应用探析|高速摄像机在岩土裂纹研究中的应用

1.背景介绍

 黄土裂缝损伤是影响黄土基建的潜在风险的重要指标。例如，它可以用于预测和识别由黄土材料制成的结构的失效，从而提高结构的安全性。它还可用于分析水力压裂、地面建筑保护、边坡稳定、地下挖掘等。因此，加强对黄土裂缝损伤特征的认识至关重要。

 近年来岩土工程研究人员越来越关注裂缝损伤，三点弯曲测试根据ASTM标准，常用于确定断裂损伤研究中土体的断裂韧性。本研究借助三点弯曲试验了解未烧制干燥土的断裂损伤特性 。

图1 岩土压裂试验

2.研究内容

 西安科技大学闫老师科研团队对具有4种不同预制裂缝的半圆形黄土试件进行了三点弯曲试验，并将高速摄像机和声发射监测设备纳入实验装置监测断裂损伤过程。分析了力学特性、裂纹演化和声发射信号，研究了断裂强度和断裂损伤模式。该结果将有助于识别和预测岩土材料结构中的故障，为预防和控制建筑物危机提供有价值的参考。

图2 高速摄像观测系统组成示意图

实验装置由三个监测系统组成：力-位移、千眼狼-2F04高速摄像机（2320×1720@96fps）和DS5-8声发射。在测试开始之前，进行了多组预测试验校准每个监测系统，并调试整个测试系统。在测试过程中，计算机绘制了一个力-位移实时曲线。高速相机实时拍摄试样损坏的图像，并将其显示在计算机上。

3.研究结论

图3. 高速摄像拍摄照片经数字处理图像（不同预裂角度下裂纹随时间的发展情况）

 考虑三点弯曲断裂损伤的力学强度特性，裂纹发展规律在高速摄像捕捉及结合声发射信号，分析预裂性黄土裂缝损伤机理。主要结论如下：

（1）由于预裂角是控制试样断裂损伤模式的主要因素，主要发展为新的裂缝在打开模式下为 0°、20°和40°，在关闭模式下为 60°。

（2）试件断裂损伤本质上是从预制件尖 端出现新裂纹的过程。裂缝并沿一定的轨迹发展到上部加载点。沿着裂纹轨迹发展的新裂纹在黄土表面直到试样达到其承载能力极限，当出现新的裂缝停在试样的断裂点。新的裂纹和预制裂纹形成了一个贯穿裂缝面，将试样分为两部分。

4.行业应用总结

 在岩土力学性能研究中，高速相机、DIC或视频引伸计、试验机等可以组成系统的解决方案。千眼狼的力学解决方案中，高速相机采集试样实时图像、DIC/视频引伸计观测试样应变，同时可与试验机实时通讯，输出应力与应变。得益于千眼狼高速相机的超高采集频率（1280×1024@13,600fps）， 方案被广泛应用于裂纹拓展，材料脆断，拉伸断裂等实验场景。（文章摘自：Zhao Duan,Chenxi Dong, Xusheng Yan,Qiang Sun,Bin Li《Experimental research of fracture damage behavior of loess withdifferent prefabricated cracks》）