基于現(xiàn)代測試技術的危巖力學性能實驗研究

米紅林，納曼·麥麥提，色麥爾江·麥麥提玉蘇普，楊曉東

(1.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844008; 2.上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418)

0 引 言

喀喇昆侖公路地處祖國最西部，通過紅其拉甫口岸到達巴基斯坦境內，公路所處位置地勢海拔高，沿途陡崖邊坡危巖多，地質條件復雜，經(jīng)常發(fā)生山體滑坡、落石等自然災害，鑒于喀喇昆侖公路戰(zhàn)略的重要性以及區(qū)域位置較為偏遠，對這一地域的地質調查和開展學術研究具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，本文依托南疆喀什大學新建的土木工程學院開展一系列的巖樣力學性能的實驗研究。不僅對這一區(qū)域巖石多樣性有了初步了解，而且對其中部分巖石通過采集到實驗室進行力學基礎實驗研究，可以對該區(qū)域巖石的力學性能進行了解，為這一區(qū)域巖石力學性能研究積累研究數(shù)據(jù)。

巖石力學性能研究的實驗應力分析方法可以對被測對象在外力作用下的響應進行識別和測量，進而評估構件及結構的強度、剛度、穩(wěn)定性，為結構設計優(yōu)化提供參考，為現(xiàn)有結構安全評估提供依據(jù)。研究人員針對不同區(qū)域、不同工程進行了巖石力學性能的研究，包括理論研究、實驗研究、破壞實驗以及無損檢測[1-2]。文獻[3]采用貼應變片的電測法作為監(jiān)測手段，對剪切裂紋形成演化規(guī)律及進一步誘發(fā)的破壞形式進行了實驗研究，得到了試件表面觀測點應力演化規(guī)律，在此基礎上分析了不等壓條件下剪切裂紋的發(fā)生機理。實驗應力分析方法主要有光彈性法、云紋法、電阻應變計殘余應力法[4]，隨著激光和計算機技術的發(fā)展，實驗應力分析方法又出現(xiàn)了云紋干涉法、電子散斑干涉法、數(shù)字圖像相關法等實驗方法。在諸多的實驗應力方法中，光彈性法可以直接獲得主應力差的條紋。云紋干涉法對制作光柵要求較高，所測靈敏度也高，文獻[5-6]采用云紋干涉技術結合鉆孔法、環(huán)芯及切槽進行殘余變形和殘余應力測量，得出了精度比鉆孔電測法精度更高。該測試方法要求待測表面平整，可得到面內位移，對抗振要求高。文獻[7]采用數(shù)字散斑干涉測量技術對受到低速沖擊的層合板在熱載下進行內部低速沖擊損傷檢測。實驗結果表明該技術通過觀察散斑干涉條紋的不規(guī)則分布即可準確識別復合材料層合板表面難以觀察到的內部低速沖擊損傷。文獻[8]提出了一種基于雙目立體視覺技術的動態(tài)角度測量方法，對大幅度動態(tài)擺角及運動過程中物體空間姿態(tài)角實現(xiàn)了在線測量，具有非接觸式優(yōu)點。文獻[9-10]對應力測試方法進行了綜述和補充實例，闡述了云紋干涉法、光彈性法、超聲及納米壓痕法以及應力測試方法的比較，得出為了提高應力測量的檢測精度和檢測效率，兩種或兩種以上檢測方法配合使用，成為當前應力測量和狀態(tài)評估研究的一大發(fā)展方向。文獻[11]總結了常用的光測力學方法在巖石力學實驗觀測中的應用，指出數(shù)字圖像相關技術在巖石力學觀測中的趨勢。光學測量以其精度高、非接觸等優(yōu)點，測量方法和技術還仍在不斷發(fā)展[12-13]。盡管有接觸式、非接觸式測試技術應用于巖石力學性能研究，但是針對喀喇昆侖公路沿線及周邊不同巖性巖樣的力學性能研究工作開展的不多。因此，在總結上述文獻實驗技術的基礎上，并鑒于固體實驗力學方法在工程結構實驗應力分析中的成功應用，本文采用光學數(shù)字圖像相關技術對褐紅砂巖和褐灰砂巖在單軸載荷作用下對其裂紋發(fā)展進行了觀測。采用應變電測技術對褐紅砂巖、片麻巖、灰綠板巖在單軸壓縮的工況以及在三點彎曲工況下最大彎矩所在截面的上、中、下部位粘貼電阻應變計，通過萬能試驗機加載，得到了所研究巖樣隨時間變化的應變曲線、應力-應變關系曲線，獲得了褐紅砂巖強度高于片麻巖，灰綠板巖強度略高于片麻巖強度。最后，利用光學顯微鏡對部分巖樣進行了斷口形貌的觀測。

