一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法

本发明涉及岩石工程，更具体的说是涉及一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法。

背景技术：

1、当前人们对常温及高温条件下的岩石物理力学性质已经有较深入的了解，并做了很多相关理论和试验方面的研究工作，而对低温条件下含水冻结岩石的物理力学性质的认识还不够充分。在寒区岩石工程中，如岩质边坡、岩石路基、隧道以及人工冻结法凿井液化天然气低温储存库围岩安全等领域，最重要的就是低温冻结条件下岩石物理力学参数的确定问题。在低温环境下，当富水工程岩体中的水冻结时，会产生约9％的体积膨胀，可使岩体产生冻胀融缩效应，从而对支护体的受力状态、岩体工程的稳定性产生显著影响。因此，研究岩石低温变形特征对于防御、控制岩体冻害及寒区岩体工程设计具有重要意义。现有的测定岩石类材料冻胀变形的方法主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法多采用低温应变片测量技术。低温应变片测量岩石变形具有价格低廉、操作简便等优点，然而用于测试冻胀变形的理想应变片阻值应只随应变变化，不受其他因素影响。而实际上应变片的阻值受环境温度(包括测试件)的影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎具有相同的数量级，从而产生很大的测量误差。桥路补偿作为一种常用的消除温度应变误差的方法，其会使得冻胀变形的测量操作复杂。另外，低温应变片只能测定岩石应变片张贴处的冻胀变形，无法实测整个岩石区域内的应变分布情况。以特定位置的冻胀变形和应变估计整个岩石试样的冻胀变形与实际岩石变形特性可能存在较大误差，不能精确刻画低温环境下岩石的真实变形情况。在非接触式测量方法中，ct扫描技术可实现对岩石冻胀变形的实时监测，但基于ct扫描系统获取的低温环境下岩石内部高清ct图像可能受精度影响存在微裂隙识别不准确及伪影现象，造成一定的试验误差。另外，ct扫描系统价格昂贵，与实时低温系统结合后操作复杂。因此，如何提供一种能够准确测量不同岩性及不同饱和状态下岩石的实时低温冻胀变形测试方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，利用三维dic技术计算岩石试样的三维变形量从而测定岩石的冻胀变形特征和应变分布情况，在不同温度条件下实现岩石材料冻胀变形的全区域、实时、连续监测。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，包括以下步骤：

4、s1、对岩石试样进行预处理，得到完全饱和试样；

5、s2、将散斑纸贴在岩石试样表面并调整岩石试样的位置；

6、s3、对岩石试样进行温度标定；

7、s4、调试三维dic测量系统，控制降温速率为1℃/min对岩石试样进行降温；

8、s5、计算岩石试样的三维变形量；

9、s6、对不同低温环境下岩石试样的全区域冻胀变形特征进行分析。

10、可选的，s1具体为：将岩石试样置于真空饱和装置中并密封，抽气至真空状态并维持2h，之后向真空饱和装置内加入蒸馏水至试样高度的1/3处，继续抽气维持真空状态，4h后继续注水至试样高度的2/3处，8h后注水至水面高度超过试样2cm，过程中始终保持试样处于真空状态，在蒸馏水中至少放置24h，获得完全饱和试样。

11、可选的，s2具体为：将裁剪好的散斑贴于试样表面，覆盖岩石试样2/3个曲面，将岩石试样置于实时低温箱内定位垫板中心，根据岩石试样尺寸调节定位垫板高度至玻璃观察窗中央，贴有散斑的一侧面向玻璃观察窗。

12、可选的，s3具体为：将温度传感器置于实时低温箱内，利用环氧树脂胶将两个温度传感器粘贴于岩石试样未贴散斑纸区域中心线上，分别粘贴于离岩石试样上表面的1/3和2/3处。

13、可选的，s4具体为：通过温控箱控制降温速率为1℃/min，待三维dic测量系统准备完毕后开启降温开关，分别在20℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃的冻结条件下对岩石试样的实时全区域冻胀变形特征进行测试。

14、可选的，s5具体为：

15、s51、标定系统的成像模型参数；

16、s52、采集不同低温条件下岩石试样的实时dic图像；

17、s53、三维dic测量系统对应点匹配及三维坐标计算；

18、s54、计算岩石试样的三维变形量。

19、可选的，s51中得成像模型参数包括：焦距、主点坐标、镜头畸变系数、相机间的旋转矩阵r和平移向量t。

20、可选的，s53具体为：三维dic测量系统对应点匹配包括左右图像间的立体匹配和图像序列间的时序匹配，当岩石试样投影到二维平面时，其表面在两个相机中呈现的图像会有较大不同，为了获取准确的对应点匹配位置，在对应点匹配过程中添加极线约束条件，将对应点搜索范围缩小到一条直线上，提高匹配速度，同时降低出现伪匹配点的概率；时序匹配指二维dic中的对应点匹配，经过对应点匹配可获取岩石试样表面点在所有图像上对应的图像坐标。

