Die genaue Erfassung des Verformungs-und Versagens prozesses von Gesteinen unter komplexen Umwelt bedingungen ist seit langem eine zentrale Herausforderung fürFels mechanik und Pisten technik Forschung.Forscher aus demStaatliches Schlüssel labor für Geohazard-Prävention und Geo umwelt schutzN führte eine systematische experimentelle Studie zur Schadens entwicklung von Tuff durch, der wiederholten Trocken-Nass-Zyklen unterzogen wurdeRevealer Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-SystemEntwickelt vonAgile Gerät, Kombiniert mitÜberwachung der akustischen Emission (AE).
Diese Studie liefert einen repräsent ativen Anwendungs fall vonDigitale Bild korrelation (DIC)Technologie in der Fels mechanikUnd bietet wertvolle Erkenntnisse für Forscher, die eine auswählenDIC-System für Gesteins prüfung und Verformung messung.
In Bergregionen mit häufigen Niederschlägen enthalten Autobahn hänge und Fels bauwerke häufig vulkanische klastische Gesteine wieTuff. WiederholteWasser absorptions-und Dehydrat isierungs zyklenTrocken-Nass-Zyklus effekte verursachen, die die mechanischen Eigenschaften des Gesteins allmählich verschlechtern. Dieser Prozess fördert die Ausbreitung von inneren Mikrorissen und kann schließlich geologische Gefahren wieErdrutsche und Pisten ausfälle.
Traditionelle Gesteins mechanik experimente stützen sich typischer weise auf:
· Dehnung messer
· Verschiebung sensoren
· Spannungs-Dehnung messungen
Diese Methoden können jedoch nur erfassenLokalisierte Verformung datenUnd sind nicht in der Lage, dieVollfeld verformung und Riss initiierung prozess auf der Gesteins oberfläche.
Mit der Entwicklung vonDigitale Bild korrelation (DIC)Technologie, mehr Forschungs gruppen werden eingeführt3D-DIC SystemeIn Fels mechanik experimente. Durch die kontinuierliche Erfassung von Speckle-Bildern auf der Proben oberfläche mitHoch geschwindigkeit kamerasDIC-Systeme können das rekonstruierenDrei dimensionales Verschiebung sfeld und Dehnung sfeld des Gesteins in Echtzeit.
In dieser Studie verwendeten die Forscher dieRevealer Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-SystemZusammen mitÜberwachung der akustischen Emission (AE)Untersuchung der Rissent wicklung in Tuff proben, die einer unterschied lichen Anzahl von Trocken-Nass-Zyklen ausgesetzt sind.
Das experimentelle System bestand aus drei Haupt komponenten:
1. Uni axiales Lades ystem
ADYT-50 Mehrfeld-gekoppeltes Trocken-Nass-Durchlässigkeit prüfsystemWurde verwendet, um einachsige Kompression tests durch zuführen, die die Spannungs bedingungen simulieren, unter denen Gesteine in technischen Umgebungen leiden.
2. Überwachungs system für akustische Emissionen (AE)
Das AE-System wurde verwendet, um zu erfassenElastische Wellens ignale, die durch interne Riss ausbreitung erzeugt werdenIm Gestein, wodurch die Analyse der Riss aktivität und der Evolutions stadien von Schäden ermöglicht wird.
3. Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-System (Kern ausrüstung)
Das Experiment verwendete dieRevealer 3D-DIC System von Agile Device entwickelt, Bestehend aus zweiHoch geschwindigkeit kameras M230In einem Stereo-Vision-Setup konfiguriert.
Mithilfe von Bild korrelation algorithmen berechnet das System:
· Vollfeld3D-Verdrängungsfelder
·XY-Dehnung felderAuf der Proben oberfläche
Verglichen mit herkömmlichen DIC-Systemen, dieRevealer Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-SystemBietet mehrere Vorteile:
· Hochgeschwindigkeits-Bildgebung fähigkeit geeignet fürTransiente Gesteins versagen prozesse
· Höhere Genauigkeit inDrei dimensionale Dehnung messung
· Stabile Vollfeld verformung berechnung
· Kompatibilität mitGesteins mechanik und Material versagen forschung
Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-Systems.
