Page 31 - 2021年第52卷第9期

片或安装应变仪具有一定的难度，可能会对试样造成破坏，影响试验的结果。也可通过测量试验机
执行器的位移间接获得试样的位移 ［22］ ，该方法测量得到的间接位移受到压头的刚度、压头与试样接
触面平整度的影响，并且只能获得试样的整体位移。而 DIC 作为一种光学测量方法，与传统的电测
量方法相比，具有可全场测量、无接触、操作简单的优点，在生物医疗 ［23-24］ 、土木工程 ［25-27］ 等研究领
域中获得了较为广泛的应用。目前，已有学者将 DIC 技术应用于冰力学试验，Lian 等 ［28］ 基于 DIC 方法

研究了湖冰单轴抗压试验过程中的应变变化，研究发现，通过执行器推算出的名义应变率与通过 DIC
方法得到的应变率有着较大的差异。Wang 等 ［29］ 利用 DIC 技术测量了海冰单轴压缩破坏过程中的位移
场和应变场，验证了 DIC 方法的可靠性，为 DIC 技术应用于其他冰力学试验提供了依据。
为此，本文采用 DIC 技术结合三点弯曲梁试验方法，开展了不同温度和加载速率下黄河冰的断
裂性能试验。利用 DIC 技术观测了试样在三点弯曲试验过程中的位移场和应变场，通过与位移计的
测量结果比较，验证了 DIC 方法的可靠性，并分析了温度和加载速率对河冰断裂韧度的影响。

2 试验概况

2.1 试样采集 本次试验的试样来源于黄河封冻期内蒙河段河冰，采冰地点位于黄河什四份子弯道
（N40°17′39″，E111°02′41″ ）。什四份子弯道是黄河内蒙古封冻河段的典型位置，河道由一个 120°的弯
道连接，每年冰情持续 100 天左右。采集冰胚时，首先使用冰尺在冰面上划出冰胚的边缘，确定冰胚
的方位和大小，随后使用电链锯沿边缘切割，直至冰胚与冰盖分离，最后使用冰锥将冰胚提出水
面。最终取出的冰胚如图 1（a）所示，冰胚共计 6 块，尺寸为 75 cm×65 cm×30 cm，冰胚分为三层，0
~ 5 cm 是冰雪反复融化冻结后形成的表面冰，内部含有泥沙颗粒，5 ~ 23 cm 冰层呈乳白色，气泡含
量较多，分层处较浑浊，为冰花凝结形成的粒状冰层，23 ~ 65 cm 冰层透明无气泡，为自然生长的柱
状冰层。将采集完成的冰胚使用塑料膜密封，并装入泡沫保温箱中运往实验室。

（a） 冰胚外观 （b） 冰胚分层图
图 1 冰胚的采集

2.2 样本的制备 使用锯骨机将冰胚加工成 7 cm×7 cm×65 cm 的三点弯曲梁试样，并在无缺口试样的
中部，用手锯加工长 3 cm 的预制切口，试样的尺寸如图 2 所示，S 代表有效跨度，W 为试样的高度，
a 为预制裂纹长度，取为 3 cm，试样的跨高比（S/W）取 4。
DIC 是一种基于物体表面散斑图像灰度分析的光测方法，通过比较物体变形前后表面的数字图像，
获得物体运动和变形信息。冰是一种透明材料，为了能顺利得采集信息，使用哑光漆在试样 DIC 观测区
制造人工散斑，以便获取冰断裂过程中的变形数据。首先，在试样的表面涂上一层白漆（图 3（a）），为了
防止透光以及喷涂不平整，白漆一共喷涂三次，每次喷涂后都将试样静置 20 min，使喷漆完全冷
却，与冰面融为一体。白漆喷涂完 30 min 后，在距离试样表面 30 cm 以上的位置喷涂黑漆，使黑漆均
匀地落在试样表面，形成随机灰度散斑。喷涂完成后静置 2 h 以上，待喷漆完全凝结后再进行试验。
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