1 實驗方法

1.1 數(shù)字圖像相關技術原理

數(shù)字圖像相關法也是實驗應力分析法之一，利用自然光或白光，具有全場、非接觸、精度高、對環(huán)境要求低等特點，目前在工業(yè)界和學術界得到了廣泛的研究和應用。數(shù)字圖像相關法是利用變形前后圖像上的散斑灰度特征，在變形前后圖像上建立對應關系，然后根據(jù)此對應關系尋找變形前后圖像上的對應點，從而得到其位移值。搜索過程是根據(jù)統(tǒng)計學的相關性原理，建立一個相關函數(shù)C，用這個相關函數(shù)表示變形前后兩幅圖像的匹配程度。本文DIC實驗系統(tǒng)如圖1所示，由軟件和硬件組成。硬件主要包括CCD攝像機、圖像采集卡、計算機和萬能試驗機。軟件系統(tǒng)由DIC圖像采集及計算軟件和萬能試驗機數(shù)據(jù)記錄軟件構成。

圖1 DIC實驗系統(tǒng)示意圖

1.2 應變電測法原理

電測法是借助電子儀器，將應變轉為電量的一種測試方法?，F(xiàn)場測試是完全在生產(chǎn)實際的真實客觀情況下進行的，因此，測得的數(shù)據(jù)反映了構件應力分布的實際情況和規(guī)律。

電阻應變計的工作原理為將電阻值為R的應變片牢固地粘貼在試樣表面的被測部位，當該部位沿應變片敏感柵的軸線方向產(chǎn)生應變時，應變片也隨之變形，其電阻產(chǎn)生一個變化量ΔR。實驗表明，在一定范圍內，應變片的電阻變化率ΔR/R與應變ε成正比，即

其中比例常數(shù)K為應變片的靈敏系數(shù)，其值由實驗標定（一般生產(chǎn)廠家給出）。其物理意義是每單位應變所造成的相對電阻變化，標志著該類絲材電阻應變效應顯著與否。

應變計測量電路的作用是將電阻應變片感受的電阻變化率ΔR/R變換成電壓變化輸出，再經(jīng)過放大電路放大，常用的測量電路是惠斯頓電橋，電橋的輸出公式[14]為

其中ε1、ε2、ε3和ε4分別代表電阻片R1、R2、R3和R4感受的應變值。式（2）表明，應變片感受到的應變通過電橋可以線性轉變?yōu)殡妷盒盘?，將此信號進一步放大、處理就可以用應變儀測出待測部位的電阻εr，即

根據(jù)所測對象及需求，需選用不同類型的應變計。對大應力梯度結構及小型形狀復雜構件應力測量，選用微型應變計。在構件主應力方向已知，可用形狀完全相同的應變計構成90°的應變花測量構件主應力大小。在構件主應力方向未知，可用形狀完全相同的應變計構成45°、60°的應變花測量構件主應力大小和方向。對于應力梯度的測量，可以選用形狀完全相同，將多個應變計排成一排組成應變花，用于測量構件應力梯度的變化。對測量受扭轉構件的扭矩時，要選用測扭矩應變計。工業(yè)界中殘余應力測定，可以選用應變計構成120°的應變花，在中間圓孔處鉆孔，可以測量出構件的殘余應力。本文對單向壓縮試件粘貼橫向和豎向各1片，三點彎曲中性層及上下各粘貼1片。

