一种基于DIC的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法

一种基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法，属于岩土力学测试技术领域。


背景技术：

2.随着人们环保意识的提高和人们对能源需求的不断增长，越来越多的核电站被建成启用，在核电站的运营过程中，不可避免地会产生高放射性核废料。目前针对高放射性核废料，多采用深层地质处置的方案。高放核废料的地质处置必须要考虑长期安全性，因为大量的工程实践表明：在许多情况下，岩石工程的失稳和破坏，并不是在开挖完成或工程完工后立即发生的，而是要滞后一段时期。这涉及到岩体的蠕变行为。地下洞室周围，通常由于挖掘扰动的原因产生一些裂缝，这些裂缝的存在导致岩体结构的抗剪强度远小于完整岩体，会大大降低地下洞室的稳定性。为了考虑地下洞室的长期稳定性，除了了解完整岩石本身的蠕变特性之外，还需要了解岩体界面的剪切蠕变特性。
3.目前岩石界面剪切蠕变研究都是借助岩石剪切流变试验装置进行，这种方法针对带节理岩石进行剪切蠕变研究，需要使用的试样为天然带裂隙岩样，其试样制备较为困难。由于试验过程中试样的上下层之间会发生相对滑动，因此无法通过在岩体界面上粘贴应变片来测量岩体界面的剪切蠕变量，只能通过千分表来测量试样上下两层的相对位移，测量精度较差。由于试验过程中岩体界面和岩石本身都在发生蠕变，其试验结果更多的是描述了节理岩石这一结构的蠕变性能，而无法单独准确描述岩体界面的蠕变性能，无法观测岩体界面的局部剪切蠕变变形。同时，由于天然裂隙的不均匀性和随机性，该类岩石界面剪切蠕变试验的可重复性较差。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，提出了结果准确、易于操作的一种基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法。
5.本发明采用如下技术方案：
6.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,包括支架、垂直加载模块、水平加载模块、水平位移传感器一、水平位移传感器二、应变片、数据采集模块、dic系统、据采集模块、主机一；所述的支架内布置垂直加载模块及水平加载模块；垂直加载模块及水平加载模块之间放置岩体试样，岩体试样的两侧分别设有水平位移传感器一，水平位移传感器二；岩体试样外侧表面布置应变片；
7.垂直加载模块、水平加载模块、水平位移传感器一、水平位移传感器二、应变片通过数据线与数据采集模块相连，数据采集模块与主机一相连；位于支架的外侧布置dic系统。
8.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,所述dic系统包括dic支座、dic底座，万向节，x轴向平滑块，y轴向平移滑块，z轴向平移滑块、高分辨率相机、照明光源、
图像采集卡、主机二；所述高分辨率相机上设有照明光源；
9.所述dic底座上设有dic支座，dic支座上设有x轴向滑轨、y轴向滑轨、z轴向滑轨；所述z轴向滑轨垂直于dic底座，z轴向平移滑块布置z轴向滑轨上，z轴向平移滑块上设有x轴向滑轨，x轴向滑轨上设有x轴向平滑块，x轴向平滑块上设有y轴向滑轨，y轴向滑轨上设有y轴向平移滑块；y轴向平移滑块的顶端通过万向节与高分辨率相机相连；
10.所述高分辨率相机通过数据线与图像采集卡相连，图像采集卡与主机二相连。
11.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,所述垂直加载模块采用电控加载系统，控制加载速率并保持加载量在目标加载量
±
0.1kn范围内。
12.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,所述水平位移传感器一、水平位移传感器二分别固定在支架及水平加载模块，用于测量测试过程中岩体试样的左右两侧水平位移量，测量精度达到1e-5
mm。
13.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,应变片用于采集剪切蠕变过程中岩体的变形,应变测量精度达到1e-7
。
