在巖石力學與邊坡工程研究中，如何精準捕捉巖石在復雜環境下的變形與破壞過程，一直是學者們關注的核心問題。地質災害防治與地質環境保護全國重點實驗室的科研人員采用千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統，結合聲發射監測AE技術，對凝灰巖在干濕循環作用下的損傷演化規律開展了系統性試驗研究，為巖石力學領域的DIC技術應用提供了典型案例。
一、研究背景：為什么巖石力學研究需要3D-DIC系統
多雨山區高速公路及邊坡工程中，凝灰巖等火山碎屑巖因反復失水與吸水經歷干濕循環，導致力學性能劣化，內部微裂紋擴展，易引發滑坡等地質災害。傳統巖石力學試驗依賴應變片或位移計，難以捕捉巖石表面的非均勻變形與裂紋萌生全過程。因此，在巖石破壞機理研究中，越來越多科研團隊開始引入三維數字圖像相關技術（3D-DIC），通過高速攝像機對試樣表面散斑圖像進行連續采集，實時反演巖石的三維位移場與應變場分布。
本研究中，科研團隊采用千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統同步結合聲發射（AE）監測，對不同干濕循環次數下凝灰巖的裂紋演化過程進行了系統研究。
二、試驗設備：千眼狼（Revealer）3D-DIC系統價值
本研究試驗系統由三部分組成：
1、單軸加載系統：采用DYT-50多場耦合干濕循環滲透試驗系統進行單軸壓縮加載，用于模擬巖石在實際工程中的受力環境。
2、聲發射（AE）系統：用于監測巖石內部裂紋擴展產生的彈性波信號，可分析裂紋活動成都與損傷演化階段。
3、高速3D-DIC系統（核心設備）：
試驗采用千眼狼（Revealer）3D-DIC系統，由兩臺Revealer M230高速攝像機組成雙目立體測量系統，通過圖像匹配算法計算試驗表面的三維位移場、XY方向應變場。相比普通DIC設備，千眼狼（Revealer）3D-DIC系統具備以下特征：
●高速成像能力，適用于巖石破壞瞬態過程
●三維應變測量精度更高
●穩定的全場變形計算能力
●適配巖石力學與材料破壞研究
圖1 高速3D-DIC測試系統示意圖
三、試驗過程：高速3D-DIC巖石試驗標準流程
1、試樣準備：將采集高速公路邊坡的凝灰巖加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體，按6組干濕循環次數（0、1、5、10、15、20次），每組5個試樣，制備共30個圓柱體。
2、散斑制作：試樣表面先噴涂白色啞光底漆，再噴涂黑色啞光漆形成隨機散斑，確保DIC系統可準確追蹤表面點位移。干燥后安裝試樣，調整高速攝像機位置、光圈和焦距，確保成像清晰。標定后開始加載。
3、加載與同步采集：單軸壓縮以位移控制加載，千眼狼（Revealer）高速攝像機M230持續采集試樣表面圖像，千眼狼（Revealer）3D-DIC系統實時計算三維位移場并反演應變場，全程記錄直至試樣破壞。
四、試驗數據：3D-DIC揭示裂紋演化全過程
千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統完整記錄了不同干濕循環次數下凝灰巖試樣的位移場與應變場演化過程。
1、未經干濕循環（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（對應第1、2列云圖），位移場分布均勻，應變場無明顯異常，表明內部微裂紋尚未擴展；進入穩定裂紋擴展階段后（第3列云圖），試樣中部逐漸形成局部應變集中區域，對應微裂紋的萌生；該集中區在峰值階段迅速強化并發展為貫通性主裂紋，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。
圖2 0次干濕循環次數下位移場與XY方向應變場演化
2、10次干濕循環的試樣演化：如圖3所示。前2階段演化類同0次試樣，進入穩定裂紋擴展階段（第3列云圖），即可觀察到較早出現的應變局部化現象，范圍較0次循環明顯擴大。峰值階段（第4列云圖），主裂紋兩側出現明顯次生裂紋，應變場呈現多條帶狀分布，位移場開始出現不對稱特征，表明內部結構劣化使裂紋擴展路徑更加復雜。
圖3 10次干濕循環次數下位移場與XY方向應變場演化
3、15次干濕循環的試樣演化：如圖4所示。應變場的演化過程呈現更為顯著的損傷特征，在穩定裂紋擴展階段應變集中區域更早形成；峰值階段形成的裂紋帶呈現一定傾斜角度與分叉現象，應變集中區域分布更加離散，顯示破壞模式由張-拉主導向張-剪混合破壞模式轉變的趨勢。
圖4 15次干濕循環次數下位移場與XY方向應變場演化
5、損傷形態對比：如圖5所示。隨著干濕循環次數增加，主裂紋通道的次生裂紋數量顯著增加，幾何形態由簡單裂向向多分支、多方向擴展轉變，代表宏觀破壞模式由單一貫通型向復雜裂隙網絡演化。
圖5 0次-10次-15次不同干濕循環次數下峰值階段損傷對比圖
五、試驗結論：高速3D-DIC在巖石力學研究中的價值
本次研究利用高速3D-DIC技術對凝灰巖在干濕循環后的單軸壓縮破壞過程進行了全場位移與應變監測，并結合AE分析后結論如下：
I. 基于千眼狼（Revealer）高速3D-DIC系統不僅可揭示干濕循環作用下裂紋萌生時間提前與應變局部化增強特征，而且通過位移場與應變場的空間分布變化，可視化呈現裂紋路徑復雜化和破壞機制演變過程。
II. 高速3D-DIC觀測結果與AE演化趨勢高度一致（穩定裂紋擴展階段對應AE計數增加，峰值應力前對應AE能量激增和b值下降），驗證其在巖石力學研究中的可靠性。表面應變場與內部損傷信號的協同分析，為深入理解干濕循環作用下凝灰巖的力學行為提供有效測量工具。
III. 基于3D-DIC揭示的裂紋演化特征，為后續建立損傷退化模型提供試驗依據，表明高速3D-DIC在巖石力學與工程安全評估中具有廣闊應用前景。
本次研究的學術詳情可查詢：doi: 10.1063/5.0273697。千眼狼（Revealer）3D-DIC 系統在試驗中的表現證明其是巖石力學研究中干濕循環損傷監測、裂紋演化分析的有效工具。
轉自：鷹潭新聞網
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