2 實驗準備

2.1 DIC實驗準備

DIC動態(tài)觀測采用單軸壓縮巖樣為褐紅砂巖和褐灰砂巖巖樣，試件尺寸100 mm×50 mm×50 mm，巖石表面平整，無明顯缺陷。首先將巖石表面散斑化處理，即表面噴涂白漆，隨后隨機噴涂黑漆，散斑顆粒2～5像素為宜。散斑自然干燥后，置于壓機上進行標定（如圖2所示），每個像素表示0.062 mm。數(shù)字相關采集系統(tǒng)采用上海大學研制的DIC軟件，實驗在上海大學完成。

圖2 DIC標定圖

2.2 電測法實驗準備

采用江蘇東華測試技術股份有限公司制造的10通道的DH3818Y型靜態(tài)應變測試儀1臺，采用武漢先導科技有限公司生產(chǎn)的電阻應變計若干，中機試驗裝備股份有限公司制造的萬能試驗機1臺，其他工具有萬用表、502膠水、砂紙、剝線鉗、電烙鐵、焊錫等。

將采于喀喇昆侖公路（中國段）喀什地區(qū)的巖石切割成標準尺寸試件。采用三點彎曲巖樣為褐紅砂巖和片麻巖試件，試件尺寸120 mm×40 mm×20 mm。該巖樣粘貼應變計3片，分別為巖樣中性層處1片，距離上邊緣和下邊緣10 mm處各1片。采用單軸壓縮巖樣為灰綠板巖巖樣和片麻巖巖樣，試件尺寸50 mm×50 mm×50 mm，該巖樣粘貼應變計2片，分別為巖樣中間沿加載受力方向粘貼1片，另1片位于中間附近橫向粘貼。粘貼電阻應變計前，首先進行選片，用萬用表量測電阻應變計電阻值，保證應變計正常，對巖樣粘貼應變計部位使用細砂紙打磨，使粘貼應變計區(qū)域平整、無氣孔、無裂紋，用酒精棉（或丙酮）擦拭打磨過的表面，使用502膠水粘貼應變計和接線端子，粘貼好后，自然干燥。將應變計引出線和導線分別用電烙鐵焊接于接線端子上，完成接線工作。圖3為粘貼完成應變計、接線端子并連接完成導線的灰綠板巖試件。

圖3 粘貼應變計的實驗巖樣

3 實驗結果

3.1 數(shù)字圖像相關法裂紋觀測

采用萬能試驗機對褐紅砂巖和褐灰砂巖進行單軸壓縮實驗。尺寸為100 mm×50 mm×50 mm試件，加載速率0.2 mm/min。圖像采集系統(tǒng)與試驗機同步，實時獲取在壓縮載荷作用下試件變形圖像，運用數(shù)字圖像相關方法計算不同時間采集的巖樣變形區(qū)域全場變形分布。數(shù)字圖像相關軟件使用的是上海大學開發(fā)的光學變形測量系統(tǒng)，計算像素位移使用的子區(qū)大小21像素，上下左右搜索范圍均為10像素。CCD攝像機焦距25 mm，采集圖像速率為1幀/s，數(shù)字圖像相關測量精度0.01像素。

圖4為數(shù)字圖像相關實驗現(xiàn)場。圖5和圖6分別為褐紅砂巖和褐灰砂巖裂紋演化過程。褐紅砂巖加載到33 kN，即第271 s時起裂。褐灰砂巖加載到15 kN時，即140 s時出現(xiàn)裂紋。

圖4 數(shù)字圖像相關實驗現(xiàn)場

從圖5中可以看出褐紅砂巖試件破壞初始部位在試件邊緣處萌生，沿著裂紋發(fā)生的部位進行貫穿破壞。從圖6中可以看出褐灰砂巖試件破壞由初始一條裂紋逐漸增加兩條直至多條裂紋。

