巖石變形破壞過程應變場定量分析及前兆識別

摘 要： 為對巖石變形破壞過程應變場定量分析，引入統計學、熵和能量理論，提出用方差、熵和變形能量密度作為應變場定量刻畫指標，量化研究巖石剪切破壞過程應變場演化規律，在此基礎上，從應變場監測的角度探討了巖石破裂的前兆特征。研究結果表明：應變場方差、熵和變形能量密度3 個指標均呈現穩定變化、加速變化和急加速變化的階段性特征，能夠定量刻畫破壞過程應變場均勻分布、應變局部化帶發育和擴展演化規律。將3 個指標加速變化特征作為巖石破裂前兆特征，其前兆捕捉能力均優于直觀性的應變場分析，相比之下，變形能量密度的前兆響應能力最強。研究結果可為巖石破裂災變過程應變場的定量分析提供新的方法，為工程巖體災變監測和預警提供新的手段和依據。

關鍵詞： 剪切破壞; 數字圖像相關法; 應變場; 定量分析; 前兆特征

中圖分類號： TB9; N929.5 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）09–0111–09

0 引 言

巖石是一種具有先天性缺陷的介質，內部蘊含著豐富的孔隙、裂隙和節理結構，在外力的作用下，伴隨著新生裂隙的產生，原有裂隙擴展、貫通，最終導致巖體的整體失穩破壞，對礦山、水利等地下工程造成重大安全威脅。研究巖石破壞過程應變場，有助于深入揭示巖石破裂的災變機制，對巖石工程災害的預測預報研究具有重要意義。

數字圖像相關（ digital image correlation， DIC）是一種非接觸式全場變形觀測方法[1]，可以連續獲得試樣表面的應變場，已廣泛應用于巖石破裂及損傷演化過程研究。張鵬飛等[2] 利用數字圖像相關方法對夾層玻璃的應變集中現象進行研究。蘇方聲等[3] 將DIC 法用于含天然硬性結構面大理巖變形破裂演化過程的研究。馬永尚等[4] 采用三維DIC技術，實時跟蹤了單軸壓縮條件下含孔花崗巖試件在破壞過程中三維位移場和應變場演化規律。宋義敏等[5] 利用數字圖像方法，研究了完整大理巖試件破壞過程中應變場演化特征以及應變局部化現象。紀維偉等[6] 利用數字圖像相關法對變形場進行分析，確定了巖石臨近破壞時的特征。李露露等[7] 利用DIC 技術得到單軸壓縮下三叉裂隙類巖石試件的應變場。雷冬等[8] 基于DIC 技術計算出花崗巖在動力破壞過程中的應變場。潘紅宇等[9] 結合DIC 技術，分析煤巖表面應變場變化特征深入研究了軸向應變率和裂紋擴展速率之間的關系。

上述分析可以看出，學者們利用數字圖像相關技術，對巖石破裂過程應變場進行了大量研究。然而，對巖石加載過程中獲得的應變場進行分析，大多基于直觀視覺進行應變云圖的定性特征描述，對整個應變場進行定量描述時多使用應變值作為分析指標，應變值僅表示應變場的總體水平，不能有效表達應變場的空間分布及演化特征，尤其對于巖石在加載過程中出現的應變局部化現象無法定量刻畫。因此，正如文獻[10] 在研究中指出，后續的分析中，有必要結合一些具有物理意義的、能夠反映應變場動態變化的定量指標，以便于更直觀、更準確地把握巖體變形破裂規律。

基于此，對花崗巖試樣進行剪切試驗，通過數字圖像相關方法獲取巖石剪切破壞過程的全場應變。引入統計學理論、熵理論和能量理論，提出了方差、熵和變形能量密度3 個指標，來定量刻畫應變場演化特征，量化研究巖石剪切破裂過程中應變場演化規律。在此基礎上，結合3 個指標曲線的變化特征，探討巖石破裂的應變場前兆特征。