基于數(shù)字圖像技術(shù)的相似材料試樣破壞試驗(yàn)研究

付 巍

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

采礦工程、巖土工程、隧道工程等大型工程的施工過(guò)程中都面臨著巖體的原始應(yīng)力破壞及重新分布的過(guò)程[1-2]，且工程中許多災(zāi)害都與巖石的變形破壞有關(guān)，而巖石的破壞多數(shù)情況下是由于巖體局部變形引起的[3-5]。因此，從巖石的局部微小破壞著手分析研究巖體的破損過(guò)程是1個(gè)可行的方法。學(xué)者在巖體變形方面做了大量的研究，成果豐碩。部分學(xué)者利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)煤巖體等破壞信號(hào)進(jìn)行收集處理，得到煤[6-8]、巖[9-11]的變形破壞特征；利用CT圖像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤、巖體的組成成分及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究分析[12-13]；而在巖石破壞過(guò)程中形成裂紋，可利用電鏡掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同階段裂紋的斷口掃描，通過(guò)對(duì)掃描圖像的對(duì)比實(shí)現(xiàn)不同外加條件的試驗(yàn)?zāi)康腫14-16]；數(shù)字圖像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)試樣表面位移應(yīng)變的觀測(cè)，可以直觀顯示試樣表面裂紋的產(chǎn)生、演化及相互勾通的全過(guò)程，為巖石變形破壞的研究提供了新思路[17-21]。研究巖石性質(zhì)的方法較多，但是現(xiàn)場(chǎng)條件往往復(fù)雜多變，很多工程難以直接試驗(yàn)，而物理相似模擬試驗(yàn)則能達(dá)到事半功倍的效果，目前數(shù)字圖像技術(shù)在煤、巖領(lǐng)域應(yīng)用較多，卻在相似模擬試驗(yàn)中應(yīng)用較少，因此采用數(shù)字圖像技術(shù)從表面應(yīng)變的角度出發(fā)研究試樣受載過(guò)程中的變形及微破壞，可提升測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，并為物理相似模擬試驗(yàn)的研究分析提供新視野。

1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 3D-DIC變形測(cè)試原理和基本流程

DIC的原理：試驗(yàn)過(guò)程中用黑白CCD相機(jī)拍攝被測(cè)物體的表面影像，對(duì)比變形后的影像與變形前的參考影像，得到被測(cè)物體表面上每1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)在三方向的位移或形變，即x、y、z方向的位移U、V、W，x方向應(yīng)變exx，y方向應(yīng)變eyy，剪應(yīng)變exy，第一主應(yīng)變e1及第二主應(yīng)變e2。

測(cè)量的基本流程如下：

1）制備試件，制作散斑。

2）架設(shè)CCD相機(jī)，對(duì)準(zhǔn)試件并進(jìn)行調(diào)焦。

3）拍攝校正影像，進(jìn)行三維校正。

4）開(kāi)始測(cè)試，取得過(guò)程影像。

5）加載影像，選取范圍，做數(shù)字影像相關(guān)運(yùn)算。

6）數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與結(jié)果輸出。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1）試件制備。該試驗(yàn)選用河沙作為骨料，水泥、石膏作為膠結(jié)劑，制作尺寸為φ50 mm×100 mm的相似材料試樣，將剛制作出的試樣自然風(fēng)干3 d后稱重，量高，編號(hào)備用。

2）試驗(yàn)步驟。①對(duì)試樣的表面均勻噴漆，制作人工散斑；②固定2部CCD相機(jī)并根據(jù)試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)環(huán)境放置照明設(shè)備及調(diào)整相機(jī)的位置和焦距；③利用標(biāo)定設(shè)備對(duì)固定好的裝置進(jìn)行標(biāo)定；④利用試驗(yàn)機(jī)以0.02 mm/s的速率對(duì)試件進(jìn)行加載，并通過(guò)荷載輸入接口將試驗(yàn)機(jī)的荷載實(shí)時(shí)錄入VIC-3D分析軟件；⑤在加載開(kāi)始的同時(shí)，相機(jī)開(kāi)始拍攝散斑圖，圖像采集速度為2幅/s；⑥用VIC-3D分析軟件對(duì)采集到的散斑圖進(jìn)行分析，得到整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試件的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中圖像系統(tǒng)共采集1 060張（每個(gè)相機(jī)采集530張）散斑圖像，得到全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D共530幅。相似材料試樣單軸加載全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1，通過(guò)對(duì)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析并根據(jù)曲線的整體特征選取加載過(guò)程中的6個(gè)典型時(shí)刻作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)點(diǎn)0～標(biāo)識(shí)點(diǎn)6與試件加載過(guò)程中該時(shí)刻的散斑圖像相對(duì)應(yīng)，各個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置如圖1。其中，標(biāo)識(shí)點(diǎn)0為參考點(diǎn)，標(biāo)識(shí)點(diǎn)1位于加載曲線的彈性階段，標(biāo)識(shí)點(diǎn)2位于加載曲線的塑性硬化階段，標(biāo)識(shí)點(diǎn)3位于加載曲線的峰值點(diǎn)，標(biāo)識(shí)點(diǎn)4～標(biāo)識(shí)點(diǎn)6位于加載曲線的塑性軟化階段。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve

