基于DIC的泥質白云巖單軸壓縮破壞過程分析

吉卓禮　鄧建華　王玲玲

摘 要：泥質白云巖已應用于貴州省公路和橋梁基礎設施中，其力學性能對結構的可靠性起著關鍵作用。筆者結合數(shù)字圖像相關（DIC）技術與RMT試驗機，建立了泥質白云巖力學性能測試系統(tǒng)，并以單軸壓縮為例，獲得泥質白云巖表觀位移及應變云圖，揭示損傷演化規(guī)律，并與傳統(tǒng)巖石力學試驗機進行對比，闡明該測試系統(tǒng)的適用性與準確性。

關鍵詞：單軸壓縮；DIC技術；位移云圖；應變云圖；損傷演化

中圖分類號：TB12 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0075-03

泥質白云巖作為一種軟巖廣泛分布于貴州各地，相比于硬巖，軟巖具有強度低、變形大、易風化、復雜多變等工程特點。近年來，隨著我國西部開發(fā)的大力推進，貴州省基礎設施建設大幅度增加，很多高層建筑、大跨橋梁都以軟巖為基礎，因此泥質白云巖的力學特性越來越受到學者們的關注。黃彥森研究了不同含水率對泥質白云巖力學特性的影響；吳安杰研究了凍融循環(huán)作用下泥質白云巖力學特性及損傷演化規(guī)律；郭建強研究了不同試驗條件下泥質白云巖的物理力學特征；王桂林研究了干濕循環(huán)作用下貴州泥質白云巖的物理力學特性。

DIC技術又名數(shù)字散斑相關，是在20世紀80年代初由日本的山口一郎和美國的peters等人同時提出來的。近幾十年來DIC技術因其全場、全過程變形測量、非接觸、簡單易用等特點逐漸被應用到各個領域、各個方面。宋海鵬對二維和三維數(shù)字散斑相關技術的測量誤差進行了分析，并在此基礎上提出了巖石損傷雙因子演化曲線。張皓在宋海鵬的基礎上對損傷雙因子做了進一步的優(yōu)化；苑苗苗利用數(shù)字散斑相關技術觀測了瀝青混合料疲勞破壞過程并分析了破壞機理；申志彬利用數(shù)字圖像相關測試了固體推進劑的粘彈性泊松比。

1 泥質白云巖單軸壓縮破壞過程

數(shù)字散斑相關技術的基本原理是利用物體變形前后的數(shù)字圖像得到物體變形過程中的位移和應變云圖。數(shù)字散斑相關測試系統(tǒng)具有非接觸、全場、全過程、對環(huán)境要求低等優(yōu)點，該系統(tǒng)主要由圖像采集、數(shù)字圖像相關分析、結果輸出三部分組成，如下圖1所示。

本文在實驗室搭建了DIC測試系統(tǒng)，并在該測試系統(tǒng)的基礎上觀測了泥質白云巖的單軸壓縮過程，試驗所用的試樣取自貴陽市三橋圣泉流云附近某工地，將試樣加工打磨成直徑為50mm，高度為100mm的圓柱體，使其兩個端面的平整度誤差不超過0.02mm，且試件的側面應光滑筆直、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0.1KN/s。表1是對3個巖石試樣單軸壓縮結果的統(tǒng)計。如下圖2所示為試樣A-1的單軸壓縮應力—應變曲線，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鍵節(jié)點（O、A、B、C、D），研究其基于DIC技術的位移云圖、應變云圖演化過程，由于巖石最后的破壞形態(tài)為多條豎向裂紋，故本文選取主拉應變e1來觀測巖石應變發(fā)展情況。圖3為該試樣坐標軸設置情況，圖4為泥質白云巖單軸壓縮曲線關鍵節(jié)點位移及應變云圖。

由圖4可見，巖石的豎向位移全為負值，呈明顯的壓縮狀態(tài)，在O點時，巖石處于壓密階段，此時并沒有表現(xiàn)出很明顯的壓縮規(guī)律；待受力值達到A點后，巖石的受壓狀態(tài)已經(jīng)表現(xiàn)的較為明顯，豎向位移全為負值，越到上面負值越大，這與我們的理論分析一致；隨著受力繼續(xù)增大，B、C、D三點豎向位移的規(guī)律較A點并沒有呈現(xiàn)出太大的變化，只是在數(shù)值上呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。

