基于一種新的光學技術(shù)觀測泥質(zhì)白云巖的單軸壓縮過程

摘 要：泥質(zhì)白云巖作為一種軟巖廣泛分布于貴州各地，近年來隨著貴州建設(shè)的大力推進，其力學性質(zhì)越來越受到學者們的關(guān)注。本文采用一種新的光學技術(shù)—數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)來觀測泥質(zhì)白云巖的單軸壓縮過程，首先對數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)中的散斑制備和相機架設(shè)進行了闡述，其次對試驗結(jié)果中的應(yīng)變云圖進行了解釋。

關(guān)鍵詞：單軸壓縮；數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)；散斑制備；相機架設(shè)；應(yīng)變云圖

中圖分類號：TU454

文獻標識碼： A

目前對于巖石損傷的觀測手段有CT技術(shù)、聲發(fā)射、超聲波和掃描電鏡等。楊更社[1]通過對CT圖像進行處理，提出了一種新的損傷變量用來表示巖石的損傷演化。此外，很多學者認為[2-4]聲波通過巖石時與巖石相互作用，因此超聲波速不僅能反應(yīng)巖石的物理信息，更能反應(yīng)巖石的損傷演化。唐春安[5]、陳忠輝[6]等人在研究中發(fā)現(xiàn)巖石的聲發(fā)射變化與損傷演化具有一致性，陳忠輝[7]在此基礎(chǔ)上還提出了利用聲發(fā)射數(shù)來反應(yīng)巖石的損傷演化。倪驍慧[8]利用掃描電鏡對四川大理巖預(yù)制裂紋的演化情況進行了觀測，從宏觀角度對巖石的單軸破壞進行了定量分析。上述的這些方法有著各自的優(yōu)點和缺點，我們應(yīng)在特定的工程環(huán)境中選用適合的方法。

數(shù)字散斑相關(guān)又名DIC技術(shù)，是在20世紀80年代初由日本的山口一郎[9]和美國的Peters[10]等人同時提出來的。DIC技術(shù)是一種新的光學測量技術(shù)，具有全場、全過程、非接觸、對環(huán)境要求低、操作簡單等優(yōu)點。DIC技術(shù)的這些優(yōu)點使得其很快被運用到很多領(lǐng)域的研究中，馬世虎[11]綜合闡述了數(shù)字散斑相關(guān)方法在高聚物研究中的應(yīng)用，張喆[12]運用數(shù)字散斑相關(guān)方法測定了木材的斷裂韌性，宋海鵬[13]和張皓[14]將數(shù)字圖像相關(guān)法應(yīng)用到巖石損傷的研究中。

1 散斑制備及相機架設(shè)要求

數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)是一種非接觸式、全場、全過程測量系統(tǒng)，其系統(tǒng)由數(shù)字圖像采集、數(shù)字圖像相關(guān)分析、結(jié)果輸出幾個部分組成。硬件組成如圖1所示。數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的基本原理是利用物體變形前后的數(shù)字圖像分析出物體的變形，而散斑是物體變形的載體。

1.1 散斑制備過程

①將試樣表面進行打磨，保證試樣表面光滑平整；

②在試樣表面先噴一層白漆，噴涂要均勻且薄，間隔5～10 min后，再依次噴涂第二、三層，這樣噴涂下來的白漆較為均勻；

③在白漆上制備黑漆，本文采用的是一種新的散斑制備工具（如圖2示），由于本文所用的試樣是圓柱體，所以采用墊子來進行散斑的制備，先將墊子均勻地蘸滿墨汁，再將試樣在墊子上滾動5～10圈。

1.2 散斑制備要求（見圖3）

①散斑的黑白對比度應(yīng)越明顯越好；

②散斑的大小在5～10個像素區(qū)間時計算誤差較小，本文相機的視野為19.8 cm×14.8 cm，相機為500（2592×1944 pixel）萬像素，試樣在視野里放大約1.4倍，那么計算下來一個散斑點的大小應(yīng)在0.27～0.55 mm之間時誤差較?。?/p>

③黑點和白點的大小應(yīng)大致保持一致，且數(shù)量應(yīng)各自維持在50%左右。

1.3 相機架設(shè)的要求

①左右相機的夾角在15°～60°之間時計算誤差較小；

②左右相機的光圈和焦距應(yīng)盡量保持一致；

③相機的遠近應(yīng)以試樣大致充滿相機的視野為準。

2 泥質(zhì)白云巖單軸壓縮破壞過程

試驗所用的試樣取自貴陽市三橋附近某工地，將試樣加工打磨成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱體，使其兩個端面的平整度誤差不超過0.02 mm，且試件的側(cè)面應(yīng)光滑筆直、滿足垂直度要求。本次試驗共選取3個試樣，分別編號為A-1、A-2、A-3。利用貴州大學力學實驗室的RMT-301巖石與混凝土多功能試驗機對泥質(zhì)白云巖進行單軸壓縮試驗，試驗采用力控制，力的加載速率為0.1 KN/s。表1是對3個巖石試樣單軸壓縮結(jié)果的統(tǒng)計。如圖4所示為試樣A-1的單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可以看到曲線包括壓密階段（OA）、線彈性階段（AB）、裂紋開裂穩(wěn)定擴展階段（BC）、裂紋開裂加速擴展階段（CD）和破壞階段（D點以后）五個部分。

選取A-1試樣單軸壓縮曲線上的幾個關(guān)鍵節(jié)點（O、A、B、C、D），研究其基于DIC技術(shù)的位移云圖、應(yīng)變云圖演化過程，由于巖石最后的破壞形態(tài)為多條豎向裂紋，故本文選取主拉應(yīng)變e1來觀測巖石應(yīng)變發(fā)展情況。圖5為該試樣坐標軸設(shè)置情況，圖6為泥質(zhì)白云巖單軸壓縮曲線關(guān)鍵節(jié)點位移及應(yīng)變云圖。

如圖5所示為A-1試樣坐標軸的設(shè)置情況，圖6為單軸壓縮過程中主拉應(yīng)變的演化情況，從主拉應(yīng)變e1的演化可知，O點時，巖石的壓縮處于壓密階段，受力較小，此時從應(yīng)變云圖可知，巖石表面并沒有出現(xiàn)損傷集中帶；當受力增大到A點時，巖石即將進入線彈性階段，此時在巖石的右上角出現(xiàn)了損傷集中區(qū)域，但此時的損傷集中區(qū)域較??；隨著受力繼續(xù)增大，B、C、D三點處的損傷集中越來越明顯，且損傷集中區(qū)域不斷向下延伸，當受力達到D點時，巖石即將破壞，此時巖石右上角的損傷已充分累積，巖石的右上角最先出現(xiàn)破裂，可見表觀應(yīng)變的演化情況能準確地預(yù)測出巖石裂縫的發(fā)展情況。

3 結(jié)論

（1）給出了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)中的散斑制備要求、散斑制備過程以及相機架設(shè)要求。

（2）對數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)中的應(yīng)變云圖做出解釋，結(jié)果表明應(yīng)變云圖能很好地反應(yīng)巖石裂紋的發(fā)展情況。

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[13]宋海鵬.數(shù)字圖像相關(guān)方法及其在材料損傷破壞實驗中的應(yīng)用[D].天津：天津大學，2013.

[14]張皓.準脆性材料損傷演化的實驗力學研究[D].天津：天津大學，2014.

（責任編輯：曾 晶）