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摘要：开展极端环境岩石动力学实验教学，对帮助学生掌握岩体在极端环境下的力学特性、开展极端环境岩体工程动态稳定性分析具有重要意义。本文首先论述了传统岩石动力学实验方法在极端环境岩石动力学实验教学时存在的困难。随后，引入高速摄像与数字图像相结合的非接触式数字图像实验方法，解决极端环境岩石动力学实验教学难题。最后，基于非接触式数字图像实验方法，揭示了岩体在极端环境下的应力波衰减规律，展示了非接触式数字图像实验方法在极端环境岩石动力学实验教学中非接触、高精度、可视化和易操作等优点。基于非接触式数字图像实验方法的岩石动力学教学方法加深了学生对极端环境岩体动态力学特性的理解，提高了学生对岩石动力学的学习热情，有效提升了课堂的教学质量。

关键词：岩石动力学，实验教学，数字图像相关，波传播，极端环境

中图分类号：V448.2     文献标识码：A

在地热能开采、核废料处理等工程活动中，岩体会受到极端环境（例如高温环境）的影响。极端环境会对岩体造成损伤，从而降低岩体的动态力学特性^[1-5]。此外，岩体工程在施工和服役阶段会受到地震或爆破等动荷载的作用，动荷载以应力波的形式在岩体内传播，如图1所示。应力波在劣化的岩体内传播时会诱发更多的工程灾害，对岩体工程的稳定性造成严重威胁^[6，7]。开展极端环境岩石动力学实验教学，帮助学生掌握岩体在极端环境下的力学特性，提高学生解决极端环境岩体工程动态失稳问题的能力，是当前高等岩石动力学教学的重要任务。

目前，传统岩石动力学实验方法在岩石动力学教学中已经取得了良好的效果。在开展传统岩石动力学实验时，首先在岩体表面不同位置安装应变片，然后施加动荷载在岩体内产生应力波，最后根据应变片采集的波形信息分析应力波在岩体内的传播特性^[8-11]。这种实验方法可以加深学生对岩体内应力波传播的认知与理解，还可以提高学生的动手实践能力。但是这种实验方法在极端环境岩石动力学实验教学中会存在一定的局限性。在极端环境岩石动力学实验教学中，用于采集波形信息的应变片在极端环境的作用下测量误差增加，影响实验的教学效果^[12]。其次，应变片测量区域具有局限性，无法监测岩体的全场变形和岩体的裂纹扩展等局部变形，导致在岩石动力学实验教学中学生无法全面了解岩体的动态力学特性。最后，由于无法通过肉眼观察岩体内应力波的传播，导致学生缺乏应力波在岩体内传播过程的直观认知。

高速摄像技术和数字图像相关（DIC）技术在材料动态力学特性研究领域中得到了广泛地应用。高速摄像可以通过高帧率全过程记录材料在动荷载作用下的动力响应，并通过逐帧回放再现材料在动荷载作用下任意时刻的瞬态变形。在拍摄过程中，高速摄像机与被拍摄材料为非接触状态，不会对材料的运动特性和变形特性产生干扰，也不会受到材料所处极端环境的影响^[13-15]。数字图像相关（DIC）技术可以通过分析对比试样表面图像在变形前后相同像素点的变化，获得该像素点的位移信息。然后采用相同的计算过程计算得到其余像素点的位移信息，由此得到试样表面的位移场^[16-20]。采用高速摄像技术非接触拍摄应力波在极端环境岩体内的传播过程，可以弥补传统实验方法在极端环境岩石动力学实验教学时实验装置受限、无法直观展现应力波传播过程等不足。采用DIC技术计算岩体在应力波作用下的位移场、应变场等，可以弥补传统实验方法测量区域受限的不足^[21-26]。因此，结合了高速摄像与DIC的非接触式数字图像实验方法为开展极端环境岩石动力学实验教学提供了可能。

本文首先调研了岩石动力学实验教学中广泛采用的实验方法，总结了传统实验方法在极端环境岩石动力学实验教学中的教学难点。引入了一种可用于极端环境岩石动力学实验教学的非接触式数字图像实验方法，展示了非接触式数字图像实验方法非接触、高精度、易操作和可视化等教学优点。

