基于數字圖像技術的相似材料試樣破壞試驗研究

付 巍

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，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程中都面臨著巖體的原始應力破壞及重新分布的過程[1-2]，且工程中許多災害都與巖石的變形破壞有關，而巖石的破壞多數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程是1個可行的方法。學者在巖體變形方面做了大量的研究，成果豐碩。部分學者利用聲發射技術對煤巖體等破壞信號進行收集處理，得到煤[6-8]、巖[9-11]的變形破壞特征；利用CT圖像可以實現對煤、巖體的組成成分及細觀結構的研究分析[12-13]；而在巖石破壞過程中形成裂紋，可利用電鏡掃描技術實現對不同階段裂紋的斷口掃描，通過對掃描圖像的對比實現不同外加條件的試驗目的[14-16]；數字圖像技術能實現試樣表面位移應變的觀測，可以直觀顯示試樣表面裂紋的產生、演化及相互勾通的全過程，為巖石變形破壞的研究提供了新思路[17-21]。研究巖石性質的方法較多，但是現場條件往往復雜多變，很多工程難以直接試驗，而物理相似模擬試驗則能達到事半功倍的效果，目前數字圖像技術在煤、巖領域應用較多，卻在相似模擬試驗中應用較少，因此采用數字圖像技術從表面應變的角度出發研究試樣受載過程中的變形及微破壞，可提升測試結果的準確性，并為物理相似模擬試驗的研究分析提供新視野。

1 數字圖像相關技術及試驗過程

1.1 3D-DIC變形測試原理和基本流程

DIC的原理：試驗過程中用黑白CCD相機拍攝被測物體的表面影像，對比變形后的影像與變形前的參考影像，得到被測物體表面上每1個坐標點在三方向的位移或形變，即x、y、z方向的位移U、V、W，x方向應變exx，y方向應變eyy，剪應變exy，第一主應變e1及第二主應變e2。

測量的基本流程如下：

1）制備試件，制作散斑。

2）架設CCD相機，對準試件并進行調焦。

3）拍攝校正影像，進行三維校正。

4）開始測試，取得過程影像。

5）加載影像，選取范圍，做數字影像相關運算。

6）數據呈現與結果輸出。

1.2 試驗過程

1）試件制備。該試驗選用河沙作為骨料，水泥、石膏作為膠結劑，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干3 d后稱重，量高，編號備用。

2）試驗步驟。①對試樣的表面均勻噴漆，制作人工散斑；②固定2部CCD相機并根據試驗的要求和試驗環境放置照明設備及調整相機的位置和焦距；③利用標定設備對固定好的裝置進行標定；④利用試驗機以0.02 mm/s的速率對試件進行加載，并通過荷載輸入接口將試驗機的荷載實時錄入VIC-3D分析軟件；⑤在加載開始的同時，相機開始拍攝散斑圖，圖像采集速度為2幅/s；⑥用VIC-3D分析軟件對采集到的散斑圖進行分析，得到整個試驗過程中試件的位移場和應變場。

2 試驗結果及分析

單軸壓縮試驗過程中圖像系統共采集1 060張（每個相機采集530張）散斑圖像，得到全場應變云圖共530幅。相似材料試樣單軸加載全過程的應力-應變曲線如圖1，通過對全應力-應變曲線的分析并根據曲線的整體特征選取加載過程中的6個典型時刻作為標識點，標識點0～標識點6與試件加載過程中該時刻的散斑圖像相對應，各個標識點所對應的位置如圖1。其中，標識點0為參考點，標識點1位于加載曲線的彈性階段，標識點2位于加載曲線的塑性硬化階段，標識點3位于加載曲線的峰值點，標識點4～標識點6位于加載曲線的塑性軟化階段。

圖1 應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curve

2.1 裂紋形成過程的變形場演化分析

以圖1中標識點0作為此次分析的參考點，即以標識點0時刻所對應的散斑圖像作為參考圖像，以標識點1～6時刻所對應的散斑圖像作為變形圖像。利用VIC-3D軟件對CCD相機拍攝得到的散斑圖像進行處理分析，得到的相對應時刻相似材料試樣在垂直載荷方向的全場應變云圖（拉應變為正值，壓應變為負值）如圖2和圖3。