在圖3所示的坐標軸設置狀態(tài)下，當一個均質彈性體處于受壓狀態(tài)時，其水平位移應呈豎向規(guī)律，且位于Y軸左邊的豎向位移為負值，位于Y軸右邊的豎向位移為正值。由于巖石并非是一個均質的彈性體材料，從圖4可見，其水平位移大致表現(xiàn)為豎向狀態(tài)。在O點時，由于巖石處于壓密階段，其水平位移規(guī)律較為散亂，并沒有呈現(xiàn)出豎向狀態(tài)；當受力值達到A點時，巖石的水平位移規(guī)律已經(jīng)表現(xiàn)出來；隨著受力狀態(tài)的增大，B、C、D三點的水平位移不僅在數(shù)值上不斷增大，而且呈現(xiàn)出更明顯的豎向規(guī)律。在D點時，水平位移出現(xiàn)明顯的跳躍區(qū)間，直接從紫色負值區(qū)域跳躍到紅色正值區(qū)域，說明此區(qū)間已經(jīng)產(chǎn)生裂縫，這與我們采集到的圖片規(guī)律相一致，可見水平位移能夠很好的說明裂縫的發(fā)展情況。

從主拉應變e1的演化情況可知，在O點時，應變較大值紅色區(qū)域的分布較為離散且數(shù)值較小；A點時，應變較大值紅色區(qū)域主要集中在巖石的右上角且較O點數(shù)值有所增大；B、C、D三點隨著受力的增大，巖石應變較大值紅色區(qū)域越來越往右上角集中且數(shù)值越來越大，在D點時巖石的右上角已經(jīng)破裂，可見表觀應變的演化情況同樣能預測出巖石裂縫的發(fā)展情況。

2 泥質白云巖單軸壓縮應變對比

以A-1試樣為例，將RMT巖石力學試驗機得到應變與DIC技術得到的表觀應變進行對比。本次試驗過程中共采集了615張照片，由于從第611張照片開始巖石的表面出現(xiàn)了剝落，表觀應變出現(xiàn)部分損失，故本文選取610張以前的照片進行分析。如圖5所示，選取第610張照片中的幾個具有代表性的點（P0、P1、P2），抽取這3個點各個時刻的表觀應變值，繪制應變—時間曲線并與RMT試驗機得到的應變—時間曲線進行對比（如圖6所示）。

圖6中，RMT試驗機得到的應變與DIC技術得到的表觀應變演化規(guī)律一致。筆者將應變—時間曲線分成了四個階段，對于應變的演化規(guī)律，不同學者做了不同的劃分。此前，在研究巖石疲勞的過程中，肖建清統(tǒng)計了-N曲線并將其分為三個階段：初始階段、等速階段、加速階段。李樹春基于巖石的應變與軟化規(guī)律，將應變發(fā)展規(guī)律分為初始、穩(wěn)定、加速、破壞四個階段。從圖6看，泥質白云巖的單軸應變—時間曲線與前人統(tǒng)計的-N曲線規(guī)律一致，由此，筆者認為無論對于巖石的單軸還是疲勞破壞，其本質可能都是應變的累積。筆者參考李樹春的劃分特征，將應變—時間曲線劃為四個階段。

圖6中，P0代表表觀應變中數(shù)值最大的紅色區(qū)域的演化情況，P1代表表觀應變中數(shù)值較大區(qū)域的演化情況，P2代表表觀應變中數(shù)值最小區(qū)域的演化情況。分析對比可得如下規(guī)律：

（1）在初始、穩(wěn)定、加速區(qū)間內，RMT試驗機所得到的應變一直在DIC所得到表觀應變之上。分析原因，本次試驗采用行程傳感器測量位移，因此由RMT試驗機所得的應變可能包含了墊塊、墊塊間隙等的變形，所以數(shù)值偏大。

（2）進入破壞階段后，P0遠遠超過了RMT所得的應變，紅色區(qū)域即將剝落，但試樣整體并未破壞。相對于RMT所測的巖石整體應變的演化情況，P0所代表的數(shù)值最大的紅色區(qū)域更能精確反應巖石的損傷發(fā)展情況。

（3）進入破壞階段后，P1也即將超過RMT所得的應變，而P0仍遠遠小于RMT所得的整體應變。因此基于DIC技術所得的表觀應變更能精確反應局部區(qū)域的應變演化的真實情況。

3 結論

（1）基于DIC技術所得的表觀位移及應變云圖能很好地反應損傷發(fā)展情況，預測裂縫發(fā)展趨勢。

（2）與傳統(tǒng)的巖石力學試驗機相比，DIC技術所得的表觀應變精度更高，且更能準確反應局部區(qū)域損傷發(fā)展情況。

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基金項目：國家自然科學基金（No.51068003）