圖5 褐紅砂巖裂紋演化過程

圖6 褐灰砂巖裂紋演化過程

試件單軸加載時，載荷是面載荷，而三點彎曲載荷形式為線載荷，在線載荷作用部位附近試件開裂和折斷。面載荷作用下，薄弱部分發(fā)生材料滑移，引起裂紋萌生，在外力持續(xù)增大時，裂紋萌生處發(fā)展成裂紋，在后續(xù)外力作用下，薄弱處材料失穩(wěn)、剝落，試件橫截面減小，應力增大，最終試件斷裂破壞。

3.2 三點彎曲實驗

試驗機加載速率0.2 mm/min，采用DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)進行應變采集，每秒采集一次應變，三點彎曲巖樣加載到斷裂，單軸壓縮試樣加載至100 kN。

褐紅砂巖巖樣尺寸120 mm×40 mm×20 mm，貼應變片3片，另外粘貼1片溫度補償片。加載方式為三點彎曲，由萬能試驗機進行加載，電測法測試現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 電測法實驗測試現(xiàn)場

實驗時，萬能試驗機與電阻應變儀同時開始施加載荷和應變采集。褐紅砂巖試件在三點彎曲受力條件下的3片應變計應變隨時間變化曲線如圖8所示。從實驗中得出，試樣受載時，圖中最上面的曲線為試樣中性層以下部位受拉引起的拉應變，最下面為試樣中性層以上受壓引起的壓應變，中間曲線即為中性層，應變曲線趨于水平，與材料力學理論較為吻合。在達到160 s時，巖樣突然斷裂，圖8中最右側應變發(fā)生突變處表明巖樣斷裂。片麻巖巖樣尺寸120 mm×40 mm×20 mm，貼應變片3片，另外貼1片溫度補償片。片麻巖試件在三點彎曲受力條件下的3片應變計應變隨時間變化曲線如圖9所示。從圖中看出在加載情況下，下側亦為受壓引起的壓應變，上側應變?yōu)槭芾鸬睦瓚?，中間即中性層處應變基本水平，與預測較為吻合。在達到90 s時，巖樣突然斷裂，圖9中最右側應變發(fā)生突變，表明斷裂。

圖8 褐紅砂巖巖樣三點彎曲應變曲線

圖9 片麻巖巖樣三點彎曲應變曲線

3.3 單軸壓縮實驗

灰綠板巖巖樣和片麻巖巖樣尺寸均為50 mm×50 mm×50 mm，各貼應變片2片，另外貼1片溫度補償片，加載方式為單軸壓縮，由萬能試驗機進行加載。在單軸壓縮條件下，灰綠板巖巖樣與片麻巖巖樣對應載荷的位移如表1所示。從表中可以看出相同載荷作用下，灰綠板巖巖樣沿力壓縮方向變形略小于片麻巖巖樣的變形，表明灰綠板巖抗壓能力略強于片麻巖。由萬能試驗機獲得載荷與位移數(shù)據(jù)，通過分析得出兩種巖樣的力與位移關系中，在20 kN以下，兩種巖樣力與位移成非線性，隨著載荷增加，力與位移關系近似線性關系。根據(jù)實驗采集的數(shù)據(jù)，繪制了灰綠板巖和片麻巖巖樣應力-應變曲線見圖10和圖11。作為脆性材料與韌性材料明顯的區(qū)別，巖樣的應力-應變曲線無屈服和頸縮階段。兩種巖樣應力-應變曲線可以看出，5 000 με以下時，片麻巖巖樣曲線略平緩，與灰綠板巖的應力-應變曲線相比，即產(chǎn)生相同應變時，片麻巖所需外力較小。5 000 με以后，兩種巖石應力-應變趨向于線性關系。