1. Proben vorbereitung
Tuff proben, die von einem Autobahn hang gesammelt wurden, wurden zu zylindrischen Proben mit einem Durchmesser von 50mm und einer Höhe von 100mm verarbeitet.
Sechs Trocken-Nass-Zyklus gruppen wurden vorbereitet:
0, 1, 5, 10, 15und 20 Zyklen
Jede Gruppe enthielt fünf Proben, was zu insgesamt 30 Proben führte.
2. Speckle-Muster-Vorbereitung
Um eine genaue Verschiebung verfolgung durch das DIC-System (Digital Image Correlation) zu ermöglichen, wurde auf der Proben oberfläche ein zufälliges Speckle-Muster erstellt.
Eine weiße matte Grundierung wurde zuerst auf die Proben oberfläche gesprüht, gefolgt von schwarzen matten Flecken, um ein kontrast reiches Zufalls muster zu erzeugen.
Nach dem Trocknen wurde das Exemplar in das Ladesystem eingebaut. Die Revealer-Hoch geschwindigkeit kameras wurden auf optimale Fokussierung und Blende eingestellt, und die Stereo kalibrierung wurde vor Beginn des Ladens durchgeführt.
3. Laden und Synchron isierte Bild erfassung
Während des einachsigen Kompression tests wurde eine verschiebung gesteuerte Belastung angewendet.
Die Revealer M230-Hochgeschwindigkeitskameras haben kontinuierlich Oberflächen bilder der Probe aufgenommen. Das Revealer 3D-DIC-System berechnete dann das drei dimensionale Verschiebung sfeld und das Dehnung sfeld in Echtzeit und zeichnete den gesamten Verformungs-und Fehler prozess bis zum Proben bruch auf.
Das Revealer-Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-System hat erfolgreich die Vollfeld entwicklung von Verschiebung und Dehnung in Tuff proben erfasst, die unterschied lichen Trocken-Nass-Zyklus bedingungen ausgesetzt sind.
4.1 Exemplar ohne Trocken-Nass-Zyklen (0 Zyklen)
Wie in Abbildung 2 gezeigt, blieb das Verschiebung sfeld während der anfänglichen Lades tufen-einschl ießlich der Riss verschluss stufe und der linearen elastischen Stufe-gleichmäßig und das Dehnung sfeld zeigte keine abnormale Konzentration. Dies deutet darauf hin, dass sich interne Mikrorisse noch nicht vermehrt hatten.
Als die Probe in das Stadium des stabilen Riss wachstums eintrat, trat allmählich eine lokalisierte Dehnung konzentration im mittleren Bereich der Probe auf, die der Initiierung von Mikro rissen entsprach. In der Spitzens pannungs phase entwickelte sich diese konzentrierte Zone schnell zu einem durchdringen den Haupt riss, wobei der Riss weg haupt sächlich mit der Lade achse ausgerichtet war. Der Ausfall modus wurde durch Zug brüche dominiert.
Abbildung 2. Entwicklung des Verschiebung feldes und des XY-Richtung-Dehnung feldes der Probe unter 0 Trocken-Nass-Zyklen.
4.2 Exemplar mit 10 trocken-nassen Zyklen
Wie in Abbildung 3 gezeigt, waren die frühen Verformung stadien ähnlich denen, die in der Probe ohne Trocken-Nass-Zyklen beobachtet wurden.
