1、第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023三点弯曲试验下花岗岩应变场及损伤演化研究梁鹏1，2，李壮1，刘俊岭1，3，王聚贤1，王骏涛1(1华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210;2 河北省矿山绿色智能开采技术创新中心，河北 唐山 063210;3 华北理工大学 以升创新教育基地，河北 唐山 063210)摘要:开展花岗岩三点弯曲试验，引入统计学、熵和能量理论，提出用方差、熵和变形能量密度作为应变场的定量刻画指标，量化研究
2、岩石破坏过程应变场演化规律，在此基础上，从应变场表面损伤角度，借助应变场定量刻画指标，研究三点弯曲条件下岩石变形破坏过程损伤演化规律。结果表明:应变场方差、熵和变形能量密度 3 个指标能够定量刻画三点弯曲作用下花岗岩破裂过程应变场演化规律;基于应变场表面损伤分析，发现花岗岩三点弯曲试验条件下峰值载荷后损伤占比约为 90%，表现为峰后损伤急速发展的特征;相比之下，应变场方差、变形能量密度 2 个指标能够刻画花岗岩三点弯曲试验条件下损伤演化特征，而熵值的快速下降可作为花岗岩破裂的前兆特征。关键词:三点弯曲试验;数字图像相关法;应变场;定量分析;损伤演化中图分类号:TU45文献标识码:A文章编号:1
3、673-0836(2023)02-0486-09Strain Field and Damage Evolution of Granite underThreePoint Bending TestLiang Peng1，2，Li Zhuang1，Liu Junling1，3，Wang Juxian1，Wang Juntao1(1School of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan，Hebei 063210，P China;2Mine Green Intelligent Mini
4、ng Technology Innovation Center of Hebei Province，Tangshan，Hebei 063210，P China;3Yisheng Innovation Education Base，North China University of Science and Technology，Tangshan，Hebei 063210，P China)Abstract:The granite three-point bending test was carried out，statistics，entropy and energy theories werei
5、ntroduced，and variance，entropy and deformation energy density were proposed as quantitative characterizationindexes of strain field to quantitatively study the evolution law of strain field during rock failure process On this basis，from the perspective of surface damage of strain field，the damage ev
6、olution law of rock deformation and failureprocess under three-point bending condition was studied with the help of quantitative characterization indexes of strainfield The results show that the three indexes of strain field variance，entropy and deformation energy density canquantitatively describe
7、the evolution of strain field in granite fracture process under three-point bending Based on thestrain field surface damage analysis，it is found that the proportion of damage after the peak load is about 90%under the three-point bending test of granite，showing the characteristics of rapid developmen
8、t of post-peak damageIn contrast，the two indexes of strain field variance and deformation energy density can describe the damageevolution characteristics of granite under three-point bending test，and the rapid decline of entropy can be used as theprecursor characteristics of granite fractureKeywords