14.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,所述的岩体试样分三层布置；上层岩体试样尺寸为：100mm*40mm*20mm；中层岩体试样尺寸为：102mm*40mm*40mm；下层岩体试样尺寸为：100mm*40mm*20mm。
15.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统的测试方法，测试步骤如下：
16.1)、将待测岩体试样切割成长方体，每次剪切蠕变测试中均需要使用上中下3块岩体试样；
17.2)、将待测岩体试样按顺序安放在岩体剪切设备的支架上，上层、下层岩体试样的左侧受到支架的约束，中间岩体试样位于上层、下层岩体试样之间；
18.3)、控制垂直加载模块、水平加载模块移动，使得垂直加载模块与位于上方的岩体试样顶面接触，水平加载模块与中间岩体试样的一侧接触；
19.4)、在中间岩体试样的两侧分别布置水平位移传感器一、水平位移传感器二；使其中一个水平位移传感器与水平加载模块相连；
20.5)、在中间试样的一个侧面粘贴应变片，应变片的位置位于试样的正中间，应变测量方向为水平方向；
21.6)、位于中间试样的另外一侧架设dic系统；调节照明光源，使得试样的侧面被均匀地照亮。调节dic系统的支架，使得高分辨率相机的光线传感器与中间试样的侧面保持完全平行。试拍一张试样侧面的图片，确保试样侧面经过打磨后已经充分暴露其微观结构，可以在图片中发现由试样微观结构而形成的随机斑点。紧贴试样侧面放置一把钢尺，拍摄一张试样侧面的图片，通过图像编辑软件打开该图片，确定该图片中每个像素对应的实际物理尺寸；
22.7)、调试dic系统中的高分辨率相机的成像参数，确定更优的dic图像获取参数；将高分辨率相机朝着试样移动一定距离，高分辨率相机移动后的试样成像图片被放大；对比放大前后的图片，进行误差分析，确定更优的dic分析参数；
23.8)、控制垂直加载模块，加载至目标加载值并维持荷载的稳定，静置5分钟；控制水平加载模块，加载至目标加载值并维持荷载的稳定；
24.9)、水平荷载加载至目标加载值后，记录中间试样水平位移和中间试样水平方向
应变，并开始拍摄并记录变形图片；
25.10)、剪切蠕变测试结束之后，停止位移、应变以及变形图片的采集和记录；
26.11)、使用主机二进行随机散斑图像计算，在图像中建立oxy坐标系，以像素点为坐标；在试样界面的上下两侧布置参考点，运用迭代算法得到试样界面两侧的参考点的位移信息(ux，uy)；
27.12)、对参考点的位移信息(ux，uy)进行求导，得到参考点的应变信息ε
xx
和ε
xy
；计算中间试样的平均水平应变将左右两个位移传感器的差值除以中间岩体试样长度，得到中间岩体试样的平均水平应变读取应变片记录的中间岩体试样的平均水平应变
28.13)、以时间为x轴，应变值为y轴绘制并对比随时间变化的情况图表；
29.14)、选取中间岩体试样界面两侧的参考点剪切变形信息ε
xy
，相邻参考点之间的距离为n个像素，每个像素的实际物理尺寸为xmm；则中间岩体试样界面剪切蠕变位移表述式为：
30.δu
xy
＝ε
xy
*2n*x。
31.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统的测试方法，1)中上层岩体试样、中层岩体试、下层岩体试样侧面分别用200目，500目，1000目和2000目的砂纸打磨外侧表面，充分暴露岩体的微观结构；
32.本发明所述的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统的测试方法，9)中在剪切蠕变测试的前6小时，位移和应变的测量频率应保持每秒1次，变形图片的拍摄和记录频率保持在每5分钟1次；剪切蠕变测试开始6小时之后，位移和应变的测量频率应保持每分钟1次，变形图片的拍摄和记录频率保持在每30分钟1次。
33.有益效果
34.(1)本发发明提供的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法，该系统允许人工制备试样，可以根据原位岩体的粗糙度，制备同样粗糙度的标准人工试样，测试的可重复性高。
35.(2)本发发明提供的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法，该系统借助dic这一非接触式测量技术，解决了传统试验中无法直接测量岩体界面的剪切蠕变量的技术难题。可以单独准确描述岩体界面的蠕变性能，可以观测岩体界面的局部剪切蠕变变形。