表1 灰綠板巖巖樣與片麻巖巖樣部分載荷對應的位移

圖10 灰綠板巖巖樣應力-應變曲線

圖11 片麻巖巖樣應力-應變曲線

3.4 巖樣斷口分析

實驗采用NikonSMZ1000型加裝CCD的體視顯微鏡，由目鏡、物鏡、加裝CCD、采集圖像軟件和冷光源等組成，如圖12所示。試驗前進行標定，以確定放大倍數(shù)，將鋼刻度尺至于物鏡下方，調節(jié)焦距，將鋼尺填充屏幕，采集圖像，本文中放大倍數(shù)為350倍。

圖12 巖樣斷口觀測實驗

利用光學顯微鏡觀測了褐紅砂巖、灰綠板巖、褐灰砂巖和白色石英粉砂巖的斷口，分析了抗折工況條件下巖樣斷口微觀形貌特征。從巖樣的斷口可以看到斷裂面表面不平整，這種粗糙不平的程度就是其微觀結構和載荷以及其他復雜因素的綜合反映[15]。在放大倍數(shù)相同的情況下，可以看出褐紅砂巖、白色石英粉砂巖晶粒比較大（見圖13和圖14所示），褐灰砂巖、灰綠板巖晶粒較?。ㄒ妶D15和圖16所示）。斷裂表征為晶粒完整脫離基體沿晶斷裂、晶粒撕裂的穿晶斷裂以及混合斷裂。從斷口形貌分析裂紋發(fā)生、擴展得出裂紋發(fā)生在材料薄弱的部位，當晶粒界面強度弱于晶粒時，沿晶粒界面斷裂，當晶粒界面強度大于晶粒強度，則發(fā)生沿晶粒斷裂，或者兩者混合斷裂。

圖13 褐紅砂巖斷口

圖14 白色石英粉砂巖斷口

圖15 褐灰砂巖斷口

圖16 灰綠板巖斷口

4 結束語

通過對灰綠板巖、片麻巖、褐灰砂巖、褐紅砂巖巖樣施加三點彎曲和單軸壓縮載荷，結合應變電測法、光測法對巖樣的力學性能進行實驗研究，獲得以下結論：

1）巖樣斷裂時應變發(fā)生斷崖式突變。從灰綠板巖和片麻巖巖樣加載后的位移變形及應力-應變曲線可以得出，實驗巖樣的灰綠板巖的彈性模量略大于片麻巖的彈性模量。

2）在荷載作用下，巖體實際的破壞是脆性破壞、塑性破壞以及弱面剪切破壞等模式或上述破壞耦合形式。本文實驗中片麻巖和灰綠板巖標準試件為軸對稱狀態(tài)，在進行單軸壓縮實驗時，沒有顯著變形且突然破壞,得出兩種巖石破壞形式為脆性破壞。通過數(shù)字圖像相關法觀測，產(chǎn)生這種破壞的原因可能是巖石中裂隙的發(fā)生和發(fā)展的結果。

3）作為極不敏感材料，危巖破壞發(fā)生的前預兆及預警還需進一步探索，對喀喇昆侖公路沿線陡崖、邊坡不穩(wěn)定區(qū)域，現(xiàn)場局部危險地域、多點觀測巖石形變及落石檢測，可以進一步引入分布式壓力薄膜，增大測試面積，對巖石變形及落石壓力通過電阻變化轉化為電信號進行報警，以達到防災減災的目的。

總之，通過采用多種實驗方法和手段對褐紅砂巖和片麻巖試件進行了三點彎曲實驗，對灰綠板巖、片麻巖、褐紅砂巖和褐灰砂巖巖樣進行了單軸壓縮實驗，對褐紅砂巖、灰綠板巖、褐灰砂巖和白色石英粉砂巖4種巖樣的斷口進行了觀測。為了使同樣巖性巖石力學性能結果更加準確，所測參數(shù)更加豐富，在后續(xù)工作中將采用同規(guī)格同一巖性巖樣進行相關實驗研究時，注重將本文實驗結果與其進行比對。