Während der Phase des stabilen Riss wachstums trat jedoch die Stamm lokal isierung früher auf und bedeckte einen größeren Bereich. In der Spitzen phase bildeten sich auf beiden Seiten des Haupt risses Sekundär risse, und das Dehnung sfeld wies mehrere bandförmige Konzentration zonen auf. Das Verschiebung sfeld zeigte auch asymmetrische Merkmale, was darauf hinweist, dass eine interne strukturelle Verschlechterung durch Trocken-Nass-Zyklen zu komplexeren Riss ausbreitung wegen führte.
Abbildung 3. Entwicklung des Verschiebung feldes und des XY-Richtung-Dehnung feldes der Probe unter 10 Trocken-Nass-Zyklen.
4.3 Exemplar mit 15 trocken-nassen Zyklen
Wie in Abbildung 4 dargestellt, zeigte die Dehnung entwicklung ausgeprägtere Schadens eigenschaften. Während der stabilen Riss wachstums phase bildeten sich früher Verzug konzentration regionen.
In der Spitzens pannungs phase zeigten die Riss bänder geneigte Orientierungen und Verzweigung merkmale, während die Dehnung konzentration zonen stärker verteilt wurden. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich der Versagens modus allmählich von einem zug dominierten Versagen zu einem gemischten Zug scher versagen verlagerte.
Abbildung 4. Entwicklung des Verschiebung feldes und des XY-Richtung-Dehnung feldes der Probe unter 15 Trocken-Nass-Zyklen.
4.4 Vergleich der Schadens morphologie
Wie in Abbildung 5 gezeigt, nahm die Anzahl der Sekundär risse entlang des Haupt riss kanals mit der Anzahl der Trocken-Nass-Zyklen signifikant zu.
Die Riss geometrie entwickelte sich von einem einfachen eindringenden Riss zu einem Riss netzwerk mit mehreren Zweigen, was zeigt, dass wiederholte Trocken-Nass-Zyklen die innere Struktur des Gesteins schwächen und komplexe Bruch muster fördern.
Abbildung 5. Vergleich der Schadens muster bei Spitzenlast unter verschiedenen Trocken-Nass-Zyklus zahlen.
Unter Verwendung der Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-Technologie überwachte diese Studie die Vollfeld verdrängung und Dehnung entwicklung während des einachsigen Kompression versagens von Tuff, der Trocken-Nass-Zyklen ausgesetzt war.
Die wichtigsten Schluss folgerungen lauten wie folgt:
1. DieRevealer Hochgeschwindigkeits-3D-DIC-SystemKann die frühe Riss initiierung und Dehnung lokal isierung, die durch Trocken-Nass-Zyklen verursacht wird, effektiv aufdecken und eine klare Visual isierung der Riss ausbreitung swege und der Entwicklung des Fehler mechanismus ermöglichen.
2. Die 3D-DIC-Beobachtungen zeigen eine starke Konsistenz mitSignale der akustischen Emission (AE), Wobei erhöhte AE-Ereignis zahlen der stabilen Riss wachstums phase entsprechen und ein rascher Anstieg der AE-Energie zusammen mit einer Abnahme des b-Wertes vor der Spitzens pannung auftritt. Dies bestätigt die Zuverlässigkeit der DIC-Technologie in der Gesteins mechanik forschung.
3. Die Riss-Evolutions muster, die vonDigitale Bild korrelation (DIC)Liefern wichtige experimentelle Beweise für die EntwicklungSchadens abbau modelle,Nachweis, dass Hochgeschwindigkeits-3D-DIC ein erhebliches Potenzial für die Erforschung der Gesteins mechanik und die Bewertung der technischen Sicherheit aufweist.
Die akademischen Details dieser Studie finden Sie unter:
DOI: 10.1063/5.0273697
Die experimentellen Ergebnisse zeigen weiter, dass dieRevealer 3D-DIC System von Agile Device entwickeltIst einEffektives Werkzeug für die Überwachung von Trocken-Nass-Kreislaufs chäden und die Analyse der Riss entwicklung in der Gesteins mechanik forschung.
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