基于DIC的泥质白云岩单轴压缩破坏过程分析
吉卓礼 邓建华 王玲玲
摘 要：泥质白云岩已应用于贵州省公路和桥梁基础设施中，其力学性能对结构的可靠性起着关键作用。笔者结合数字图像相关（DIC）技术与RMT试验机，建立了泥质白云岩力学性能测试系统，并以单轴压缩为例，获得泥质白云岩表观位移及应变云图，揭示损伤演化规律，并与传统岩石力学试验机进行对比，阐明该测试系统的适用性与准确性。
关键词：单轴压缩；DIC技术；位移云图；应变云图；损伤演化
中图分类号：TB12 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0075-03
泥质白云岩作为一种软岩广泛分布于贵州各地，相比于硬岩，软岩具有强度低、变形大、易风化、复杂多变等工程特点。近年来，随着我国西部开发的大力推进，贵州省基础设施建设大幅度增加，很多高层建筑、大跨桥梁都以软岩为基础，因此泥质白云岩的力学特性越来越受到学者们的关注。黄彦森研究了不同含水率对泥质白云岩力学特性的影响；吴安杰研究了冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律；郭建强研究了不同试验条件下泥质白云岩的物理力学特征；王桂林研究了干湿循环作用下贵州泥质白云岩的物理力学特性。
DIC技术又名数字散斑相关，是在20世纪80年代初由日本的山口一郎和美国的peters等人同时提出来的。近几十年来DIC技术因其全场、全过程变形测量、非接触、简单易用等特点逐渐被应用到各个领域、各个方面。宋海鹏对二维和三维数字散斑相关技术的测量误差进行了分析，并在此基础上提出了岩石损伤双因子演化曲线。张皓在宋海鹏的基础上对损伤双因子做了进一步的优化；苑苗苗利用数字散斑相关技术观测了沥青混合料疲劳破坏过程并分析了破坏机理；申志彬利用数字图像相关测试了固体推进剂的粘弹性泊松比。
1 泥质白云岩单轴压缩破坏过程
数字散斑相关技术的基本原理是利用物体变形前后的数字图像得到物体变形过程中的位移和应变云图。数字散斑相关测试系统具有非接触、全场、全过程、对环境要求低等优点，该系统主要由图像采集、数字图像相关分析、结果输出三部分组成，如下图1所示。
本文在实验室搭建了DIC测试系统，并在该测试系统的基础上观测了泥质白云岩的单轴压缩过程，试验所用的试样取自贵阳市三桥圣泉流云附近某工地，将试样加工打磨成直径为50mm，高度为100mm的圆柱体，使其两个端面的平整度误差不超过0.02mm，且试件的侧面应光滑笔直、满足垂直度要求。本次试验共选取3个试样，分别编号为A-1、A-2、A-3。利用贵州大学力学实验室的RMT-301岩石与混凝土多功能试验机对泥质白云岩进行单轴压缩试验，试验采用力控制，力的加载速率为0.1KN/s。表1是对3个岩石试样单轴压缩结果的统计。如下图2所示为试样A-1的单轴压缩应力—应变曲线，可以看到曲线包括压密阶段（OA）、线弹性阶段（AB）、裂纹开裂稳定扩展阶段（BC）、裂纹开裂加速扩展阶段（CD）和破坏阶段（D点以后）五个部分。
选取A-1试样单轴压缩曲线上的几个关键节点（O、A、B、C、D），研究其基于DIC技术的位移云图、应变云图演化过程，由于岩石最后的破坏形态为多条竖向裂纹，故本文选取主拉应变e1来观测岩石应变发展情况。图3为该试样坐标轴设置情况，图4为泥质白云岩单轴压缩曲线关键节点位移及应变云图。
由图4可见，岩石的竖向位移全为负值，呈明显的压缩状态，在O点时，岩石处于压密阶段，此时并没有表现出很明显的压缩规律；待受力值达到A点后，岩石的受压状态已经表现的较为明显，竖向位移全为负值，越到上面负值越大，这与我们的理论分析一致；随着受力继续增大，B、C、D三点竖向位移的規律较A点并没有呈现出太大的变化，只是在数值上呈现出不断增大的趋势。
在图3所示的坐标轴设置状态下，当一个均质弹性体处于受压状态时，其水平位移应呈竖向规律，且位于Y轴左边的竖向位移为负值，位于Y轴右边的竖向位移为正值。由于岩石并非是一个均质的弹性体材料，从图4可见，其水平位移大致表现为竖向状态。在O点时，由于岩石处于压密阶段，其水平位移规律较为散乱，并没有呈现出竖向状态；当受力值达到A点时，岩石的水平位移规律已经表现出来；随着受力状态的增大，B、C、D三点的水平位移不仅在数值上不断增大，而且呈现出更明显的竖向规律。在D点时，水平位移出现明显的跳跃区间，直接从紫色负值区域跳跃到红色正值区域，说明此区间已经产生裂缝，这与我们采集到的图片规律相一致，可见水平位移能够很好的说明裂缝的发展情况。