21、可选的，s54具体为：对于岩石试样表面上的像素点，将变形前和变形后的三维世界坐标系中的矢量相减计算得到单个像素点三维变形量，对岩石试样表面上得所有像素点进行计算得到岩石全区域的冻胀变形量。

22、可选的，s6具体为：基于三维dic测量系统对dic图像进行三维数字图像相关分析，计算得到实时低温环境下岩石试样表面的应变场；基于实时低温环境下岩石试样表面实时温度值，得到不同冻结条件下岩石试样的温度、应变及时间关系曲线，分析不同低温环境下饱和岩石试样的全区域冻胀变形特征。

23、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，具有以下有益效果：

24、1、测试精度高，可实时、全区域测试低温条件下岩石的冻胀变形特征，为高寒山地区岩石物理力学性质及其工程应用研究提供理论基础；

25、2、利用数据采集系统可实现实时监测岩石试样表面温度变化情况，得到时间、温度与应变的关系；

26、3、基于三维dic技术实现岩石试样冻胀变形非接触式测量，对低温条件下岩石试样进行实时监测，测试过程简单，解决了当前利用低温应变片测试冻胀变形的较大误差问题和操作繁琐问题；

27、4、实时低温测试能更好的模拟岩石及岩石类材料在高寒山地区等真实自然环境下的冻胀变形，获得的低温作用下岩石的变形和温度响应更符合真实情况。

技术特征：

1.一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s1具体为：将岩石试样置于真空饱和装置中并密封，抽气至真空状态并维持2h，之后向真空饱和装置内加入蒸馏水至试样高度的1/3处，继续抽气维持真空状态，4h后继续注水至试样高度的2/3处，8h后注水至水面高度超过试样2cm，过程中始终保持试样处于真空状态，在蒸馏水中至少放置24h，获得完全饱和试样。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s2具体为：将裁剪好的散斑贴于试样表面，覆盖岩石试样2/3个曲面，将岩石试样置于实时低温箱内定位垫板中心，根据岩石试样尺寸调节定位垫板高度至玻璃观察窗中央，贴有散斑的一侧面向玻璃观察窗。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s3具体为：将温度传感器置于实时低温箱内，利用环氧树脂胶将两个温度传感器粘贴于岩石试样未贴散斑纸区域中心线上，分别粘贴于离岩石试样上表面的1/3和2/3处。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s4具体为：通过温控箱控制降温速率为1℃/min，待三维dic测量系统准备完毕后开启降温开关，分别在20℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃的冻结条件下对岩石试样的实时全区域冻胀变形特征进行测试。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s5具体为：

7.根据权利要求6所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s51中得成像模型参数包括：焦距、主点坐标、镜头畸变系数、相机间的旋转矩阵r和平移向量t。

8.根据权利要求6所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s53具体为：三维dic测量系统对应点匹配包括左右图像间的立体匹配和图像序列间的时序匹配，当岩石试样投影到二维平面时，其表面在两个相机中呈现的图像会有较大不同，为了获取准确的对应点匹配位置，在对应点匹配过程中添加极线约束条件，将对应点搜索范围缩小到一条直线上，提高匹配速度，同时降低出现伪匹配点的概率；时序匹配指二维dic中的对应点匹配，经过对应点匹配可获取岩石试样表面点在所有图像上对应的图像坐标。

9.根据权利要求5所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s54具体为：对于岩石试样表面上的像素点，将变形前和变形后的三维世界坐标系中的矢量相减计算得到单个像素点三维变形量，对岩石试样表面上得所有像素点进行计算得到岩石全区域的冻胀变形量。

10.根据权利要求1所述的一种基于三维dic的实时低温冻胀变形测试方法，其特征在于，s6具体为：基于三维dic测量系统对dic图像进行三维数字图像相关分析，计算得到实时低温环境下岩石试样表面的应变场；基于实时低温环境下岩石试样表面实时温度值，得到不同冻结条件下岩石试样的温度、应变及时间关系曲线，分析不同低温环境下饱和岩石试样的全区域冻胀变形特征。

技术总结
本发明公开了一种基于三维DIC的实时低温冻胀变形测试方法，应用于岩石工程技术领域。包括以下步骤：对岩石试样进行预处理，得到完全饱和试样；将散斑纸贴在岩石试样表面并调整岩石试样的位置；对岩石试样进行温度标定；调试三维DIC测量系统，控制降温速率为1℃/min对岩石试样进行降温；计算岩石试样的三维变形量；对不同低温环境下岩石试样的全区域冻胀变形特征进行分析。本发明测试精度高，可实时、全区域测试低温条件下岩石的冻胀变形特征，能更好的模拟岩石及岩石类材料在高寒山地区等真实自然环境下的冻胀变形，获得的岩石的变形和温度响应更符合真实情况，为高寒山地区岩石物理力学性质及其工程应用研究提供理论基础。

技术研发人员：徐颖,马帅帅,刘基业,刘丰,吴帮标,夏开文
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16