2.1 裂紋形成過(guò)程的變形場(chǎng)演化分析

以圖1中標(biāo)識(shí)點(diǎn)0作為此次分析的參考點(diǎn)，即以標(biāo)識(shí)點(diǎn)0時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的散斑圖像作為參考圖像，以標(biāo)識(shí)點(diǎn)1～6時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的散斑圖像作為變形圖像。利用VIC-3D軟件對(duì)CCD相機(jī)拍攝得到的散斑圖像進(jìn)行處理分析，得到的相對(duì)應(yīng)時(shí)刻相似材料試樣在垂直載荷方向的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D（拉應(yīng)變?yōu)檎担瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)值）如圖2和圖3。

圖2 峰值及峰值前垂直載荷方向的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍DFig.2 Full strain diagrams of vertical load direction of specimens at different loading stages before the peak

圖3 峰值后垂直載荷方向的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Full strain diagrams of vertical load direction of specimens at different loading stages after the peak

圖2表示相似材料試樣峰值前垂直載荷方向的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D的演化過(guò)程。其中，標(biāo)識(shí)點(diǎn)1位于加載過(guò)程的彈性階段，此時(shí)試件右上部分雖然出現(xiàn)小部分變形集中區(qū)域，但是對(duì)比全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D的整體演化情況可知，此刻相似材料試樣處于均勻變形階段；標(biāo)識(shí)點(diǎn)2位于加載過(guò)程的塑性硬化階段，相似材料試樣的變形集中區(qū)域較標(biāo)識(shí)點(diǎn)1大幅增大，其右上部分較為明顯，此刻相似材料試樣處于非均勻變形階段；標(biāo)識(shí)點(diǎn)3位于加載曲線的峰值時(shí)刻，相似材料試樣的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D中出現(xiàn)1條“X”狀變形集中帶，此刻相似材料試樣的最終破壞“模式”出現(xiàn)。

圖3表示相似材料試樣在峰值后垂直載荷方向的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D的演化過(guò)程。標(biāo)識(shí)點(diǎn)4～標(biāo)識(shí)點(diǎn)6均處于加載過(guò)程的塑性軟化階段，其中，標(biāo)識(shí)點(diǎn)4時(shí)刻“X”狀變形集中帶進(jìn)一步演化使得變形集中帶的變形更加明顯；標(biāo)識(shí)點(diǎn)5時(shí)刻相似材料試樣表面宏觀裂紋出現(xiàn)，位于云圖右上部分，其變形最為集中；標(biāo)識(shí)點(diǎn)6時(shí)刻相似材料試樣表面的宏觀裂隙正處于擴(kuò)展貫通階段，對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D中“X”狀變形集中帶出現(xiàn)了“掉色”現(xiàn)象，這是因?yàn)橄嗨撇牧显嚇釉谄茐倪^(guò)程中其表面形成宏觀裂隙的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)“掉渣”現(xiàn)象，導(dǎo)致試件表面散斑脫落，從而云圖出現(xiàn)“掉色”現(xiàn)象。相似材料試樣加載過(guò)程峰后階段的主要特征為：隨著加載過(guò)程的繼續(xù)，相似材料試樣的軸向位移增加，載荷降低，其主應(yīng)變?cè)龃?，局部變形帶不斷擴(kuò)展并交匯使得試件表面“X”狀變形集中帶的變形更加明顯，從而導(dǎo)致了相似材料試樣最終的破壞。