36.(3)本发发明提供的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法，该系统的测量精度高，对于同一界面剪切蠕变过程，可以将dic测量结果与应变片实际测量结果、通过水平位移差计算的应变结果进行对比，确保本系统测量的可靠性。
37.(4)本发发明提供的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统及测试方法，除了应用于岩体界面剪切蠕变试验中，该系统还可以将其应用范围扩展至金属等其他材料的界面剪切蠕变试验。
附图说明
38.图1为本发明的岩体剪切设备示意图；
39.图2为本发明的dic设备示意图；
40.图3为本发明的不同插值方法对误差的影响；
41.图4为本发明的不同光圈大小及不同关联窗口大小对误差的影响；
42.图5为本发明的dic参考点的选取及变形计算方法。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本实施例的基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统包括一套岩体剪切设备和一套dic设备。
45.如图1所示，一种基于dic的岩体界面剪切蠕变测试系统,包括支架1、垂直加载模块2、水平加载模块3、水平位移传感器一4、水平位移传感器二5、应变片7、数据采集模块8、dic系统、主机一10；支架内布置垂直加载模块及水平加载模块；垂直加载模块及水平加载模块之间放置岩体试样，岩体试样的两侧分别设有水平位移传感器一，水平位移传感器二；岩体试样外侧表面布置应变片；
46.垂直加载模块、水平加载模块、水平位移传感器一、水平位移传感器二、应变片通过数据线一9与数据采集模块8相连，数据采集模块8与主机一10相连；位于支架1的外侧布置dic系统。
47.如图2所示：dic系统包括dic支座18、dic底座19，万向节14，x轴向平滑块15，y轴向平移滑块16，z轴向平移滑块17、高分辨率相机12、照明光源13、图像采集卡21、主机二22；高分辨率相机12上设有照明光源13；
48.所述dic底座19上设有dic支座18，dic支座18上设有x轴向滑轨、y轴向滑轨、z轴向滑轨；所述z轴向滑轨垂直于dic底座19，z轴向平移滑块17布置z轴向滑轨上，z轴向平移滑块17上设有x轴向滑轨，x轴向滑轨上设有x轴向平滑块15，x轴向平滑块15上设有y轴向滑轨，y轴向滑轨上设有y轴向平移滑块16；y轴向平移滑块16的顶端通过万向节14与高分辨率相机12相连；
49.高分辨率相机12通过数据线二20与图像采集卡21相连接，图像采集卡21直接连接到主机二22上。
50.制造时，剪切支架模块1由不锈钢制作，其左侧20mm厚的钢板结构中间预留41mm*41mm的正方形孔洞，方便中间岩体试样6(40mm*40mm正方形截面)在推力的作用下通过该孔洞。厚钢板的左侧有一突起，用于固定水平位移传感器一4，使得水平位移传感器一4可以穿过正方形孔洞与中间岩体试样6接触，测量其左侧水平位移。垂直加载模块2被固定于剪切支架模块1上方。垂直加载模块2与上方岩体试样接触的部位由不锈钢制成，接触面为40mm*100mm的矩形。水平加载模块3被固定于剪切支架模块1右侧。水平加载模块3与中间岩体试样6接触的部位由不锈钢制成，接触面为40mm*40mm的正方形。水平位移传感器二5被固定在水平加载模块3与支架右侧突起之间，用于测量中间岩体试样6的右侧位移。垂直加载模块2、水平加载模块3、两个水平位移传感器4和5、应变片7通过均通过数据线一9连接至数据采
集模块8，继而与主机一10连接。
51.制造时，dic支座18、dic底座19由铝材制作。高分辨率相机12通过万向节14、由沿x轴平移滑轨15、沿y轴平移滑轨16、沿z轴平移滑轨17与dic底座19连接。万向节14和平移滑轨15-17保证了相机能够自由地沿着x,y,z轴平移并旋转。高分辨率相机12的分辨率应该大于4096*3072，其采集的图像为8bit色深的黑白图像。高分辨率相机12通过数据线20与图像采集卡21相连接，图像采集卡21直接连接到主机22上。
52.使用时，步骤如下：
53.1)、将待测岩体切割成长方体试样，每次剪切蠕变测试中均需要使用上中下3块试样。上中下试样尺寸分别为100mm*40mm*20mm，102mm*40mm*40mm,100mm*40mm*20mm。将上中下3块试样的侧面分别用200目，500目，1000目和2000目的砂纸打磨，充分暴露岩体的微观结构。
