基于DIC技术的红黏土干缩开裂试验研究

张曼婷，吴明亮，陈爱军，潘晓屹，李晨嘉，黄文昭，李文涛

(桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004)

在干燥条件下，红黏土因蒸发失水导致干缩开裂，进而在土体表面产生纵横交错的裂隙，裂隙的存在和发展会破坏土体的整体性和稳定性，使土体结构松散，力学性质降低，直接或间接地对工程地质产生不利影响，导致各种工程地质问题发生.目前，我国正在大力开展交通基础设施建设和城市建设，大量工程设施不可避免地穿过红黏土地区，解决红黏土开裂引发的工程问题已迫在眉睫.开展红黏土干燥失水引发的裂隙形态演变机制研究，对土体裂隙的预防和控制有积极帮助，对预防干燥气候环境中的工程地质和环境地质问题等都具有重要意义.

为深入研究干燥失水引起的裂隙形态演变机制，越来越多的学者开始对土体表面的裂隙网络进行定量分析.早期对裂隙形态的研究多以手工测量为主，主要借助直尺等工具对裂隙的长度和宽度进行测量.近年来，随着数码摄像和计算机技术的快速发展，对土体裂隙的研究在技术手段上也越来越先进.其中，相对于传统土体变形测量方法而言，数字图像相关技术(digital image correlation，简称DIC)有着独特优势，既可以实现动态非接触式监测裂隙形态，又能够在不破坏土体结构且不影响试验进程的情况下获取土体变形参数，具有高精度、非接触、实时、快速和动态等优点.不仅如此，利用数字图像处理技术还能自动分析土体表面各点的位移并计算出应变，通过分析土样应变的变化与裂隙的发展关系，便可得到它们的相互关系.

但是，DIC 技术作为一种新技术手段，在土体裂隙研究中并不多见，有部分学者把DIC 用于岩石及混凝土的荷载裂隙识别及分析[1-5].李元海等[6]采用DIC 技术对砂土地基在离心场和重力场条件下的变形进行了分析，研究了地基模型的变形模式、应变场分布、渐进破坏过程以及滑动剪切带的位置形状特点；徐少波等[7]针对电测方法需在试件表面粘贴应变片及单点测量局限,将数字图像相关技术引入到材料力学性能测试分析中；杨松[8]以混凝土裂缝识别和动三轴试验土样变形测量为研究对象，采用数字图像测量技术，从裂缝识别、拼接、分类、变形以及土体动力变形测量方法等方面开展具体研究；钱帅宇[9]以工程应用为目标，采用了基于散斑自标定的三维数字图像相关系统，对该系统的基本原理、硬件搭建、测量精度等进行了研究分析；Sutton[10]等研究了三维DIC(3D-DIC)技术在土木工程墙体结构研究中的应用；徐飞鸿等[11]将数字图像相关方法与边缘检测相结合，提出DIC-边缘检测的大尺度测量技术；林銮等[12]采用自己研发的二维DIC 技术研究了粉质黏土的干缩开裂过程，获得了一些有意义的研究成果，但是该技术并不能用数字来表示试验结果，且二维的位移及应变云图对于全面分析裂隙的形成及发展仍具有一定的局限性.

综合以上分析，虽然DIC 技术具有很多优势，但应用三维DIC 技术开展土体裂隙研究成果相对较少.本文通过开展室内红黏土干燥试验，通过数码相机对土体裂隙发展的过程进行动态监测和实时记录，利用DIC 技术分析土体表面的点位移、应变等信息，探讨土体失水收缩变形与裂隙发育过程的演化特征，以期深入了解红黏土干缩裂隙的演变机制及发育状态.

1 试验土料

土样为湖南邵阳地区典型红黏土，取样深度为地表以下2～3 m，棕红色，属于高液限黏土，其基本物理性性质如表1 所示.

表1 试验土样的基本物理性质

2 试验方法

2.1 土样的制备

将存于密闭环境的备用土取出，加水并混合均匀，使红黏土的含水率达到56%；将混合均匀后的土体置于相对密闭的容器内存放2 d，再将土料放在试验箱内并分层夯实.试验箱尺寸为300 mm×400 mm×500 mm，四周焊接了共26 个梯形防滑条，用于限制边界土体的的整体收缩.制备好的土样初始厚度为100 mm.