从主拉应变e1的演化情况可知，在O点时，应变较大值红色区域的分布较为离散且数值较小；A点时，应变较大值红色区域主要集中在岩石的右上角且较O点数值有所增大；B、C、D三点随着受力的增大，岩石应变较大值红色区域越来越往右上角集中且数值越来越大，在D点时岩石的右上角已经破裂，可见表观应变的演化情况同样能预测出岩石裂缝的发展情况。
2 泥质白云岩单轴压缩应变对比
以A-1试样为例，将RMT岩石力学试验机得到应变与DIC技术得到的表观应变进行对比。本次试验过程中共采集了615张照片，由于从第611张照片开始岩石的表面出现了剥落，表观应变出现部分损失，故本文选取610张以前的照片进行分析。如图5所示，选取第610张照片中的几个具有代表性的点（P0、P1、P2），抽取这3个点各个时刻的表观应变值，绘制应变—时间曲线并与RMT试验机得到的应变—时间曲线进行对比（如图6所示）。
图6中，RMT试验机得到的应变与DIC技术得到的表观应变演化规律一致。笔者将应变—时间曲线分成了四个阶段，对于应变的演化规律，不同学者做了不同的划分。此前，在研究岩石疲劳的过程中，肖建清统计了-N曲线并将其分为三个阶段：初始阶段、等速阶段、加速阶段。李树春基于岩石的应变与软化规律，将应变发展规律分为初始、稳定、加速、破坏四个阶段。从图6看，泥质白云岩的单轴应变—时间曲线与前人统计的-N曲线规律一致，由此，笔者认为无论对于岩石的单轴还是疲劳破坏，其本质可能都是应变的累积。笔者参考李树春的划分特征，将应变—时间曲线划为四个阶段。
图6中，P0代表表观应变中数值最大的红色区域的演化情况，P1代表表观应变中数值较大区域的演化情况，P2代表表观应变中数值最小区域的演化情况。分析对比可得如下规律：
（1）在初始、稳定、加速区间内，RMT试验机所得到的应变一直在DIC所得到表观应变之上。分析原因，本次试验采用行程传感器测量位移，因此由RMT试验机所得的应变可能包含了垫块、垫块间隙等的变形，所以数值偏大。
（2）进入破坏阶段后，P0远远超过了RMT所得的应变，红色区域即将剥落，但试样整体并未破坏。相对于RMT所测的岩石整体应变的演化情况，P0所代表的数值最大的红色区域更能精确反应岩石的损伤发展情况。
（3）进入破坏阶段后，P1也即将超过RMT所得的应变，而P0仍远远小于RMT所得的整体应变。因此基于DIC技术所得的表观应变更能精确反应局部区域的应变演化的真实情况。
3 结论
（1）基于DIC技术所得的表观位移及应变云图能很好地反应损伤发展情况，预测裂缝发展趋势。
（2）与传统的岩石力学试验机相比，DIC技术所得的表观应变精度更高，且更能准确反应局部区域损伤发展情况。
参考文献：
[1]黄彦森，邓建华.含水率对泥质白云岩力学特性影响的试验研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（2）：276—284.
[2]吴安杰，邓建华.冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究[J].岩土力学，2014，35（11）：3056—3072.
[3]郭建强，黄质宏.不同试验条件下泥质白云岩物理力学特性试验研究[J].贵州大学学报，2016，33（3）：110—113.
[4]王桂林.干湿循环作用下贵州泥质白云岩的物理特性试验研究[J].科技与创新，2016，21：4-6.
[5]Yamaguchi I. Simplified Laser-speckle strain gauge[J].Optical Engineering，1982，21（3）：213436—213436.
[6]Peters W H，Ranson W F. Digital imaging techniques in experimental stress analysis[J].Optical Engineering，1982，21（3）：213427—213427.
[7]宋海鵬.数字图像相关方法及其在材料损伤破坏实验中的应用[D].天津：天津大学，2013.
[8]张皓.准脆性材料损伤演化的实验力学研究[D].天津：天津大学，2014.
[9]苑苗苗.基于数字散斑相关方法的沥青混合料疲劳破坏机理研究[D].广州：华南理工大学，2013.
[10]申志彬，邓斌.推进剂粘弹性泊松比测试的数字图像相关方法[J].固体火箭技术，2016，39（4）：513—518.
[11]肖建清.循环荷载作用下岩石疲劳特性的理论与实验研究[D].长沙：中南大学，2009.
[12]李树春.周期荷载作用下岩石变形与损伤规律及其非线性特征[D].重庆：重庆大学，2008.
