岩石损伤破裂过程实验研究现状

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岩石损伤破裂研究涉及全应力-应变曲线实验、声发射和细观实验技术。全应力-应变实验提供破裂全过程数据，声发射通过弹性波诊断损伤，细观实验如扫描电镜和CT直观研究微裂缝演化。这些技术促进了对岩石破裂机理的理解，但将声发射规律与宏观力学参数联系的有效方法尚需发展。

为了研究岩石材料的损伤破裂过程，许多种实验技术和方法被利用，例如岩石全应力—应变曲线实验技术、岩石声发射实验技术、岩石的细观实验技术等。  

（1）岩石全应力—应变曲线实验技术。岩石从加载开始到破裂全过程的实验研究与固体材料力学性能实验机发展紧密相关。Cook ^[46]在1965年首次通过增加普通实验机压头的刚度获得了岩石全应力—应变曲线。随后通过电动液压伺服控制的刚性实验机进一步提升了实验机性能，可以精确地控制多个参数来控制加载模式，如位移加载、应力加载等，进而准确地获得岩石在稳定破裂过程中岩石全应力—应变曲线，对深入研究岩石损伤演化扩展和揭示岩石逐渐劣化的行为起到极大帮助。  

（2）岩石声发射实验技术。声发射是指材料内部由于能量的快速释放而产生的瞬时弹性波的现象。岩石在外载作用下，岩石内部会有大量微裂缝的萌生、扩展以及断裂。随着微裂缝的演化，会产生以弹性波的形式释放岩石内部的能量，这种现象被称为岩石声发射。声发射技术是通过探测材料破裂时释放的弹性波来诊断材料损伤程度的一种无损探测技术。声发射现象是岩石内部状态变化的外在反应，包含有极为丰富的信息，已被广泛地应用在岩石破裂失稳机理的研究中。声发射的研究从20世纪30年代开始，最初应用于矿山和隧道的地震波测量。20世纪50年代Kaiser在研究金属材料时发现了Kaiser效应，这一发现标志着现代声发射技术的开端^[47]。Ohtsu等人^[48-49]在1987年利用矩张量的方法和弹性波理论，研究了岩石破裂机制，其研究结果表明地震学中用于识别天然地震震源的矩张量方法可以用于岩石声发射破裂机理的研究，并提出了应力矩张量方法判断岩石破裂类型。Shiotani等^[50]在2001年通过对比岩石在弯曲和剪切实验的声发射信号，发现在不同加载条件下声发射的RA值（Rise time/Amplitude）具有很大差异，高RA值表示岩石内部产生的是受拉型微裂缝，而低RA值则表示受剪型微裂缝。Graham等^[51]在2010年利用P波初动极性和应力矩张量分析方法判断岩石破裂类型，分析了岩石在加载过程中采集到的声发射数据，研究了岩石的脆性损伤演化扩展的过程。声发射技术在岩石损伤演化扩展以及实际岩石工程应用中潜力巨大，其可以用来有效监测三维空间中损伤破裂的位置以及破裂能量的大小。但是，声发射技术仍然存在一些问题，比如实验结果缺少理论分析；缺少将岩石声发射得到的规律与宏观力学参数联系起来有效的力学方法；而且目前对于声发射机制、声发射传播规律等仍在探讨摸索之中。  

（3）岩石的细观实验技术。传统的岩石力学实验大多在宏观尺度上分析岩石的物理力学参数，例如通过位移、应力、应变和声发射参数等来表征岩石的破裂过程，而对于岩石破裂的内在机理，譬如微裂缝演化发生的位置、微裂缝演化扩展等无法直接获取。岩石的细观实验技术侧重从细观尺度出发，通过一些先进的细观仪器简单、直观地研究微裂缝的损伤演化，例如光学显微镜、扫描电子显微镜SEM以及CT实验技术等。赵永红^[52]在2004年借助扫描电镜实时观测受单轴压缩大理岩填充割缝周围的微裂缝的生长，得到了微裂缝的萌生、扩展、贯通和闭合等过程的显微图片。Feng等^[53]在2004年利用CT获得了砂岩在三轴压缩以及化学腐蚀存在的条件下损伤演化扩展的实时实验图像。