1传统岩石动力学实验方法的局限性

在岩石动力学实验教学中，如何获取岩体的应力波传播特性是教学过程中必不可少的环节。应变片由于其灵敏度高、成本低等优点，被广泛用于岩石动力学实验教学中的应力波测量。然而应变片测量在极端环境岩石动力学实验教学中会存在一些不足。

1.1应变片工作温度的局限性

应变片主要由敏感栅丝、基底、引线等部分构成。在岩石动力学实验教学中需要将应变片安装至岩体表面，岩体在受到应力波作用时会产生变形，此时应变片随同岩体产生相同的变形。应变片的敏感栅丝在变形过程中电阻发生变化，通过测量电阻的变化测算岩石表面的应变。采用应变片测量开展极端环境岩石动力学实验教学时，应变片与岩体材料在受到高温作用时所产生的热变形不同，降低应变片的测量精度。此外，随着温度的增加应变片甚至会发生损坏，导致极端环境岩石动力学实验教学无法开展。

1.2应变片测量区域的局限性

岩体内部不同尺度的不连续结构面对岩体内的应力波传播特性有很大影响。宏观节理会导致应力波发生反射和透射，细观缺陷会导致应力波发生衰减和弥散。岩体内部不同尺度不连续结构面的存在导致应力波在岩体内产生复杂的不均匀应变场。应变片只能进行单点或多点测量，其测量区域具有局限性，难以对岩体进行全场的应变测量。

岩体内部不同尺度的不连续结构面在应力波作用下会逐步发展贯通，导致岩体发生断裂破坏，严重影响岩体工程的稳定性。帮助学生理解岩体在应力波作用下的开裂行为，是岩石动力学实验教学中的重点。在岩石动力学实验教学中，面对岩体复杂的破坏过程，往往难以准确估计裂纹扩展的位置，导致提前安装在岩体上的应变片无法测量裂纹扩展过程。此外，受限于应变片的尺寸，也无法获得裂纹尖端在扩展过程中的局部变形特性。

1.3应变片测量试样的局限性

开展岩石动力学实验教学时，通常采用应变片测量岩体的变形特性。在测量岩体的变形特性时，需要选择表面光滑平整的岩体试样，通过粘合剂使应变片与岩体表面紧密接触减少应变片的测量误差。然而岩体处于极端环境时力学性质较差，易发生破碎形成不规则表面。应变片无法与不规则表面紧密接触，导致产生较大的测量误差。

1.4应变片测量工序复杂

采用应变片测量岩体内应力波传播特性需要进行以下操作步骤：选择合适的应变片，观察应变片外观是否发生破损，保证应变片平整；检测应变片的电阻值，确保同一桥路的应变片电阻值相同；仔细打磨需要粘贴应变片的岩体表面；在岩体表面涂抹粘合剂后安装应变片，然后将安装好的应变片静置数小时；将应变片通过引线与信号放大器、应变仪、示波器等设备连接。以上复杂的测量工序导致在开展岩石动力学实验教学时需要较长的准备时间。此外，在采用多点测量方法时，在多次粘贴应变片的过程中也会引入额外的误差，影响实验过程中的测量精度和教学效果。

2结合高速摄像和DIC的非接触式数字图像实验方法

2.1高速摄像技术

高速摄像技术是研究材料动态力学特性的一种有效方法。该技术涉及装置主要有高速摄像机、辅助照明系统、控制系统、外部存储系统等。如图2所示，高速摄像技术能够采用极高的帧率记录材料高速变形的全过程，后续通过逐帧分析再现材料任意时刻的瞬间变形，为材料动态力学特性的研究提供重要的实验数据。目前高速摄像技术已经广泛地应用于研究岩石的动态力学特性^[27-30]。

2.2 数字图像相关（DIC）技术

DIC技术是通过分析对比试样在变形前后的散斑图像，跟踪试样表面的散斑在变形前后的几何位置变化获得试样表面的变形信息。如图3所示，散斑图案内的散斑是随机分布的，因此散斑点P附近的图案是唯一的，将变形前P点周围的区域定义为参考子区。通过在变形后的图像上搜索与参考子区相关度最高的目标子区，从而得到P点在试样变形时产生的位移。对变形前后散斑图像内所有的像素点进行相关匹配后，就可以获得这些像素点在变形时产生的位移，即获得散斑图像内的位移场分布，通过相关算法进而得到散斑图像内的应变场分布，如图3所示。

