基于DIC技術(shù)的紅黏土干縮開裂試驗研究

張曼婷，吳明亮，陳愛軍，潘曉屹，李晨嘉，黃文昭，李文濤

(桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004)

在干燥條件下，紅黏土因蒸發(fā)失水導致干縮開裂，進而在土體表面產(chǎn)生縱橫交錯的裂隙，裂隙的存在和發(fā)展會破壞土體的整體性和穩(wěn)定性，使土體結(jié)構(gòu)松散，力學性質(zhì)降低，直接或間接地對工程地質(zhì)產(chǎn)生不利影響，導致各種工程地質(zhì)問題發(fā)生.目前，我國正在大力開展交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市建設(shè)，大量工程設(shè)施不可避免地穿過紅黏土地區(qū)，解決紅黏土開裂引發(fā)的工程問題已迫在眉睫.開展紅黏土干燥失水引發(fā)的裂隙形態(tài)演變機制研究，對土體裂隙的預防和控制有積極幫助，對預防干燥氣候環(huán)境中的工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題等都具有重要意義.

為深入研究干燥失水引起的裂隙形態(tài)演變機制，越來越多的學者開始對土體表面的裂隙網(wǎng)絡(luò)進行定量分析.早期對裂隙形態(tài)的研究多以手工測量為主，主要借助直尺等工具對裂隙的長度和寬度進行測量.近年來，隨著數(shù)碼攝像和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，對土體裂隙的研究在技術(shù)手段上也越來越先進.其中，相對于傳統(tǒng)土體變形測量方法而言，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation，簡稱DIC)有著獨特優(yōu)勢，既可以實現(xiàn)動態(tài)非接觸式監(jiān)測裂隙形態(tài)，又能夠在不破壞土體結(jié)構(gòu)且不影響試驗進程的情況下獲取土體變形參數(shù)，具有高精度、非接觸、實時、快速和動態(tài)等優(yōu)點.不僅如此，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)還能自動分析土體表面各點的位移并計算出應變，通過分析土樣應變的變化與裂隙的發(fā)展關(guān)系，便可得到它們的相互關(guān)系.

但是，DIC 技術(shù)作為一種新技術(shù)手段，在土體裂隙研究中并不多見，有部分學者把DIC 用于巖石及混凝土的荷載裂隙識別及分析[1-5].李元海等[6]采用DIC 技術(shù)對砂土地基在離心場和重力場條件下的變形進行了分析，研究了地基模型的變形模式、應變場分布、漸進破壞過程以及滑動剪切帶的位置形狀特點；徐少波等[7]針對電測方法需在試件表面粘貼應變片及單點測量局限,將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)引入到材料力學性能測試分析中；楊松[8]以混凝土裂縫識別和動三軸試驗土樣變形測量為研究對象，采用數(shù)字圖像測量技術(shù)，從裂縫識別、拼接、分類、變形以及土體動力變形測量方法等方面開展具體研究；錢帥宇[9]以工程應用為目標，采用了基于散斑自標定的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的基本原理、硬件搭建、測量精度等進行了研究分析；Sutton[10]等研究了三維DIC(3D-DIC)技術(shù)在土木工程墻體結(jié)構(gòu)研究中的應用；徐飛鴻等[11]將數(shù)字圖像相關(guān)方法與邊緣檢測相結(jié)合，提出DIC-邊緣檢測的大尺度測量技術(shù)；林鑾等[12]采用自己研發(fā)的二維DIC 技術(shù)研究了粉質(zhì)黏土的干縮開裂過程，獲得了一些有意義的研究成果，但是該技術(shù)并不能用數(shù)字來表示試驗結(jié)果，且二維的位移及應變云圖對于全面分析裂隙的形成及發(fā)展仍具有一定的局限性.

綜合以上分析，雖然DIC 技術(shù)具有很多優(yōu)勢，但應用三維DIC 技術(shù)開展土體裂隙研究成果相對較少.本文通過開展室內(nèi)紅黏土干燥試驗，通過數(shù)碼相機對土體裂隙發(fā)展的過程進行動態(tài)監(jiān)測和實時記錄，利用DIC 技術(shù)分析土體表面的點位移、應變等信息，探討土體失水收縮變形與裂隙發(fā)育過程的演化特征，以期深入了解紅黏土干縮裂隙的演變機制及發(fā)育狀態(tài).

1 試驗土料

土樣為湖南邵陽地區(qū)典型紅黏土，取樣深度為地表以下2～3 m，棕紅色，屬于高液限黏土，其基本物理性性質(zhì)如表1 所示.

表1 試驗土樣的基本物理性質(zhì)

2 試驗方法

2.1 土樣的制備

將存于密閉環(huán)境的備用土取出，加水并混合均勻，使紅黏土的含水率達到56%；將混合均勻后的土體置于相對密閉的容器內(nèi)存放2 d，再將土料放在試驗箱內(nèi)并分層夯實.試驗箱尺寸為300 mm×400 mm×500 mm，四周焊接了共26 個梯形防滑條，用于限制邊界土體的的整體收縮.制備好的土樣初始厚度為100 mm.

