基于DIC的泥質(zhì)白云巖單軸壓縮破壞過(guò)程分析

吉卓禮　鄧建華　王玲玲

摘 要：泥質(zhì)白云巖已應(yīng)用于貴州省公路和橋梁基礎(chǔ)設(shè)施中，其力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性起著關(guān)鍵作用。筆者結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)與RMT試驗(yàn)機(jī)，建立了泥質(zhì)白云巖力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，并以單軸壓縮為例，獲得泥質(zhì)白云巖表觀位移及應(yīng)變?cè)茍D，揭示損傷演化規(guī)律，并與傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行對(duì)比，闡明該測(cè)試系統(tǒng)的適用性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)屋S壓縮；DIC技術(shù)；位移云圖；應(yīng)變?cè)茍D；損傷演化

中圖分類(lèi)號(hào)：TB12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）4-0075-03

泥質(zhì)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(qiáng)度低、變形大、易風(fēng)化、復(fù)雜多變等工程特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著我國(guó)西部開(kāi)發(fā)的大力推進(jìn)，貴州省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大幅度增加，很多高層建筑、大跨橋梁都以軟巖為基礎(chǔ)，因此泥質(zhì)白云巖的力學(xué)特性越來(lái)越受到學(xué)者們的關(guān)注。黃彥森研究了不同含水率對(duì)泥質(zhì)白云巖力學(xué)特性的影響；吳安杰研究了凍融循環(huán)作用下泥質(zhì)白云巖力學(xué)特性及損傷演化規(guī)律；郭建強(qiáng)研究了不同試驗(yàn)條件下泥質(zhì)白云巖的物理力學(xué)特征；王桂林研究了干濕循環(huán)作用下貴州泥質(zhì)白云巖的物理力學(xué)特性。

DIC技術(shù)又名數(shù)字散斑相關(guān)，是在20世紀(jì)80年代初由日本的山口一郎和美國(guó)的peters等人同時(shí)提出來(lái)的。近幾十年來(lái)DIC技術(shù)因其全場(chǎng)、全過(guò)程變形測(cè)量、非接觸、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)方面。宋海鵬對(duì)二維和三維數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了巖石損傷雙因子演化曲線。張皓在宋海鵬的基礎(chǔ)上對(duì)損傷雙因子做了進(jìn)一步的優(yōu)化；苑苗苗利用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)觀測(cè)了瀝青混合料疲勞破壞過(guò)程并分析了破壞機(jī)理；申志彬利用數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試了固體推進(jìn)劑的粘彈性泊松比。

1 泥質(zhì)白云巖單軸壓縮破壞過(guò)程

數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)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(guò)程中的位移和應(yīng)變?cè)茍D。數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)具有非接觸、全場(chǎng)、全過(guò)程、對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)主要由圖像采集、數(shù)字圖像相關(guān)分析、結(jié)果輸出三部分組成，如下圖1所示。

本文在實(shí)驗(yàn)室搭建了DIC測(cè)試系統(tǒng)，并在該測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上觀測(cè)了泥質(zhì)白云巖的單軸壓縮過(guò)程，試驗(yàn)所用的試樣取自貴陽(yáng)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(gè)端面的平整度誤差不超過(guò)0.02mm，且試件的側(cè)面應(yīng)光滑筆直、滿(mǎn)足垂直度要求。本次試驗(yàn)共選取3個(gè)試樣，分別編號(hào)為A-1、A-2、A-3。利用貴州大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的RMT-301巖石與混凝土多功能試驗(yàn)機(jī)對(duì)泥質(zhì)白云巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)采用力控制，力的加載速率為0.1KN/s。表1是對(duì)3個(gè)巖石試樣單軸壓縮結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。如下圖2所示為試樣A-1的單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)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(kāi)裂穩(wěn)定擴(kuò)展階段（BC）、裂紋開(kāi)裂加速擴(kuò)展階段（CD）和破壞階段（D點(diǎn)以后）五個(gè)部分。

選取A-1試樣單軸壓縮曲線上的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（O、A、B、C、D），研究其基于DIC技術(shù)的位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D演化過(guò)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(yīng)變e1來(lái)觀測(cè)巖石應(yīng)變發(fā)展情況。圖3為該試樣坐標(biāo)軸設(shè)置情況，圖4為泥質(zhì)白云巖單軸壓縮曲線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移及應(yīng)變?cè)茍D。

由圖4可見(jiàn)，巖石的豎向位移全為負(fù)值，呈明顯的壓縮狀態(tài)，在O點(diǎn)時(shí)，巖石處于壓密階段，此時(shí)并沒(méi)有表現(xiàn)出很明顯的壓縮規(guī)律；待受力值達(dá)到A點(diǎn)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(fù)值，越到上面負(fù)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(diǎn)豎向位移的規(guī)律較A點(diǎn)并沒(méi)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(shì)。