2.3 非接触式数字图像实验方法

图4展示了非接触式数字图像实验方法中所采用的实验装置。该实验装置由加载装置、应力波传播装置、数据采集装置等组成。

加载装置包括摆锤、角度盘和挡板。摆锤锤头可自行设计更换，通过改变锤头形状、锤头长度来分别控制应力波的波形、波长。角度盘可以测量冲击时摆锤的摆角，通过调整摆角来控制应力波的幅值。焊接的挡板用于避免试样受到重复荷载。

应力波传播装置包括岩杆和支撑滑轮。岩杆要求材质均匀，外观无肉眼可见的裂纹。为了满足一维波传播理论，避免横向效应产生，选择长度120.0 cm，直径4.50 cm的花岗岩岩杆。为了满足应力波在岩杆端部的全反射要求，需要对岩杆左右两端面进行仔细的打磨，保证岩杆两端面光滑平整，同时保证左右两端面相互平行且与岩杆轴线垂直。支撑滑轮用于保证岩杆在受到冲击时能自由滑动，减小岩杆在实验过程中因滑动摩擦而产生的能量损耗。

数据采集装置包括高速摄像机和辅助照明。高速摄像机放置在岩杆自由端处，摄像机光轴与岩杆轴线垂直，用于测量岩杆在受到冲击后自由端所产生的位移。辅助照明为一盏2000W的LED灯，用于提供额外照明以提高拍摄图像的清晰度。

图5展示了非接触式数字图像实验方法在极端环境岩石动力学实验教学中的实验流程。在开展实验教学时，首先需要进行以下准备。根据DIC测试原理，散斑图案质量显著影响测量结果的准确性。散斑图案应该以适当的密度随机分布，且具有良好的对比度，因此在开展教学实验前需对岩杆拍摄区域处进行散斑处理。其次，需要设置高速摄像机拍摄参数捕捉岩体内的应力波传播过程。由于应力波在岩体内的传播速度极快，因此本次实验采用的高速相机Phantom VEO 410设置帧率为10⁵帧/秒，每张图像的时间间隔为10 μs。最后，在开展实验教学时可根据教学要求调整摆角、锤头长度、锤头形状分别控制入射波的幅值、频率和波形。

如图5所示，在开展实验教学时，首先利用摆锤对岩杆施加动载荷，在岩杆内产生左行入射应力波，此时入射应力波为压缩波。左行压缩波在岩杆左自由端反射为右行拉伸波，返回至岩杆右自由端。右行拉伸波在岩杆右自由端发生反射后再次以压缩波的形式接近岩杆左自由端。应力波在传播过程中会在两个自由端不断发生反射改变传播方向。应力波在岩杆内传播时，采用高速摄像机对岩杆左自由端进行持续记录。将采集到的图片数据进行DIC分析即可以得到岩杆左自由端在应力波反射过程中所产生的位移。

3非接触数字图像实验方法的优势

3.1非接触测量

在传统岩石动力学实验方法中，需要在岩体表面安装应变片，通过应变片测量岩体内应力波的传播特性。岩体与应变片在测量过程中是紧密接触的，此时极端环境的温度会降低应变片的测量精度。如图6所示，非接触数字图像实验方法在实验教学过程中采用高速摄像机进行测量，测量过程中高速摄像机与被拍摄岩杆始终为非接触状态，高速摄像机不受极端环境的影响。此外，非接触数字图像实验方法在非接触测量过程中不会对岩杆的运动特性和变形特性产生影响。

3.2可视化

在传统岩石动力学实验教学中，学生无法直接观察到应力波在岩体内的传播过程，缺乏对应力波在岩体内传播过程的直观认知。非接触数字图像实验方法可以对数字图像开展逐帧分析直接观察到岩杆在应力波作用下所产生的位移。该实验方法能够加深学生对应力波传播特性的认识。图7展示了在应力波作用下岩杆左自由端的位移过程。如图7所示，以图中垂直的参考线为参照物，可以直观的看到在极短的时间范围内图中的参考点在应力波作用下向左移动，展现了非接触数字图像实验方法可视化的优势。

3.3全场测量

非接触数字图像实验方法可以测量每一个像素点在试样运动前后的位移，即获得数字图像的位移场分布。图8展示了岩杆左自由端在应力波所用下位移场与时间的关系。从图8可以看到在应力波作用下随着时间的增加，岩杆左自由端的位移不断增加。

