基于DIC的混凝土三轴受压全周变形测量技术研究

Nowadays, some major structures new-built in China, for example high-pressure vessel for nuclear reactor and high concrete dam, are all in a typical state of complex stress. Therefore, to carry out research on mechanical properties of concrete under triaxial stress state is of great importance. At present, study of triaxial test for concrete mainly focus on strength and deformation feature of failure at home and abroad. While the full-field deformation measurement has not been reported in literature when concrete is loaded for triaxial test. Three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) method has been more and more widely utilized due to its advantages of noncontact, full-field deformation measurement. Therefore, 3D-DIC is adopted in this subject to study the full-field deformation of concrete under triaxial compression. A regular experimental setup for triaxial compression is developed which is suitable for small concrete sample under low confined pressure. Multiple cameras are used to construct a parallel platform of multiple 3D-DIC systems. Based on the above experimental setup and platform, accurate deformation measurement is obtained for concrete sample under regular triaxial compression. Finally, full-field deformation of cylindrical concrete sample will be achieved by coordinate transformation of different 3D-DIC systems and 3D information fusion. Deformation mechanism of concrete is also studied with full-field deformation measurement under different triaxial stress. The outcome of this project can provide reliable evidence for damage mechanism of concrete under complex stress state.

目前我国新建的一些重大结构，如核反应堆高压容器、高混凝土坝，都属于典型的复杂应力状态。因此，开展三向应力状态下混凝土力学性能的研究尤为重要。当前，国内外关于混凝土三轴试验方面的研究主要以破坏时的强度和变形特征为主，而对其在加载过程中的全场变形测量尚未见诸于文献。三维DIC方法作为一种非接触、全场的变形测量手段，得到了越来越广泛的应用。本项目拟研制出常规三轴压缩实验装置，然后采用三维DIC方法对混凝土三轴受压情况下的全周变形进行测量。研究内容主要包括：(1)研制适用于低围压小混凝土试样的常规三轴压缩实验装置；(2)搭建基于多套三维DIC系统的并行平台；(3)实现常规三轴受压下试样变形的准确测量；(4)通过三维DIC系统之间的坐标转换关系和三维信息融合得到试样的全周变形；(5)通过不同三向应力下的全场变形测量，研究混凝土细观变形机理。预期成果能够为复杂应力状态下混凝土细观破坏机理提供可靠依据。

目前我国新建的一些重大结构，如核反应堆高压容器、高混凝土坝，都属于典型的复杂应力状态。因此，开展三向应力状态下混凝土力学性能的研究尤为重要。当前，国内外关于混凝土三轴试验方面的研究主要以破坏时的强度和变形特征为主，而对其在加载过程中的全场变形测量尚未见诸于文献。三维DIC方法作为一种非接触、全场的变形测量手段，得到了越来越广泛的应用。为研制出基于三维DIC方法的混凝土三轴受压情况下的全周变形测量实验装置，本项目对如下内容开展了研究，并取得了一定成果：(1) 研制了基于多相机三维DIC方法的混凝土试样全周变形测试系统，该系统利用6台相同型号的相机，来观察试样的全周变形，通过硬件触发模式实现了多相机采集的严格同步，并设计了实验测试了多相机系统的同步效果，实验结果表明同步效果优于5毫秒；(2) 设计了混凝土常规三轴受压实验装置，利用光学玻璃制成的透明圆柱型密封腔，之前建立好的测量系统可以观测到试样表面的全周变形；(3) 研究了混凝土试样表面的全周变形规律，针对空气中和水中试样的压缩试验，测试了试样表面的全周变形，实验分析表明混凝土压缩时砂浆处变形较大，但裂纹出现在拉应变最大的地方；(4) 提出一种能有效减小水流对DIC应变计算结果影响的方法，由于水流会对系统变形测量结果产生可观的影响，因此实验研究了水流对应变结果的影响，并提出了利用多幅连续图像应变均值来有效减小应变测量误差的方法；(5) 提出了用于混凝土应变测量的高精度光学引伸计，由于混凝土实验中具于大刚体位移、小应变的特点，普通DIC的应变测量精度往往难以满足测试需求，利用双45 º反射镜成像的技术，构成了高精度的光学引伸计，实验结果表明该引伸计可以得到很高的轴向与横向应变测量精度。预期成果能够为复杂应力状态下混凝土细观破坏机理提供可靠依据。