基于DIC全场应变测量的格构锚固协同作用机制研究

前言：

滑坡具有高滑移速度和长滑移距离的特点，滑坡灾害在高陡边坡、隧道进出口、公路边坡等区域频发，不仅造成直接经济损失，还可能引发次生灾害，如泥石流、交通中断等。为有效防治滑坡灾害，格构锚固体系因其良好的支护效果和适应性，被广泛应用于边坡治理工程中。

然而，传统的格构锚固体系设计多依赖经验公式和有限元模拟，缺乏对实际变形规律的系统认识。因此，开展模型试验研究，并结合先进的光学全场测量技术，获取变形场与应变场数据，对优化格构锚固体系设计具有重要意义。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术，对滑坡防治格构锚固模型进行三维全场变形监测，模拟实验有助于深入了解滑坡的形成机理、演化过程和破坏模式，揭示地质体在各种因素作用下的力学响应和变形规律，丰富和完善地质学、岩土力学等相关学科理论，为优化设计提供科学依据。

滑坡灾害发生及后果

持续强降雨，会导致黄土的含水量超过其抗剪强度，发生瞬态滑移。滑坡具有高滑移速度和长滑移距离的特点，往往对基础设施造成重大威胁，导致房屋损毁、道路中断、农田破坏等。

传统治理手段存在设计依赖经验、施工质量控制难、效果不明确等问题，亟需通过科学试验手段优化支护措施。

滑坡模型试验测试目标

• 本试验旨在模拟滑坡灾害发生过程；

• 评估格构锚固体系在滑坡防治中的变形响应；

• 获取边坡表面位移场与应变场分布；

• 分析锚固体系的应力分布与变形协调能力；

• 为格构锚固体系的优化设计提供变形数据支持。

DIC三维全场测量方案

数字图像相关技术（DIC）是一种基于图像匹配的非接触式全场变形测量方法，具有以下优势：

• 全场高分辨率监测：可获取任意位置的位移与应变；

• 非接触式：避免人为扰动；

• 动态实时性：适用于加载、滑坡全过程；

• 三维重建能力：可构建变形云图、应变云图；

• 数据丰富：可输出位移矢量、应变分量、主应变等。

1、DIC测量设备选型

工业相机：像素1200W，镜头12mm；

测试幅面：3.5*2.5米

测量原理：

通过在模型表面布置随机散斑图案，在变形前后采集图像，利用DIC算法计算图像匹配位移，进而得到变形场与应变场。

模型对象为滑坡，因视场较大且两边有框架会遮挡补光，故采用毛笔点制散斑，斑点尺寸与分布密度优化设计，在中间的混凝土结构锚上贴几个标记点，确保纹理特征可被DIC测量系统识别。

2、测试过程

模型制备

材料：泥沙混合材料，地质层实验模型地表；

比例：按1:15缩放；

尺寸：模型尺寸为1.5米*4米；

观测区域：1.5米*3米

仪器布置

XTDIC三维全场应变测量系统组装调试，标定。将镜头焦距调整到前后的中间位置。确保前后区域有足够景深能拍摄到清晰的照片。

• 加载过程：通过后端的液压装置前推，模拟灾害时边坡受力。

• 调整DIC设备拍摄帧率，开始实验。（下图为破坏后模型）

测试结果与位移场、应变场数据

1. 位移场云图

滑坡面前推位移图：

坡顶区域：最大位移量344.419mm

坡脚区域：最小位移143.101mm

边坡面上浮位移图：

坡顶区域：最大上浮位移量176.654mm

坡脚区域：底部最小位移量2.231mm。

边坡表面底部及顶部关键位置，前推及上浮位移曲线：

护坡结构锚关键位置位移曲线：

边坡裂纹产生位置：

边坡最终破坏形态：

结语

Summary

试验采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，实现了边坡变形的三维全场监测，在现场模型前后景深比较大的情况，测试数据结果完好，根据DIC测量数据可清晰观测边坡破坏的全过程及护坡结构锚的移动情况，为实验提供有效、多样的数据支持。

• 科学性强：分析格构锚固体系的承载机理及破坏形式、应力传递规律、反力模式及协同工作机理；

• 工程实用：为格构锚固体系设计优化提供了可靠依据；

• 方法创新：DIC技术在边坡模型试验中的成功应用，可推广至其他岩土工程领域；

• 决策支持：为滑坡防治工程设计与施工提供数据支撑。