3.4测量精度高

以本次实验教学为例，相机的分辨率设置为256×128像素，拍摄的区域尺寸为5.12×2.56 mm，单个像素代表的实际距离为0.02 mm，本次DIC计算时实际像素的匹配误差为0.01像素，因此位移的测量误差为0.0002 mm，该测量精度满足教学要求。图9a展示了在应力波作用下岩杆左自由端位移与时间的关系。当时间为0.20 ms时，入射应力波到达岩杆左自由端，在左自由端发生反射，岩杆左自由端在应力波作用下产生第一次运动。在时间为0.43 ms以后，岩杆左自由端停止移动。在第一次应力波的作用下岩杆左自由端产生的位移为0.08 mm。当时间为0.82 ms时，应力波第二次到达岩杆左自由端，左自由端在应力波作用下产生第二次产生移动。当时间为1.10 ms后，岩杆左自由端停止移动。在第二次应力波的作用下岩杆左自由端产生的位移为0.08 mm。然后岩杆左自由端在应力波的作用下产生第三、第四次运动，岩杆左自由端在运动过程中位移与时间的关系与第一、第二次运动相似。

图9b展示了岩杆左自由端速度随时间的变化关系。速度被分别标记为v₁（t）、v₂（t）、v₃（t）和v₄（t）。其中v₁（t）为岩杆左自由端在应力波第一次作用时所产生的速度。v₂（t）为岩杆左自由端在应力波第二次作用时所产生的速度，依次类推。从图9b中可以看到峰值速度会随着应力波传播距离的增加而减小。本次实验教学中，岩杆左自由端在应力波第一次作用时所产生的峰值速度为0.74 m/s。随着传播距离的增加，岩杆左自由端在应力波第四次作用时所产生的峰值速度为0.50 m/s，相比于第一次的峰值速度下降了32.4 %。

3.5易操作

在传统岩石动力学实验方法中，需要进行应变片校准、岩石表面打磨、应变片粘贴和引线连接等一系列操作才能进行开展岩石动力学实验教学，整个过程复杂且繁琐，准备时间也较长。在进行多点测量时，还需要重复进行以上操作，整个过程比较枯燥，难以激发学生的学习热情。非接触式数字图像实验方法只需要对拍摄区域进行散斑处理后，采用高速摄像机直接进行拍摄即可，前期的准备工作较为简单。在实验过程中，仅需将采集的数字图像导入DIC软件进行分析即可得到实验结果，操作过程更为简便。

4非接触数字图像实验方法的教学效果

利用非接触式数字图像实验方法，学生可以开展极端环境岩石动力学实验探究，掌握岩体在极端环境下的动态力学特性。同时，借助该实验方法可视化的优势，学生可以直接观察到极端环境岩体内的应力波传播过程，加深对极端环境岩体内应力波传播特性的理解。借助该实验方法全场测量的优势，学生还可以全面了解岩体的位移场、应变场和速度场等多种物理场变化情况。将非接触式数字图像实验方法引入岩石动力学实验教学中，可以提高学生的学习热情，激发学生的创造性，有效提升课堂的教学质量。

5结论

本文首先调研了传统岩石动力学实验方法在极端环境岩石动力学实验教学中存在的教学难点。随后，引入高速摄像和数字图像相结合的非接触式数字图像实验方法，基于该实验方法开展极端环境岩石动力学实验教学，得到以下结论。

当应力波到达岩杆左自由端时，岩杆左自由端在应力波作用下位移会随着时间的增加而增加。当应力波远离岩杆左自由端时，岩杆左自由端则会处于静止状态。应力波在岩体内传播时幅值会随着传播距离的增加而减小。

非接触式数字图像实验方法在极端环境岩石动力学实验教学中展现出非接触、高精度、可视化和易操作等优点。并且可以完全可视化地展现应力波在岩体内的传播过程，使学生对极端环境岩体内应力波的传播特性有了更加深刻、直观的理解，提高了学生的学习热情，为帮助学生解决极端环境岩体工程动态稳定性问题打下坚实的基础。

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北京市杰出青年基金（JQ20039）和国家自然科学基金面上项目（12172019）资助。

作者简介：范立峰，教授、博士生导师。主要从事多场环境下岩土工程震动分析、失稳预测及安全评估；岩石动力学、岩体内应力波传播；岩土工程数值模拟等方面的研究。