2.2 試驗方法

試驗裝置如圖1 所示.土表位移及應變信息利用西安新拓三維光測科技有限公司開發(fā)的三維變形測量系統(tǒng)(XTDIC)獲取.XTDIC 是一種光學非接觸式三維變形測量系統(tǒng)，它結(jié)合了DIC 技術(shù)與雙目立體視覺技術(shù)，通過設(shè)置種子點，追蹤物體表面的散斑圖像，以獲取土樣干燥過程中土樣表面的三維坐標、位移及應變.該系統(tǒng)由2 個可調(diào)節(jié)的高精度相機鏡頭、1 個控制箱和1 臺高性能的計算機組成.

圖1 試驗裝置示意

由于試驗采用的土樣顆粒細小，需要植入示蹤粒子對土顆粒的運動狀態(tài)進行追蹤，以便后續(xù)的圖像處理.因此，本次試驗前在平整的土樣表面噴上了一層厚度極小并相對均勻的啞光白漆，并用點噴法在白漆的基礎(chǔ)上噴灑黑漆，使得黑漆在白漆的表面上分布均勻，油漆對試驗的影響可忽略不計.

裝好土樣的試驗箱放置在精度為1 g 的電子秤上，用于記錄土樣在干燥過程中的水分蒸發(fā)質(zhì)量.XTDIC 系統(tǒng)的數(shù)碼相機固定在土樣正上方，固定間隔時間拍照，拍攝的圖片用于三維數(shù)字圖像相關(guān)分析.試驗使用500 W 碘鎢燈模擬外部光照條件.試驗初始時，設(shè)置每隔15 min 記錄1 次數(shù)據(jù)；當裂隙發(fā)展程度緩慢、肉眼不易識別出裂隙的變化時，改為每30 min 記錄1 次，當30 min內(nèi)電子秤顯示數(shù)字變化小于2 g 時，即可停止試驗.

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 土體干縮開裂過程分析

圖2 為試驗結(jié)束時土樣表面裂隙形態(tài)，此時所有裂隙基本發(fā)育完成，沒有新的裂隙產(chǎn)生.由圖2可知，本次試樣被裂隙劃分出了7個主區(qū)塊，裂隙間的交叉角近似90°，裂隙線形以直線為主，各塊區(qū)面積不完全相等，裂隙尖端寬度較小，各裂隙中部寬度差異不大.

圖2 試驗結(jié)束時土樣表面裂隙

3.2 土樣表面位移分析

為了便于分析土體表面的位移及應變，在試樣表面取若干個特征點，如圖3 所示.其中，P1、P2、P3、P4 表示土樣區(qū)塊中心點；L1、L2、L3表示裂隙某一位置.下面分別對土樣區(qū)塊中心及裂隙處的位移應變進行分析.

圖3 土樣區(qū)塊特征點分布

3.2.1 裂隙兩側(cè)位移分析

圖4 和圖5 分別表示土樣裂隙兩側(cè)的X及Y方向位移.其中X方向位移以向右為正，Y方向位移以向上為正.

圖4 土樣裂隙兩側(cè)點X 方向位移曲線

圖5 土樣裂隙兩側(cè)Y 方向位移曲線

由圖4 和圖5 可知，試驗開始后100 min 內(nèi)裂隙處未產(chǎn)生明顯位移.試驗100 min 以后，X方向位移開始呈線性變化，裂隙左側(cè)點開始向左移動，裂隙右側(cè)點開始向右移動；在500 min 之后，由于水分蒸發(fā)速率減慢，X方向位移變化放緩；試驗結(jié)束時，X方向位移以L1 左側(cè)位移最大(約9.1 mm)，以L3 左側(cè)的位移最小(僅2.0 mm)，L1 右側(cè)的位移3.4 mm，L3 右側(cè)的位移6.5 mm.Y方向位移分析：L1 左側(cè)和L2 右側(cè)位移為負，而L1 右側(cè)、L2 左側(cè)、L3 左側(cè)和右側(cè)的位移為正；試驗結(jié)束時，L1 右側(cè)的位移最大(約4.2 mm)，L1左側(cè)位移3.0 mm.由于所選的3 條裂隙方向大體為Y方向，X方向位移均大于Y方向位移.由此可見，裂隙兩側(cè)位移并不相等，裂隙不同位置的位移方向及大小相差較大.

