　2、10次干濕循環(huán)的試樣演化：如圖3所示。前2階段演化類同0次試樣，進(jìn)入穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段（第3列云圖），即可觀察到較早出現(xiàn)的應(yīng)變局部化現(xiàn)象，范圍較0次循環(huán)明顯擴(kuò)大。峰值階段（第4列云圖），主裂紋兩側(cè)出現(xiàn)明顯次生裂紋，應(yīng)變場(chǎng)呈現(xiàn)多條帶狀分布，位移場(chǎng)開始出現(xiàn)不對(duì)稱特征，表明內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化使裂紋擴(kuò)展路徑更加復(fù)雜。

圖3  10次干濕循環(huán)次數(shù)下位移場(chǎng)與XY方向應(yīng)變場(chǎng)演化

　　3、15次干濕循環(huán)的試樣演化：如圖4所示。應(yīng)變場(chǎng)的演化過程呈現(xiàn)更為顯著的損傷特征，在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段應(yīng)變集中區(qū)域更早形成；峰值階段形成的裂紋帶呈現(xiàn)一定傾斜角度與分叉現(xiàn)象，應(yīng)變集中區(qū)域分布更加離散，顯示破壞模式由張-拉主導(dǎo)向張-剪混合破壞模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖4  15次干濕循環(huán)次數(shù)下位移場(chǎng)與XY方向應(yīng)變場(chǎng)演化

　　5、損傷形態(tài)對(duì)比：如圖5所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，主裂紋通道的次生裂紋數(shù)量顯著增加，幾何形態(tài)由簡(jiǎn)單裂向向多分支、多方向擴(kuò)展轉(zhuǎn)變，代表宏觀破壞模式由單一貫通型向復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)演化。

圖5 0次-10次-15次不同干濕循環(huán)次數(shù)下峰值階段損傷對(duì)比圖

　　五、試驗(yàn)結(jié)論：高速3D-DIC在巖石力學(xué)研究中的價(jià)值

　　本次研究利用高速3D-DIC技術(shù)對(duì)凝灰?guī)r在干濕循環(huán)后的單軸壓縮破壞過程進(jìn)行了全場(chǎng)位移與應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并結(jié)合AE分析后結(jié)論如下：

　　I. 基于千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統(tǒng)不僅可揭示干濕循環(huán)作用下裂紋萌生時(shí)間提前與應(yīng)變局部化增強(qiáng)特征，而且通過位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的空間分布變化，可視化呈現(xiàn)裂紋路徑復(fù)雜化和破壞機(jī)制演變過程。

　　II. 高速3D-DIC觀測(cè)結(jié)果與AE演化趨勢(shì)高度一致（穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段對(duì)應(yīng)AE計(jì)數(shù)增加，峰值應(yīng)力前對(duì)應(yīng)AE能量激增和b值下降），驗(yàn)證其在巖石力學(xué)研究中的可靠性。表面應(yīng)變場(chǎng)與內(nèi)部損傷信號(hào)的協(xié)同分析，為深入理解干濕循環(huán)作用下凝灰?guī)r的力學(xué)行為提供有效測(cè)量工具。

　　III. 基于3D-DIC揭示的裂紋演化特征，為后續(xù)建立損傷退化模型提供試驗(yàn)依據(jù)，表明高速3D-DIC在巖石力學(xué)與工程安全評(píng)估中具有廣闊應(yīng)用前景。

　　本次研究的學(xué)術(shù)詳情可查詢：doi: 10.1063/5.0273697。千眼狼（Revealer）3D-DIC 系統(tǒng)在試驗(yàn)中的表現(xiàn)證明其是巖石力學(xué)研究中干濕循環(huán)損傷監(jiān)測(cè)、裂紋演化分析的有效工具。

　　轉(zhuǎn)自：鷹潭新聞網(wǎng)

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