从整体位移到全场变形：高速DIC在岩体蠕变失稳研究中的测量价值

　　在岩石力学和岩土工程长期稳定性研究中，蠕变试验是认识岩体时间效应、损伤积累和渐进破坏的重要手段。传统试验通常依赖加载系统、轴向位移计或引伸计记录整体变形，并结合声发射、超声波等方法判断内部损伤演化。

　　这些方法能够回答“岩样变形了多少”“蠕变速率是否增加”“内部裂纹活动是否增强”等问题，但对于非均质岩体，仍有一个关键问题难以解决：整体变形增加之前，岩样表面不同区域是否已经出现局部异常？

　　这也是数字图像相关DIC技术在岩石蠕变研究中的价值所在。

　　中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室研究团队针对不同初始损伤条件下的变质砂岩、千枚岩及变质砂岩—千枚岩互层组合岩样开展分级蠕变试验，在常规力学加载和声发射监测基础上，引入基于千眼狼(Revealer)高速摄像机的高速DIC系统，对岩样表面变形进行连续测量。实验结果表明，DIC将传统的整体蠕变量进一步展开为具有空间分布、区域差异和时间演化信息的表面变形场。

　　1 传统整体位移为什么不足以描述软硬互层岩体的渐进破坏

　　不同岩层在弹性模量、强度和变形能力方面存在差异，层间界面附近容易形成应力集中。在长期荷载作用下，损伤往往不是整个岩样同步发生，而是经历局部裂纹萌生、变形集中、区域变形失配、裂纹贯通，最终发展为宏观破坏。对于软硬互层、节理裂隙、预损伤岩体等典型非均质对象，这种空间差异本身就是研究破坏机制的重要信息。因此，岩体蠕变测量的核心问题，是位移发生在哪里、不同区域是否同步、变形是否开始局部化。

　　2 DIC把“一个位移值”扩展为“一个变形场”

　　本实验中，DIC系统采用千眼狼(Revealer) X113M/C高速摄像机作为图像采集单元，实验实际采集频率为40 Hz，分辨率为1280×1024 pixel。高速摄像机作为DIC图像采集单元所提供的稳定、连续和可量化图像序列。通过DIC算法，研究人员将图像中的散斑运动转换为表面位移信息，并沿试样轴向设置Z1—Z5五个监测区域。测量维度由 “时间—位移”二维关系，扩展到了“位置—时间—位移”全场时空关系，这是DIC相对于传统单点位移测量差异化所在。

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 实验真正捕捉到的，不是“变形增大”，而是“变形开始不同步”

　　在蠕变初期，Z1—Z5不同区域的最大轴向位移差异较小，说明岩样表面整体仍处于相对协调的变形状态。随着蠕变持续，不同区域的位移开始逐渐分化。部分区域变形增长更快，部分区域则相对滞后，岩样表面由相对同步变形逐渐转变为明显的空间非均匀变形。对于渐进破坏而言，真正具有前兆意义的是原本同步的区域开始失去同步。整体位移曲线可能仍保持连续变化，但局部区域之间的变形关系已经发生改变。这类信息，如果仅依赖加载系统或单点位移传感器，很难直接获得。DIC可通过整个表面位移场，将这种空间失配显性化。

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 从全场位移进一步提取“变形差异系数”

　　为了进一步描述区域之间的非协调程度，研究根据Z1—Z5不同监测区域的最大轴向位移构建了“变形差异系数”。这一处理方式的意义在于：

　　它不是单纯比较某一区域位移大小，而是关注不同区域之间的相对变形关系如何随蠕变过程变化。实验结果显示，这种区域变形关系具有较明显的阶段性。

　　第一阶段，不同区域整体变形较为同步。

　　第二阶段，区域变形差异逐渐扩大，表面变形局部化趋势开始增强。

　　第三阶段，部分局部区域变形重新快速增长，变形差异系数由下降转为上升，岩样逐渐接近临界破坏状态。

　　这说明DIC价值已经从“测位移”进一步提升到：从全场变形数据中提取能够反映失稳演化阶段的特征参数。

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

　　5 为什么DIC和声发射适合联合使用

　　DIC和AE监测的不是同一个物理量。

　　AE主要反映岩体内部微裂纹活动；高速DIC反映这些内部损伤最终表现到试样表面的变形响应。二者结合，可建立：内部裂纹活动→表面局部变形→区域变形失配→宏观破坏完整的证据链。

　　6 高速摄像机是高速DIC系统中的数据入口

　　千眼狼(Revealer)高速DIC系统中，高速摄像机属于图像采集单元。本实验采用1280×1024 pixel图像、40 Hz采集频率获得连续散斑序列，再由DIC算法计算表面位移。

　　因此，高速摄像机解决“连续获取高质量图像”的问题，高速DIC解决“从图像中得到全场变形数据”的问题。

　　7 对岩土工程实验测量的启示

　　该研究表明，高速DIC适合以下几类岩石力学问题：

　　岩体蠕变、软硬互层及层状岩体、节理或裂纹岩样、局部破坏和应变局部化、动态加载破坏，以及需要同时分析裂纹演化与全场变形的试验。

　　对于上述研究，仅依靠单点传感器往往难以描述空间非均匀性，而高速DIC能够在保持非接触测量的同时提供连续全场数据。

　　其价值是将高速视觉进一步转化为可定量分析、可时空关联、可与AE等多物理量联合的全场力学数据。这是高速DIC在岩土工程和实验岩石力学中较核心的技术价值。