2.2 试验方法

试验装置如图1 所示.土表位移及应变信息利用西安新拓三维光测科技有限公司开发的三维变形测量系统(XTDIC)获取.XTDIC 是一种光学非接触式三维变形测量系统，它结合了DIC 技术与双目立体视觉技术，通过设置种子点，追踪物体表面的散斑图像，以获取土样干燥过程中土样表面的三维坐标、位移及应变.该系统由2 个可调节的高精度相机镜头、1 个控制箱和1 台高性能的计算机组成.

图1 试验装置示意

由于试验采用的土样颗粒细小，需要植入示踪粒子对土颗粒的运动状态进行追踪，以便后续的图像处理.因此，本次试验前在平整的土样表面喷上了一层厚度极小并相对均匀的哑光白漆，并用点喷法在白漆的基础上喷洒黑漆，使得黑漆在白漆的表面上分布均匀，油漆对试验的影响可忽略不计.

装好土样的试验箱放置在精度为1 g 的电子秤上，用于记录土样在干燥过程中的水分蒸发质量.XTDIC 系统的数码相机固定在土样正上方，固定间隔时间拍照，拍摄的图片用于三维数字图像相关分析.试验使用500 W 碘钨灯模拟外部光照条件.试验初始时，设置每隔15 min 记录1 次数据；当裂隙发展程度缓慢、肉眼不易识别出裂隙的变化时，改为每30 min 记录1 次，当30 min内电子秤显示数字变化小于2 g 时，即可停止试验.

3 试验结果及数据分析

3.1 土体干缩开裂过程分析

图2 为试验结束时土样表面裂隙形态，此时所有裂隙基本发育完成，没有新的裂隙产生.由图2可知，本次试样被裂隙划分出了7个主区块，裂隙间的交叉角近似90°，裂隙线形以直线为主，各块区面积不完全相等，裂隙尖端宽度较小，各裂隙中部宽度差异不大.

图2 试验结束时土样表面裂隙

3.2 土样表面位移分析

为了便于分析土体表面的位移及应变，在试样表面取若干个特征点，如图3 所示.其中，P1、P2、P3、P4 表示土样区块中心点；L1、L2、L3表示裂隙某一位置.下面分别对土样区块中心及裂隙处的位移应变进行分析.

图3 土样区块特征点分布

3.2.1 裂隙两侧位移分析

图4 和图5 分别表示土样裂隙两侧的X及Y方向位移.其中X方向位移以向右为正，Y方向位移以向上为正.

图4 土样裂隙两侧点X 方向位移曲线

图5 土样裂隙两侧Y 方向位移曲线

由图4 和图5 可知，试验开始后100 min 内裂隙处未产生明显位移.试验100 min 以后，X方向位移开始呈线性变化，裂隙左侧点开始向左移动，裂隙右侧点开始向右移动；在500 min 之后，由于水分蒸发速率减慢，X方向位移变化放缓；试验结束时，X方向位移以L1 左侧位移最大(约9.1 mm)，以L3 左侧的位移最小(仅2.0 mm)，L1 右侧的位移3.4 mm，L3 右侧的位移6.5 mm.Y方向位移分析：L1 左侧和L2 右侧位移为负，而L1 右侧、L2 左侧、L3 左侧和右侧的位移为正；试验结束时，L1 右侧的位移最大(约4.2 mm)，L1左侧位移3.0 mm.由于所选的3 条裂隙方向大体为Y方向，X方向位移均大于Y方向位移.由此可见，裂隙两侧位移并不相等，裂隙不同位置的位移方向及大小相差较大.

