DIC全场变形测量揭示初始损伤软硬互层岩体蠕变变形与渐进破坏机制

使用千眼狼(Revealer)高速DIC系统和声发射监测开展不同初始损伤岩样分级蠕变试验。结果表明,岩样表面不同区域逐渐由协调变形转向非协调变形;DIC 获得的变形差异系数发生阶段性转折,可为岩体由局部损伤向宏观失稳演化提供表面变形前兆信息。

1 实验背景

地震作用会在岩体内部形成裂纹、孔隙等初始损伤,后续长期干湿循环及重力荷载又会进一步促进损伤累积,使岩体逐渐进入蠕变变形和渐进破坏阶段。

对于软硬互层岩体,由于软硬岩层在弹性模量、强度和变形能力方面存在明显差异,层间界面容易产生应力集中,其渐进破坏往往不是整个试样同步发生,而首先表现为局部损伤、局部变形集中和裂纹扩展。

传统轴向位移测量能够反映整体蠕变量,却难以揭示不同位置是否同步变形、局部变形首先在哪里出现,以及局部异常何时开始向宏观破坏演化。

为此,中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室研究团队在分级蠕变试验中同步引入声发射和高速DIC系统。AE用于表征内部微裂纹活动,高速DIC用于获取岩样表面位移场及不同区域的变形差异,内外两个维度研究初始损伤条件下岩体的渐进破坏过程。

2 实验设备

实验系统包括岩石力学试验机、多通道声发射系统、千眼狼(Revealer)高速DIC系统以及SEM等微观表征设备。

千眼狼(Revealer)高速DIC系统承担岩样表面全场变形场测量任务,由一台高速摄像机、LED光源、数字图像相关DIC软件、数据处理计算机组成。

高速摄像机作为DIC系统的图像采集单元,本次实验图像分辨率1280×1024 pixel,采集频率为40 Hz。岩样表面沿轴向由上至下划分Z1-Z5五个监测区域,用于提取不同区域最大轴向位移及时序演化。

与传统接触式单点位移测量相比,高速DIC能够基于连续图像序列获得非接触、全场、时序化的表面变形信息,从而定量分析局部变形集中、区域变形失配以及临近破坏阶段空间非均匀性演化。

图1-千眼狼(Revealer)高速DIC系统测量软硬互层岩样表面变形场,并沿轴向设置Z1—Z5五个位移监测区域,用于分析蠕变过程中的局部非均匀变形

3 实验方法

研究对象包括变质砂岩MR、千枚岩PR以及变质砂岩-千枚岩互层组合岩样IR,加工为直径50 mm、高100 mm的标准圆柱试样。

实验首先通过不同次数的循环加载-卸载模拟地震扰动造成的机械损伤,再实施10、20、30次干湿循环,模拟周期性水环境对岩体的进一步劣化;随后对具有不同初始损伤程度岩样开展分级蠕变试验。每一级应力加载后保持8 h,再逐级增加蠕变应力直至岩样破坏。初始损伤程度根据损伤前后P波波速变化进行表征。

蠕变过程中,加载系统记录整体力学响应,AE系统表征内部微裂纹活动,千眼狼(Revealer)高速DIC系统同步采集岩样表面散斑图像并计算全场位移,从Z1~Z5区域提取最大轴向位移,进一步研究局部变形的空间差异及其随蠕变过程的演化。

4 实验数据

4.1 初始损伤强化岩体蠕变效应

随着蠕变应力提高,MR、PR和IR岩样的轴向变形增大,蠕变速率加快。初始损伤程度越高,同一应力水平下的蠕变变形越明显,同时蠕变破坏应力降低、总蠕变破坏时间缩短。整体蠕变曲线说明岩体正在加速损伤,但仅依靠整体轴向位移仍难判断局部损伤的位置与空间演化过程。

4.2 DIC全场测量揭示区域变形由协调向非协调演化

高速DIC提取Z1~Z5五个监测区域的最大轴向位移,结果显示,蠕变初期,不同区域的位移差异较小;随着加载持续,区域间位移逐渐分化,表明岩样表面由相对协调变形逐渐转向明显的空间非均匀变形。

这一结果说明,宏观蠕变变形背后存在明显的空间局部化过程。高速DIC可以将传统整体位移测试难以识别的区域变形失配转化为具有时间和空间信息的定量数据。

图2-千眼狼(Revealer)高速DIC系统测得软硬互层岩体Z1—Z5监测区域最大轴向位移随蠕变时间演化,不同区域位移逐渐分化,反映表面非均匀变形的发展

4.3 变形差异系数捕捉临近失稳的阶段性转折

为进一步量化不同区域间非协调变形,研究依据Z1~Z5监测区域最大轴向位移建立“变形差异系数”,比较不同位置表面位移的相对变化。

高速DIC系统测量结果显示,该参数具有明显的三阶段演化特征:

第一阶段,不同监测区域变形较为同步,区域间变形差异有限。

第二阶段,区域间变形差异逐渐扩大,表面变形局部化增强。

第三阶段,局部区域变形重新快速增长,变形差异系数明显上升。此时内部微裂纹已积累并发生贯通,局部变形强化,岩样开始接近临界破坏状态。

高速DIC观测的变形差异系数由下降转为上升,可作为岩样临近失稳的重要表面变形前兆指标。

图3-千眼狼(Revealer)高速DIC表征变质砂岩MR、千枚岩PR及软硬互层岩体IR不同区域最大轴向位移关系和变形差异系数三阶段演化,Stage II向Stage III转折对应局部裂纹贯通及岩样临近宏观失稳

4.4 高速DIC与声发射建立“外部变形-内部损伤”互证

高速DIC获取的是岩样表面全场变形,而AE记录的是岩样内部微裂纹活动释放的弹性波信号,两类信息具有不同物理来源。

声发射结果显示,随着蠕变应力提高,内部裂纹活动增强,高频AE事件比例增加;临近破坏时,高RA/AF事件增多,剪切破裂活动明显增强。

与此同时,高速DIC显示不同表面区域变形差异逐渐分化,并在临破坏阶段出现变形差异系数的阶段性转折。

二者结合,可从内部、表观和时空演化多个角度提高岩体破坏前兆识别能力。

5 实验结论

I. 初始损伤显著加剧软硬互层岩体IR的长期蠕变效应:随着初始损伤增加,岩样蠕变变形和稳态蠕变速率增大,进入稳定蠕变所需时间延长,而总蠕变破坏时间缩短、长期强度降低;且该影响在高蠕变应力下更加明显。

II.高速DIC揭示整体蠕变曲线无法反映的局部非协调变形:不同区域表面变形由相对同步逐渐转向明显分化,变形差异系数呈阶段性演化,其中由下降转为上升的转折对应局部裂纹贯通和变形加速,可作为岩样接近宏观失稳的重要表面变形判据。

III.高速DIC与AE实现了岩体渐进破坏的内外联合表征:高速DIC提供全场表面变形信息,AE提供内部微裂纹活动和破裂信息,两者共同构成内部损伤-表面变形-宏观失稳的证据链,为软硬互层岩体长期稳定性评价和失稳前兆识别提供实验依据。