來自地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)全國重點實驗室的科研團(tuán)隊使用高速3D數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（3D-DIC）同步結(jié)合聲發(fā)射（AE）監(jiān)測，深入研究歷經(jīng)不同干濕循環(huán)次數(shù)后凝灰?guī)r的裂紋演化規(guī)律與損傷退化機(jī)理。

1 研究背景

在多雨山區(qū)高速公路及邊坡工程建設(shè)中，凝灰?guī)r等常見火山巖在干濕循環(huán)作用下力學(xué)性能發(fā)生劣化，其內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展與結(jié)構(gòu)松散，易引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗依賴軸向位移計或應(yīng)變片測量，難以捕捉巖石表面的不均勻變形及裂紋萌生與擴(kuò)展。科研團(tuán)隊引入中科君達(dá)視界自研的千眼狼（Revealer）高速3D數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（High-Speed 3D-DIC）同步結(jié)合聲發(fā)射（AE）監(jiān)測，對凝灰?guī)r在干濕循環(huán)作用下的損傷演化規(guī)律開展了系統(tǒng)性試驗研究。

2 試驗設(shè)備

2.1 單軸加載系統(tǒng)：采用多場耦合干濕循環(huán)滲透試驗系統(tǒng)完成單軸壓縮加載，用于模擬巖石在實際工程中的受力環(huán)境。

2.2 聲發(fā)射（AE）系統(tǒng)：用于捕捉巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的彈性波信號，可分析裂紋活動程度與損傷演化階段。

2.3 高速3D-DIC測試系統(tǒng)：試驗采用千眼狼（Revealer）3D-DIC系統(tǒng)，由2臺千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)M230組成雙目立體測量系統(tǒng)，用于采集試樣變形前后的表面散斑圖像，計算三維位移場、XY方向應(yīng)變場。

圖1 高速3D-DIC測試系統(tǒng)示意圖

3 試驗過程

3.1 試樣準(zhǔn)備

將采集高速公路邊坡的凝灰?guī)r加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體，按6組干濕循環(huán)次數(shù)（0、1、5、10、15、20次），每組5個試樣，制備共30個圓柱體。

3.2 3D-DIC測試流程

在試樣表面制作散斑，先噴涂白色啞光底漆，再噴涂黑色啞光漆形成隨機(jī)散斑。干燥后安裝試樣，調(diào)整高速攝像機(jī)位置、光圈和焦距，確保成像清晰。標(biāo)定后開始加載。

3.3 加載與同步采集

在加載過程中，高速3D-DIC的采集端2臺千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)M230持續(xù)采集試樣表面圖像，DIC系統(tǒng)實時計算三維位移場并反演應(yīng)變場，全程記錄直至試樣破壞。

4 試驗數(shù)據(jù)

單軸壓縮加載過程中，千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統(tǒng)完整記錄了不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下凝灰?guī)r試樣表面三維位移場與XY方向應(yīng)變場的演化過程：

I. 未經(jīng)干濕循環(huán)（0次）的試樣演化：如圖2所示。加載初期即裂紋閉合階段與線彈性階段（對應(yīng)第1、2列云圖），位移場分布均勻，應(yīng)變場無明顯異常，表明內(nèi)部微裂紋尚未擴(kuò)展；進(jìn)入穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段后（第3列云圖），試樣中部逐漸形成局部應(yīng)變集中區(qū)域，對應(yīng)微裂紋的萌生；該集中區(qū)在峰值階段迅速強(qiáng)化并發(fā)展為貫通性主裂紋，裂紋路徑基本沿軸向展開，破壞模式呈典型的拉伸破壞特征。 

II. 10次干濕循環(huán)的試樣演化：如圖3所示。前2階段演化類同0次試樣，進(jìn)入穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段（第3列云圖），即可觀察到較早出現(xiàn)的應(yīng)變局部化現(xiàn)象，范圍較0次循環(huán)明顯擴(kuò)大。峰值階段（第4列云圖），主裂紋兩側(cè)出現(xiàn)明顯次生裂紋，應(yīng)變場呈現(xiàn)多條帶狀分布，位移場開始出現(xiàn)不對稱特征，表明內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化使裂紋擴(kuò)展路徑更加復(fù)雜。

圖3  10次干濕循環(huán)次數(shù)下位移場與XY方向應(yīng)變場演化

III. 15次干濕循環(huán)的試樣演化：如圖4所示。應(yīng)變場的演化過程呈現(xiàn)更為顯著的損傷特征，在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段應(yīng)變集中區(qū)域更早形成；峰值階段形成的裂紋帶呈現(xiàn)一定傾斜角度與分叉現(xiàn)象，應(yīng)變集中區(qū)域分布更加離散，顯示破壞模式由張-拉主導(dǎo)向張-剪混合破壞模式轉(zhuǎn)變的趨勢。

圖4  15次干濕循環(huán)次數(shù)下位移場與XY方向應(yīng)變場演化

IV. 損傷形態(tài)對比：如圖5所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，主裂紋通道的次生裂紋數(shù)量顯著增加，幾何形態(tài)由簡單直裂向多分支、多方向擴(kuò)展轉(zhuǎn)變，代表宏觀破壞模式由單一貫通型向復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)演化。

圖5 0次-10次-15次干濕循環(huán)次數(shù)下峰值階段損傷對比圖

5 試驗結(jié)論

本次研究利用高速3D-DIC技術(shù)對凝灰?guī)r在干濕循環(huán)后的單軸壓縮破壞過程進(jìn)行了全場位移與應(yīng)變監(jiān)測，并結(jié)合AE分析后結(jié)論如下：

I. 基于千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統(tǒng)不僅可揭示干濕循環(huán)作用下裂紋萌生時間提前與應(yīng)變局部化增強(qiáng)特征，還能通過位移場與應(yīng)變場的空間分布變化可視化呈現(xiàn)裂紋路徑復(fù)雜化和破壞機(jī)制演變過程。

II. 高速3D-DIC觀測結(jié)果與AE演化趨勢高度一致（穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段對應(yīng)AE計數(shù)增加，峰值應(yīng)力前對應(yīng)AE能量激增和b值下降），驗證其在巖石力學(xué)研究中的可靠性。表面應(yīng)變場與內(nèi)部損傷信號的協(xié)同分析，為深入理解干濕循環(huán)作用下凝灰?guī)r的力學(xué)行為提供有效測量工具。

 III. 基于3D-DIC揭示的裂紋演化特征，為后續(xù)建立損傷退化模型提供試驗依據(jù)，表明高速3D-DIC在巖石力學(xué)與工程安全評估中具有廣闊應(yīng)用前景。