岩石剪切变形的高精度非接触式测量：基于DIC技术的实践

前言：

岩体作为工程建设的基础，其力学性质直接关系到工程的安全性与稳定性。

分析岩体抗剪强度参数，有助于评估岩体的稳定性，为边坡、隧道等工程的设计和施工提供关键数据支持，确保工程在复杂地质条件下能够安全可靠地进行。

为何进行岩石剪切力学试验？

1、理论验证需求

确定岩体的抗剪强度参数，分析岩体在不同应力状态下的抗剪强度特性。

2、工程痛点破解

分析岩体突发性剪切滑移的微观机制，为工程设计中考虑结构面的影响提供依据。

3、填补参数缺口

为数值模拟提供剪切带宽度、应变梯度等关键本构参数。

4、安全预警探索

寻找宏观载荷失稳前的微观变形征兆，评估岩体的稳定性。

DIC技术在岩石力学中有那些应用？

• 应变分析

DIC技术可以用于测量岩石样品的形变和应变，了解其在不同加载条件下的变形行为。这对于评估岩石的强度、变形模量和断裂特性等参数至关重要。

• 裂隙行为分析

岩石中的裂隙是影响其力学性质的重要因素。DIC技术可以帮助研究人员观察和分析裂隙的形成、扩展和闭合过程，以及裂隙演化规律。

•  岩石断裂模式研究

使用DIC技术，可实时观测岩石在受载过程中的断裂模式，例如剪切、拉伸、挤压等，了解其断裂机制和断裂面的形态。

• 岩石动力学研究

在地震工程和岩土工程领域，了解岩石在高速加载下的动态响应至关重要。DIC技术搭配高速摄像机可以用于研究岩石在高速加载下的应变率、裂隙动态行为。

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         岩石剪切现场变形试验

项目目标

1、量化花岗岩在剪切荷载下的全场位移与应变演化

2、精准识别剪切带萌生位置、扩展路径及宽度

3、关联局部应变集中与宏观力学响应（峰值强度、软化行为）

新拓三维DIC技术方案

• 试样与加载：制备岩石剪切试样，在刚性伺服试验机上进行位移控制剪切加载。

• DIC系统配置：高分辨率工业相机（500万像素，配备25mm定焦镜头，畸变小、成像质量高，保证精度）

• 定制散斑图案（高对比度哑光漆面）

• 均匀LED冷光源（消除热干扰）

• 专业DIC分析软件（匹配亚像素算法，计算关注区域覆盖岩石剪切面）

•  数据同步： DIC系统与试验机荷载-位移数据实时同步采集。

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        DIC技术应用与测试结果

XTDIC三维全场应变测量系统：全场应变捕捉利器

• 非接触式、实时追踪试样表面位移，生成全场位移云图

• 捕捉毫米级到微米级的动态位移与应变分布

• 剪切带动态演化捕捉，发现局部应变集中区，预示潜在破坏面

DIC软件进行实验数据处理

采用DIC分析软件对岩石剪切的应变位移进行数据分析。

• 剪切过程中，岩石产生不同程度的裂缝，随着时间的变化，裂缝扩展。

• DIC软件输出3D云图，主要反映剪切裂缝出现前后的位移应变变化。

剪切加载过程位移云图

剪切加载过程应变云图

DIC软件点分析功能，对岩石关键位置的两个点进行数据提取和曲线图绘制，得到其位移和应变随时间变化的曲线图：

Y方向位移

X方向位移

结语

Summary

• DIC技术可揭示岩石剪切的局部化应变演化细节与全场定量数据，为构建更精准的岩体破坏预测模型、优化地质灾害防控策略提供了不可替代的数据基石。

• DIC技术可定量验证应变局部化主导岩石剪切破坏，明确剪切带是能量耗散与变形控制的核心载体。

• 为岩石剪切本构模型（如应变软化模型、非局部理论）提供关键参数（剪切带宽度、应变阈值）。

• DIC技术通过分析岩石抗剪性能，并可进一步拓展至裂隙岩体剪切、结构面抗剪强度、锚固岩体协同变形等场景，为复杂地质工程稳定性分析提供共性技术支撑。