圖2 峰值及峰值前垂直載荷方向的全場應變云圖Fig.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應變云圖Fig.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應變云圖的演化過程。其中，標識點1位于加載過程的彈性階段，此時試件右上部分雖然出現小部分變形集中區域，但是對比全場應變云圖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；標識點2位于加載過程的塑性硬化階段，相似材料試樣的變形集中區域較標識點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；標識點3位于加載曲線的峰值時刻，相似材料試樣的全場應變云圖中出現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。

圖3表示相似材料試樣在峰值后垂直載荷方向的全場應變云圖的演化過程。標識點4～標識點6均處于加載過程的塑性軟化階段，其中，標識點4時刻“X”狀變形集中帶進一步演化使得變形集中帶的變形更加明顯；標識點5時刻相似材料試樣表面宏觀裂紋出現，位于云圖右上部分，其變形最為集中；標識點6時刻相似材料試樣表面的宏觀裂隙正處于擴展貫通階段，對應的全場應變云圖中“X”狀變形集中帶出現了“掉色”現象，這是因為相似材料試樣在破壞過程中其表面形成宏觀裂隙的時候會出現“掉渣”現象，導致試件表面散斑脫落，從而云圖出現“掉色”現象。相似材料試樣加載過程峰后階段的主要特征為：隨著加載過程的繼續，相似材料試樣的軸向位移增加，載荷降低，其主應變增大，局部變形帶不斷擴展并交匯使得試件表面“X”狀變形集中帶的變形更加明顯，從而導致了相似材料試樣最終的破壞。

2.2 應變曲線

以圖3中標識點5所對應全場應變云圖作為基準圖片并對其表面形成的“X”狀變形集中區域進行分區在4個分析區域上分別取4個測點，測點布置圖如圖4，通過VIC-3D分析軟件得到的各點應變曲線（y方向的應變）如圖5。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

圖5 各點應變曲線Fig.5 Strain curves at various points

在圖5中劃分出應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中應變曲線的演化過程可知：相似材料試樣在彈性階段前期各測點應變曲線無明顯變化，彈性階段后期時測點A和測點D的變形較測點B和測點C大，即試件的右部分變形較為明顯，但總體來說相似材料試樣在彈性階段其變形比較均勻。進入塑性階段時測點A、測點B、測點C變形較為一致，測點D變形比其他3個點變形明顯增大，說明測點D所在區域4的變形較大。通過對各測點應變曲線綜合分析，測點C和測點D所在區域變形較測點A和測點B所在區域明顯。

2.3 應變速率分析

根據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）的應變速率，得到各應力階段試件x方向和y方向應變速率的變化趨勢，應變速率變化趨勢如圖6。

圖6 應變速率變化趨勢Fig.6 Trend of strain rate variation

通過對圖6中不同應力階段試件表面x方向和y方向的應變速率進行分析可知：x方向的應變以拉應變為主，y方向的應變以壓應變為主。彈性階段：相似材料試樣表面x方向的應變速率近似為定值，即彈性階段試件在x方向主要表現為均勻的拉伸變形其沿該方向的膨脹較小；在y方向試件應變速率絕對值呈現小幅度增大的趨勢，即彈性階段試件在y方向的應變速率隨載荷增大不斷增大；總體來說，相似材料試樣在彈性階段主要表現為沿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方向的應變速率都有小幅度增大，但x方向應變速率較y方向大，即此階段試件由體積壓縮轉為擴容。塑性硬化階段：相似材料試樣的承載能力達到峰值強度后，雖然內部結構遭到破壞，但試件基本保持整體狀態；此階段試件在x方向和y方向的應變速率不斷增大，達到標識點5所在應力時刻時，2個方向的應變速率大幅度增長，此時為試件表面宏觀裂隙擴展階段；在試件表面宏觀裂隙擴展過程中，由于裂隙周圍散斑隨裂隙擴展時出現相對移動，部分散斑掉落，使得裂隙擴展過程中試件表面應變速率大幅降低。

3 結論

1）利用數字圖像相關技術觀測相似材料試樣單軸壓縮試驗過程，得到了試件在整個加載過程中的全場應變云圖，能夠直觀地反應相似材料試樣宏觀破裂過程；與傳統試驗方法相比具有明顯優勢。

2）對相似材料試樣表面“X”狀變形集中帶取測點，利用VIC-3D分析軟件得到各個測點應變曲線，分析了試件表面變形集中帶的破裂特征。

3）通過VIC-3D分析軟件得到相似材料試樣徑向及軸向的應變速率，并對各個應力階段的應變速率進行了分析，得到試件表面應變速率在各個應力階段的變化特征。