基金项目：国家自然科学基金（No.51068003）
摘 要：泥质白云岩已应用于贵州省公路和桥梁基础设施中，其力学性能对结构的可靠性起着关键作用。笔者结合数字图像相关（DIC）技术与RMT试验机，建立了泥质白云岩力学性能测试系统，并以单轴压缩为例，获得泥质白云岩表观位移及应变云图，揭示损伤演化规律，并与传统岩石力学试验机进行对比，阐明该测试系统的适用性与准确性。
关键词：单轴压缩；DIC技术；位移云图；应变云图；损伤演化
中图分类号：TB12 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0075-03
泥质白云岩作为一种软岩广泛分布于贵州各地，相比于硬岩，软岩具有强度低、变形大、易风化、复杂多变等工程特点。近年来，随着我国西部开发的大力推进，贵州省基础设施建设大幅度增加，很多高层建筑、大跨桥梁都以软岩为基础，因此泥质白云岩的力学特性越来越受到学者们的关注。黄彦森研究了不同含水率对泥质白云岩力学特性的影响；吴安杰研究了冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律；郭建强研究了不同试验条件下泥质白云岩的物理力学特征；王桂林研究了干湿循环作用下贵州泥质白云岩的物理力学特性。
DIC技术又名数字散斑相关，是在20世纪80年代初由日本的山口一郎和美国的peters等人同时提出来的。近几十年来DIC技术因其全场、全过程变形测量、非接触、简单易用等特点逐渐被应用到各个领域、各个方面。宋海鹏对二维和三维数字散斑相关技术的测量误差进行了分析，并在此基础上提出了岩石损伤双因子演化曲线。张皓在宋海鹏的基础上对损伤双因子做了进一步的优化；苑苗苗利用数字散斑相关技术观测了沥青混合料疲劳破坏过程并分析了破坏机理；申志彬利用数字图像相关测试了固体推进剂的粘弹性泊松比。
1 泥质白云岩单轴压缩破坏过程
数字散斑相关技术的基本原理是利用物体变形前后的数字图像得到物体变形过程中的位移和应变云图。数字散斑相关测试系统具有非接触、全场、全过程、对环境要求低等优点，该系统主要由图像采集、数字图像相关分析、结果输出三部分组成，如下图1所示。
本文在实验室搭建了DIC测试系统，并在该测试系统的基础上观测了泥质白云岩的单轴压缩过程，试验所用的试样取自贵阳市三桥圣泉流云附近某工地，将试样加工打磨成直径为50mm，高度为100mm的圆柱体，使其两个端面的平整度误差不超过0.02mm，且试件的侧面应光滑笔直、满足垂直度要求。本次试验共选取3个试样，分别编号为A-1、A-2、A-3。利用贵州大学力学实验室的RMT-301岩石与混凝土多功能试验机对泥质白云岩进行单轴压缩试验，试验采用力控制，力的加载速率为0.1KN/s。表1是对3个岩石试样单轴压缩结果的统计。如下图2所示为试样A-1的单轴压缩应力—应变曲线，可以看到曲线包括压密阶段（OA）、线弹性阶段（AB）、裂纹开裂稳定扩展阶段（BC）、裂纹开裂加速扩展阶段（CD）和破坏阶段（D点以后）五个部分。
选取A-1试样单轴压缩曲线上的几个关键节点（O、A、B、C、D），研究其基于DIC技术的位移云图、应变云图演化过程，由于岩石最后的破坏形态为多条竖向裂纹，故本文选取主拉应变e1来观测岩石应变发展情况。图3为该试样坐标轴设置情况，图4为泥质白云岩单轴压缩曲线关键节点位移及应变云图。
由图4可见，岩石的竖向位移全为负值，呈明显的压缩状态，在O点时，岩石处于压密阶段，此时并没有表现出很明显的压缩规律；待受力值达到A点后，岩石的受压状态已经表现的较为明显，竖向位移全为负值，越到上面负值越大，这与我们的理论分析一致；随着受力继续增大，B、C、D三点竖向位移的規律较A点并没有呈现出太大的变化，只是在数值上呈现出不断增大的趋势。
在图3所示的坐标轴设置状态下，当一个均质弹性体处于受压状态时，其水平位移应呈竖向规律，且位于Y轴左边的竖向位移为负值，位于Y轴右边的竖向位移为正值。由于岩石并非是一个均质的弹性体材料，从图4可见，其水平位移大致表现为竖向状态。在O点时，由于岩石处于压密阶段，其水平位移规律较为散乱，并没有呈现出竖向状态；当受力值达到A点时，岩石的水平位移规律已经表现出来；随着受力状态的增大，B、C、D三点的水平位移不仅在数值上不断增大，而且呈现出更明显的竖向规律。在D点时，水平位移出现明显的跳跃区间，直接从紫色负值区域跳跃到红色正值区域，说明此区间已经产生裂缝，这与我们采集到的图片规律相一致，可见水平位移能够很好的说明裂缝的发展情况。