圖6 表示裂隙在Z方向(豎向)的位移，數(shù)值以向下為負.由圖6 可知，由于土體失水導致整體收縮，土表在豎向整體呈下沉趨勢.試驗開始時，豎向位移線性增大，500 min 時下沉速率加快，550～580 min 土表產(chǎn)生了少量回彈，在600 min 之后又以原速率下沉，820～850 min 土體下沉發(fā)生1次陡降，在850 min 之后土體繼續(xù)下沉但速率放緩.其中，L2 左側(cè)方向的位移速率及大小要明顯大于其他位置，在試驗結(jié)束時L2 左側(cè)下沉位移達到了8.1 mm，而其他標點的下沉位移均在4.4～5.6 mm.由此可見，土體表面不同位置的下沉位移并不相等，這可能是不同區(qū)域的壓實程度不同所導致的.

圖6 土樣裂隙兩側(cè)豎向位移曲線

3.2.2 土樣區(qū)塊中心位移分析

圖7 表示土樣區(qū)塊中心位置在X和Y方向的位移，圖8 表示土樣區(qū)塊中心位置在Z方向(豎向)位移.

圖7 土樣區(qū)塊中心水平位移曲線

圖8 土樣區(qū)塊中心豎向位移曲線

土樣區(qū)塊中心在X方向的位移分析：P2 處X方向上的位移為負值，試驗結(jié)束時位移約為2.9 mm，這是因為在P2 所在區(qū)塊左側(cè)無其他裂塊，導致P2 有明顯的X負方向位移；其它土樣區(qū)塊中心點的X方向上的位移均為正值，其中P4 處X方向的正向位移最大(試驗結(jié)束時達到4.5 mm)，這是由于P4 所在的區(qū)塊右側(cè)無其他裂塊，土體失水后收縮往右方向的移動最明顯；P1、P3 在X方向上的位移不明顯，在試驗結(jié)束時僅分別為1.4和1.7 mm，這與它們位于試樣中間區(qū)域有關(guān).

土樣區(qū)塊中心在Y方向的位移分析：由于P3所在區(qū)塊上方無其他裂塊，P3 處Y方向位移較明顯，試驗結(jié)束時達3.6 mm；P1、P2、P4 所在區(qū)塊上下方均有其他裂塊，所以Y方向上的位移不明顯，試驗結(jié)束時的位移僅分別為0.1，0.5 和0.8 mm.由此可知，在裂隙發(fā)展過程中，土樣區(qū)塊中心范圍的位移方向沿某一方向持續(xù)，而其他區(qū)塊的位移大小及速率也并不相同.

土樣區(qū)塊中心在豎向的位移趨勢與裂隙兩側(cè)位置豎向位移大體相同，其中P2 左側(cè)區(qū)塊的下沉速率要明顯大于其他位置，在試驗結(jié)束時達到了8.2 mm.結(jié)合裂隙兩側(cè)位移綜合分析，土表下沉從試驗開始就發(fā)生，豎向位移整體隨水分的蒸發(fā)而線性增加.

3.3 土樣表面應變分析

圖9 表示土體應變隨時間的變化曲線，并規(guī)定拉應變?yōu)檎龎簯優(yōu)樨?

圖9(a)表示裂縫L1、L2 左右兩側(cè)的應變隨時間的變化.試驗開始時，裂隙兩側(cè)均受拉，產(chǎn)生的拉應變在試驗至150～200 min 時達到最大值，其中L1 左側(cè)受到的拉應變達1.20%，L2 右側(cè)的拉應變最大僅為0.44%.拉應變達到峰值后，4個位置應變在不同時間開始下降，L2 右側(cè)、L1右側(cè)、L2 左側(cè)和L1 左側(cè)分別在200，300，380和470 min 左右由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌海移鋲簯兂示€性增大，壓應變增速基本相同.

圖9 土樣表面應變曲線

圖9(b)表示土樣區(qū)塊中心P1，P2，P3 和P4處的應變隨時間的變化.與裂隙處應變變化的規(guī)律類似，土樣區(qū)塊中心在試驗開始時均受拉，分別在150～200 min 達到最大值，其中P3 所受拉應變峰值最大(0.75%)，P1 所受拉應變峰值最小(0.12%).拉應變達到峰值后基本呈線性減小，其中P3 的應變變化最快，約在340 min 轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯儯鳳4 的應變變化最慢，約在580 min 轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?隨后，壓應變呈線性增大，其中P3 處壓應變增速最大，P4 處壓應變增速最小.

4 結(jié)論

1)本試驗采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在無損試樣前提下實現(xiàn)土樣表面位移和應變信息的采集，可直觀地展示土體干燥過程中裂隙的演變過程，具有較好的推廣價值；

2)隨著土體水分的蒸發(fā)，紅黏土土表開始產(chǎn)生拉應變，拉應變達到某個閾值時土體裂隙產(chǎn)生，隨后拉應變逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯儯涣严秲蓚?cè)的位移明顯大于土樣區(qū)塊中心，且裂隙兩側(cè)位移并不相等，裂隙不同位置的位移相差較大，土樣區(qū)塊中心位移也與其所處位置有關(guān)；

3)土樣表面在干燥過程中一直產(chǎn)生豎向下沉，土表各處的豎向位移大小及下沉速度均不相同.