图6 表示裂隙在Z方向(竖向)的位移，数值以向下为负.由图6 可知，由于土体失水导致整体收缩，土表在竖向整体呈下沉趋势.试验开始时，竖向位移线性增大，500 min 时下沉速率加快，550～580 min 土表产生了少量回弹，在600 min 之后又以原速率下沉，820～850 min 土体下沉发生1次陡降，在850 min 之后土体继续下沉但速率放缓.其中，L2 左侧方向的位移速率及大小要明显大于其他位置，在试验结束时L2 左侧下沉位移达到了8.1 mm，而其他标点的下沉位移均在4.4～5.6 mm.由此可见，土体表面不同位置的下沉位移并不相等，这可能是不同区域的压实程度不同所导致的.

图6 土样裂隙两侧竖向位移曲线

3.2.2 土样区块中心位移分析

图7 表示土样区块中心位置在X和Y方向的位移，图8 表示土样区块中心位置在Z方向(竖向)位移.

图7 土样区块中心水平位移曲线

图8 土样区块中心竖向位移曲线

土样区块中心在X方向的位移分析：P2 处X方向上的位移为负值，试验结束时位移约为2.9 mm，这是因为在P2 所在区块左侧无其他裂块，导致P2 有明显的X负方向位移；其它土样区块中心点的X方向上的位移均为正值，其中P4 处X方向的正向位移最大(试验结束时达到4.5 mm)，这是由于P4 所在的区块右侧无其他裂块，土体失水后收缩往右方向的移动最明显；P1、P3 在X方向上的位移不明显，在试验结束时仅分别为1.4和1.7 mm，这与它们位于试样中间区域有关.

土样区块中心在Y方向的位移分析：由于P3所在区块上方无其他裂块，P3 处Y方向位移较明显，试验结束时达3.6 mm；P1、P2、P4 所在区块上下方均有其他裂块，所以Y方向上的位移不明显，试验结束时的位移仅分别为0.1，0.5 和0.8 mm.由此可知，在裂隙发展过程中，土样区块中心范围的位移方向沿某一方向持续，而其他区块的位移大小及速率也并不相同.

土样区块中心在竖向的位移趋势与裂隙两侧位置竖向位移大体相同，其中P2 左侧区块的下沉速率要明显大于其他位置，在试验结束时达到了8.2 mm.结合裂隙两侧位移综合分析，土表下沉从试验开始就发生，竖向位移整体随水分的蒸发而线性增加.

3.3 土样表面应变分析

图9 表示土体应变随时间的变化曲线，并规定拉应变为正压应变为负.

图9(a)表示裂缝L1、L2 左右两侧的应变随时间的变化.试验开始时，裂隙两侧均受拉，产生的拉应变在试验至150～200 min 时达到最大值，其中L1 左侧受到的拉应变达1.20%，L2 右侧的拉应变最大仅为0.44%.拉应变达到峰值后，4个位置应变在不同时间开始下降，L2 右侧、L1右侧、L2 左侧和L1 左侧分别在200，300，380和470 min 左右由受拉转变为受压，且其压应变呈线性增大，压应变增速基本相同.

图9 土样表面应变曲线

图9(b)表示土样区块中心P1，P2，P3 和P4处的应变随时间的变化.与裂隙处应变变化的规律类似，土样区块中心在试验开始时均受拉，分别在150～200 min 达到最大值，其中P3 所受拉应变峰值最大(0.75%)，P1 所受拉应变峰值最小(0.12%).拉应变达到峰值后基本呈线性减小，其中P3 的应变变化最快，约在340 min 转变为压应变，而P4 的应变变化最慢，约在580 min 转变为压应变.随后，压应变呈线性增大，其中P3 处压应变增速最大，P4 处压应变增速最小.

4 结论

1)本试验采用数字图像相关技术在无损试样前提下实现土样表面位移和应变信息的采集，可直观地展示土体干燥过程中裂隙的演变过程，具有较好的推广价值；

2)随着土体水分的蒸发，红黏土土表开始产生拉应变，拉应变达到某个阈值时土体裂隙产生，随后拉应变逐渐减小并转变为压应变；裂隙两侧的位移明显大于土样区块中心，且裂隙两侧位移并不相等，裂隙不同位置的位移相差较大，土样区块中心位移也与其所处位置有关；

3)土样表面在干燥过程中一直产生竖向下沉，土表各处的竖向位移大小及下沉速度均不相同.