从主拉应变e1的演化情况可知，在O点时，应变较大值红色区域的分布较为离散且数值较小；A点时，应变较大值红色区域主要集中在岩石的右上角且较O点数值有所增大；B、C、D三点随着受力的增大，岩石应变较大值红色区域越来越往右上角集中且数值越来越大，在D点时岩石的右上角已经破裂，可见表观应变的演化情况同样能预测出岩石裂缝的发展情况。
2 泥质白云岩单轴压缩应变对比
以A-1试样为例，将RMT岩石力学试验机得到应变与DIC技术得到的表观应变进行对比。本次试验过程中共采集了615张照片，由于从第611张照片开始岩石的表面出现了剥落，表观应变出现部分损失，故本文选取610张以前的照片进行分析。如图5所示，选取第610张照片中的几个具有代表性的点（P0、P1、P2），抽取这3个点各个时刻的表观应变值，绘制应变—时间曲线并与RMT试验机得到的应变—时间曲线进行对比（如图6所示）。
图6中，RMT试验机得到的应变与DIC技术得到的表观应变演化规律一致。笔者将应变—时间曲线分成了四个阶段，对于应变的演化规律，不同学者做了不同的划分。此前，在研究岩石疲劳的过程中，肖建清统计了-N曲线并将其分为三个阶段：初始阶段、等速阶段、加速阶段。李树春基于岩石的应变与软化规律，将应变发展规律分为初始、稳定、加速、破坏四个阶段。从图6看，泥质白云岩的单轴应变—时间曲线与前人统计的-N曲线规律一致，由此，笔者认为无论对于岩石的单轴还是疲劳破坏，其本质可能都是应变的累积。笔者参考李树春的划分特征，将应变—时间曲线划为四个阶段。
图6中，P0代表表观应变中数值最大的红色区域的演化情况，P1代表表观应变中数值较大区域的演化情况，P2代表表观应变中数值最小区域的演化情况。分析对比可得如下规律：
（1）在初始、稳定、加速区间内，RMT试验机所得到的应变一直在DIC所得到表观应变之上。分析原因，本次试验采用行程传感器测量位移，因此由RMT试验机所得的应变可能包含了垫块、垫块间隙等的变形，所以数值偏大。
（2）进入破坏阶段后，P0远远超过了RMT所得的应变，红色区域即将剥落，但试样整体并未破坏。相对于RMT所测的岩石整体应变的演化情况，P0所代表的数值最大的红色区域更能精确反应岩石的损伤发展情况。
（3）进入破坏阶段后，P1也即将超过RMT所得的应变，而P0仍远远小于RMT所得的整体应变。因此基于DIC技术所得的表观应变更能精确反应局部区域的应变演化的真实情况。
3 结论
（1）基于DIC技术所得的表观位移及应变云图能很好地反应损伤发展情况，预测裂缝发展趋势。
（2）与传统的岩石力学试验机相比，DIC技术所得的表观应变精度更高，且更能准确反应局部区域损伤发展情况。
参考文献：
[1]黄彦森，邓建华.含水率对泥质白云岩力学特性影响的试验研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（2）：276—284.
[2]吴安杰，邓建华.冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究[J].岩土力学，2014，35（11）：3056—3072.
[3]郭建强，黄质宏.不同试验条件下泥质白云岩物理力学特性试验研究[J].贵州大学学报，2016，33（3）：110—113.
[4]王桂林.干湿循环作用下贵州泥质白云岩的物理特性试验研究[J].科技与创新，2016，21：4-6.
[5]Yamaguchi I. Simplified Laser-speckle strain gauge[J].Optical Engineering，1982，21（3）：213436—213436.
[6]Peters W H，Ranson W F. Digital imaging techniques in experimental stress analysis[J].Optical Engineering，1982，21（3）：213427—213427.
[7]宋海鵬.数字图像相关方法及其在材料损伤破坏实验中的应用[D].天津：天津大学，2013.
[8]张皓.准脆性材料损伤演化的实验力学研究[D].天津：天津大学，2014.
[9]苑苗苗.基于数字散斑相关方法的沥青混合料疲劳破坏机理研究[D].广州：华南理工大学，2013.
[10]申志彬，邓斌.推进剂粘弹性泊松比测试的数字图像相关方法[J].固体火箭技术，2016，39（4）：513—518.
[11]肖建清.循环荷载作用下岩石疲劳特性的理论与实验研究[D].长沙：中南大学，2009.
[12]李树春.周期荷载作用下岩石变形与损伤规律及其非线性特征[D].重庆：重庆大学，2008.
基金项目：国家自然科学基金（No.51068003）