54.2)、将待测岩体按顺序安放在岩体剪切设备的支架上，其中上下两块岩体的左侧受到支架的约束而不能移动，中间岩体则可以在水平推力的作用下穿过支架上预留的孔洞。
55.3)、控制垂直和水平加载模块移动，使得垂直加载模块与位于上方的岩体顶面接触，水平加载模块与中间岩体的右侧接触。
56.4)、安装水平位移传感器。左侧的位移传感器固定在支架上，另外一端与中间岩体的左侧接触，测量岩体的左侧位移。右侧的位移传感器固定在支架上，另外一端与水平加载模块接触，由于水平加载模块与中间岩体的右侧完全接触，因此该传感器测量岩体的右侧位移。将两个水平位移传感器通过数据线与主机连接。
57.5)、在中间试样的一个侧面粘贴应变片，应变片的位置位于试样的正中间，应变测量方向为水平方向。将该应变片通过数据线与主机连接。
58.6)、在中间试样的另外一侧架设dic系统。调节照明光源，使得试样的侧面被均匀地照亮。调节dic系统的支架，使得高分辨率相机的光线传感器与中间试样的侧面保持完全平行。试拍一张试样侧面的图片，确保试样侧面经过打磨后已经充分暴露其微观结构，可以在图片中发现由试样微观结构而形成的随机斑点。紧贴试样侧面放置一把钢尺，拍摄一张试样侧面的图片，通过图像编辑软件打开该图片，读取钢尺上1cm对应图片中的像素数目，确定该图片中每个像素对应的实际物理尺寸。
59.7)、通常情况下岩体的蠕变变形是非常微小的，因此不同于一般的dic测量，本实施例中对dic的测量精度有很高的要求。否则蠕变变形本身有可能被湮没在测量误差之中。在本实施例中，将高分辨率相机朝着试样移动一个微小的距离，使得试样在图片中被微微放大。对比变形前后的图片，进行误差分析，在本实施例中，高分辨率相机采用光圈f8.0，对子像素的搜寻采用双线性插值计算，dic关联窗口尺寸选择为40个像素可以获得更高的精度，更小的计算开销，如图3和图4所示，在后续的分析中将使用这种配置。
60.8)、控制垂直加载系统，加载至目标加载值并维持荷载的稳定，静置5分钟。控制水平加载系统，加载至目标加载值并维持荷载的稳定。
61.9)、水平荷载加载至目标加载值后，立即开始记录中间试样水平位移和中间试样水平方向应变，并开始拍摄并记录变形图片。在剪切蠕变测试的前6小时，位移和应变的测量频率应保持每秒1次，变形图片的拍摄和记录频率应保持在每5分钟1次。剪切蠕变测试开
始6小时之后，位移和应变的测量频率应保持每分钟1次，变形图片的拍摄和记录频率应保持在每30分钟1次。
62.10)、剪切蠕变测试结束之后，停止位移、应变以及变形图片的采集和记录。
63.11)、使用主机进行随机散斑图像计算，在图像中建立oxy坐标系，以像素点为坐标。在试样界面的上下两侧布置参考点，运用迭代算法得到试样界面两侧的参考点的位移信息(ux，uy)。
64.12)、对参考点的位移信息进行求导，得到参考点的应变信息ε
xx
和ε
xy
。计算中间试样的平均水平应变以图5为例，规定参考点的水平位移为u个像素点，垂直位移为v个像素点，相邻参考点之间的距离为n个像素点，则图5中代表岩体试样的14号参考点的压缩应变计算公式为：
[0065][0066]
获得14号参考点的压缩应变后，同理可以获得同样位于中间岩体试样的其他参考点的压缩应变，求其平均值，即为中间试样的平均水平应变
[0067]
将左右两个位移传感器的差值除以试样长度(102mm)，得到中间试样的平均水平应变读取应变片记录的中间试样的平均水平应变
[0068]
13)、在同一张图表中，以时间为x轴，应变值为y轴，绘制并对比13)、在同一张图表中，以时间为x轴，应变值为y轴，绘制并对比随时间变化的情况。以上三组应变应保持良好的一致性，证明dic技术的精确性和可靠性。
[0069]
14)、选取试样界面两侧的参考点剪切变形信息ε
xy
，相邻参考点之间的距离为n个像素，每个像素的实际物理尺寸为x mm。以图5为例，位于界面一侧的5号参考点，其剪切应变计算公式为：
[0070][0071]
获得5号参考点的剪切应变后，同理可以获得同样位于岩体界面两侧的其他参考点的剪切应变，求其平均值，则试样界面剪切蠕变位移为：
[0072][0073]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。