在圖3所示的坐標(biāo)軸設(shè)置狀態(tài)下，當(dāng)一個(gè)均質(zhì)彈性體處于受壓狀態(tài)時(shí)，其水平位移應(yīng)呈豎向規(guī)律，且位于Y軸左邊的豎向位移為負(fù)值，位于Y軸右邊的豎向位移為正值。由于巖石并非是一個(gè)均質(zhì)的彈性體材料，從圖4可見(jiàn)，其水平位移大致表現(xiàn)為豎向狀態(tài)。在O點(diǎn)時(shí)，由于巖石處于壓密階段，其水平位移規(guī)律較為散亂，并沒(méi)有呈現(xiàn)出豎向狀態(tài)；當(dāng)受力值達(dá)到A點(diǎn)時(shí)，巖石的水平位移規(guī)律已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)；隨著受力狀態(tài)的增大，B、C、D三點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，水平位移出現(xiàn)明顯的跳躍區(qū)間，直接從紫色負(fù)值區(qū)域跳躍到紅色正值區(qū)域，說(shuō)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(jiàn)水平位移能夠很好的說(shuō)明裂縫的發(fā)展情況。

從主拉應(yīng)變e1的演化情況可知，在O點(diǎn)時(shí)，應(yīng)變較大值紅色區(qū)域的分布較為離散且數(shù)值較??；A點(diǎn)時(shí)，應(yīng)變較大值紅色區(qū)域主要集中在巖石的右上角且較O點(diǎn)數(shù)值有所增大；B、C、D三點(diǎn)隨著受力的增大，巖石應(yīng)變較大值紅色區(qū)域越來(lái)越往右上角集中且數(shù)值越來(lái)越大，在D點(diǎn)時(shí)巖石的右上角已經(jīng)破裂，可見(jiàn)表觀應(yīng)變的演化情況同樣能預(yù)測(cè)出巖石裂縫的發(fā)展情況。

2 泥質(zhì)白云巖單軸壓縮應(yīng)變對(duì)比

以A-1試樣為例，將RMT巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)得到應(yīng)變與DIC技術(shù)得到的表觀應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比。本次試驗(yàn)過(guò)程中共采集了615張照片，由于從第611張照片開(kāi)始巖石的表面出現(xiàn)了剝落，表觀應(yīng)變出現(xiàn)部分損失，故本文選取610張以前的照片進(jìn)行分析。如圖5所示，選取第610張照片中的幾個(gè)具有代表性的點(diǎn)（P0、P1、P2），抽取這3個(gè)點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻的表觀應(yīng)變值，繪制應(yīng)變—時(shí)間曲線并與RMT試驗(yàn)機(jī)得到的應(yīng)變—時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比（如圖6所示）。

圖6中，RMT試驗(yàn)機(jī)得到的應(yīng)變與DIC技術(shù)得到的表觀應(yīng)變演化規(guī)律一致。筆者將應(yīng)變—時(shí)間曲線分成了四個(gè)階段，對(duì)于應(yīng)變的演化規(guī)律，不同學(xué)者做了不同的劃分。此前，在研究巖石疲勞的過(guò)程中，肖建清統(tǒng)計(jì)了-N曲線并將其分為三個(gè)階段：初始階段、等速階段、加速階段。李樹(shù)春基于巖石的應(yīng)變與軟化規(guī)律，將應(yīng)變發(fā)展規(guī)律分為初始、穩(wěn)定、加速、破壞四個(gè)階段。從圖6看，泥質(zhì)白云巖的單軸應(yīng)變—時(shí)間曲線與前人統(tǒng)計(jì)的-N曲線規(guī)律一致，由此，筆者認(rèn)為無(wú)論對(duì)于巖石的單軸還是疲勞破壞，其本質(zhì)可能都是應(yīng)變的累積。筆者參考李樹(shù)春的劃分特征，將應(yīng)變—時(shí)間曲線劃為四個(gè)階段。

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

（1）在初始、穩(wěn)定、加速區(qū)間內(nèi)，RMT試驗(yàn)機(jī)所得到的應(yīng)變一直在DIC所得到表觀應(yīng)變之上。分析原因，本次試驗(yàn)采用行程傳感器測(cè)量位移，因此由RMT試驗(yàn)機(jī)所得的應(yīng)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(jìn)入破壞階段后，P0遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了RMT所得的應(yīng)變，紅色區(qū)域即將剝落，但試樣整體并未破壞。相對(duì)于RMT所測(cè)的巖石整體應(yīng)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(yīng)巖石的損傷發(fā)展情況。

（3）進(jìn)入破壞階段后，P1也即將超過(guò)RMT所得的應(yīng)變，而P0仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RMT所得的整體應(yīng)變。因此基于DIC技術(shù)所得的表觀應(yīng)變更能精確反應(yīng)局部區(qū)域的應(yīng)變演化的真實(shí)情況。

3 結(jié)論

（1）基于DIC技術(shù)所得的表觀位移及應(yīng)變?cè)茍D能很好地反應(yīng)損傷發(fā)展情況，預(yù)測(cè)裂縫發(fā)展趨勢(shì)。

（2）與傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)相比，DIC技術(shù)所得的表觀應(yīng)變精度更高，且更能準(zhǔn)確反應(yīng)局部區(qū)域損傷發(fā)展情況。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51068003）