2.2 應(yīng)變曲線

以圖3中標(biāo)識(shí)點(diǎn)5所對(duì)應(yīng)全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D作為基準(zhǔn)圖片并對(duì)其表面形成的“X”狀變形集中區(qū)域進(jìn)行分區(qū)在4個(gè)分析區(qū)域上分別取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4，通過(guò)VIC-3D分析軟件得到的各點(diǎn)應(yīng)變曲線（y方向的應(yīng)變）如圖5。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of measuring points

圖5 各點(diǎn)應(yīng)變曲線Fig.5 Strain curves at various points

在圖5中劃分出應(yīng)變曲線中的彈性階段、塑性硬化階段、塑性軟化階段，并由圖5中應(yīng)變曲線的演化過(guò)程可知：相似材料試樣在彈性階段前期各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線無(wú)明顯變化，彈性階段后期時(shí)測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)D的變形較測(cè)點(diǎn)B和測(cè)點(diǎn)C大，即試件的右部分變形較為明顯，但總體來(lái)說(shuō)相似材料試樣在彈性階段其變形比較均勻。進(jìn)入塑性階段時(shí)測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)B、測(cè)點(diǎn)C變形較為一致，測(cè)點(diǎn)D變形比其他3個(gè)點(diǎn)變形明顯增大，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)D所在區(qū)域4的變形較大。通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線綜合分析，測(cè)點(diǎn)C和測(cè)點(diǎn)D所在區(qū)域變形較測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B所在區(qū)域明顯。

2.3 應(yīng)變速率分析

根據(jù)VIC-3D分析軟件獲得相似材料試樣表面x方向（徑向）和y方向（軸向）的應(yīng)變速率，得到各應(yīng)力階段試件x方向和y方向應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)，應(yīng)變速率變化趨勢(shì)如圖6。

圖6 應(yīng)變速率變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of strain rate variation

通過(guò)對(duì)圖6中不同應(yīng)力階段試件表面x方向和y方向的應(yīng)變速率進(jìn)行分析可知：x方向的應(yīng)變以拉應(yīng)變?yōu)橹?，y方向的應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹?。彈性階段：相似材料試樣表面x方向的應(yīng)變速率近似為定值，即彈性階段試件在x方向主要表現(xiàn)為均勻的拉伸變形其沿該方向的膨脹較??；在y方向試件應(yīng)變速率絕對(duì)值呈現(xiàn)小幅度增大的趨勢(shì)，即彈性階段試件在y方向的應(yīng)變速率隨載荷增大不斷增大；總體來(lái)說(shuō)，相似材料試樣在彈性階段主要表現(xiàn)為沿y方向的壓縮變形，y方向膨脹變形較小，此階段試件體積隨著載荷的增大而減小。塑性硬化階段：相似材料試樣x方向和y方向的應(yīng)變速率都有小幅度增大，但x方向應(yīng)變速率較y方向大，即此階段試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容。塑性硬化階段：相似材料試樣的承載能力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，但試件基本保持整體狀態(tài)；此階段試件在x方向和y方向的應(yīng)變速率不斷增大，達(dá)到標(biāo)識(shí)點(diǎn)5所在應(yīng)力時(shí)刻時(shí)，2個(gè)方向的應(yīng)變速率大幅度增長(zhǎng)，此時(shí)為試件表面宏觀裂隙擴(kuò)展階段；在試件表面宏觀裂隙擴(kuò)展過(guò)程中，由于裂隙周?chē)唠S裂隙擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)，部分散斑掉落，使得裂隙擴(kuò)展過(guò)程中試件表面應(yīng)變速率大幅降低。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)觀測(cè)相似材料試樣單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程，得到了試件在整個(gè)加載過(guò)程中的全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D，能夠直觀地反應(yīng)相似材料試樣宏觀破裂過(guò)程；與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2）對(duì)相似材料試樣表面“X”狀變形集中帶取測(cè)點(diǎn)，利用VIC-3D分析軟件得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線，分析了試件表面變形集中帶的破裂特征。

3）通過(guò)VIC-3D分析軟件得到相似材料試樣徑向及軸向的應(yīng)變速率，并對(duì)各個(gè)應(yīng)力階段的應(yīng)變速率進(jìn)行了分析，得到試件表面應(yīng)變速率在各個(gè)應(yīng)力階段的變化特征。