9、:three-point bending test;digital image correlation method;strain field;quantitative analysis;damage evolution收稿日期:2022-10-27(修改稿)作者简介:梁鹏(1987)，男，河南南阳人，硕士，讲师，主要从事矿山岩石力学领域的教学与科研工作。E-mail:hnlp87 163com基金项目:国家自然科学基金(51904105);河北省自然科学基金(E2021209052);大学生创新创业训练计划项目(X2022046，X2022127)0引言岩石作为一种天然地质材料，其内部存在大
10、量随机分布的微缺陷，如微裂纹、微空洞等1。微裂纹的扩展过程常被视为损伤的累积过程，决定了材料的失稳破坏进程。因此，合理地表征岩石损伤演化过程对工程稳定性控制和安全性预测具有重要意义2-6。数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)是一种非接触式全场变形观测方法7，可以连续获得试样表面的应变场，已广泛应用于岩石破裂及损伤演化过程研究。通过该方法可以观察到在外荷载作用下，岩石表面微裂纹逐渐扩展、聚合，形成损伤累积的动态演化过程，探究岩石的损伤破裂机制，是一种有效且富有发展潜力的试验手段。近年来，国内外学者对此做出大量研究，纪维伟等8 利用数字图像相关方法，对两类岩石
11、开展了一系列半圆盘三点弯曲试验，并获得了岩石断裂时的临界变形场，确定了两类岩石破坏时临界特征;代树红等9-11 利用 DIC 方法测定岩石-复合型裂纹应力强度因子，准确地定位了裂纹尖端位置、量化裂纹扩展长度;李占金等12 通过数字图像分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹萌生、扩展和贯通规律;汪雪英等13 采用数字图像方法快速、有效地获取表征豆砾石形态特征的定量指标;徐丽海等14 基于数字图像方法，观测不同倾角预制单裂纹的类岩石材料的裂纹扩展及岩体细观损伤演化过程;Zhang 等15 利用 DIC 和声发射系统探究砂岩压裂过程中的能量耗散及裂纹演化特征。近年来，一些学者尝试利用数字图像方法对岩石破裂
12、过程损伤演化特征进行研究。范杰等16 利用数字图像方法，建立了基于主应变的损伤变量 D，对砂岩裂纹的扩展及损伤进行了研究;杨振等17 以数字图像相关分析为基础，建立了层状复合岩石表面损伤本构模型。上述分析可以看出，学者们利用数字图像相关方法对岩石破裂过程进行了大量研究，然而，较多是基于测量的应变场进行直观视觉分析，较少对岩石破裂过程应变场的定量刻画进行研究。此外，从应变场量化的角度，对岩石破裂过程裂纹扩展、损伤演化的研究相对较少。因此，有必要结合一些具有物理意义的、能够反映裂纹损伤动态变化的定量指标，以便于更直观、更准确地把握岩体变形破裂及损伤演化规律。基于此，对花岗岩开展三点弯曲试验，通过数
13、字图像方法计算岩石破坏过程的全场应变，引入统计学理论、熵理论和能量理论，提出方差、熵和变形能量密度 3 个指标，来定量刻画应变场演化特征。在此基础上，从应变场角度建立岩石损伤变量 D，探讨损伤变量 D 与 3 个指标的相关性，探究岩石破裂过程损伤演化规律。1试验设计11试样的选取与制备试样 为 取 自 山 东 莱 州 的 花 岗 岩，尺 寸 为250 mm50 mm50 mm 的长方体，试样中部含一条预制裂纹，其规格为长 20 mm、宽 2 mm。采用人工喷漆的方法在试件表面制作散斑场，试件正面喷涂白漆，待其干透后再喷涂黑漆做随机散斑处理，尽可能地均匀喷涂，保证制作出优良的人工散斑场，如图 1
14、 所示。图 1喷涂散斑后花岗岩试样Fig1The granite samples after speckle12试验设备试验系统如图 2 所示，加载设备采用型号为图 2试验系统Fig2Testing system7842023 年第 2 期梁鹏，等:三点弯曲试验下花岗岩应变场及损伤演化研究TAW3000 伺服控制试验机，试验过程中由工业相机对喷涂人工散斑场试件的正面进行数字图像采集。选用 VIC-3D 测量系统对数字图像进行分析，VIC-3D 测量系统相比于传统的数字图像分析软件，进行了算法和计算速度上的优化升级，并基于拉格朗日代数公式编辑了一套独特算法，可计算多个方向的应变值，能够综合表征出
15、分析区域的应变变化情况。13试验过程试验前，调整好工业相机的采集角度，并用CSI 校正板对相机进行校正，工业相机的采集速率选择为 2 张/s。将待测试件竖直方向的载荷预加载到 200 N，随后以 5 N/s 的速率进行加载至试件破坏。为了保证加载设备和监测设备的数据在时间上严格对应，对各设备进行计时同步。2花岗岩破裂过程中主应变场演化特征21应变云图空间演化分析以图 3 中圈定的位置作为应变场分析区域，利用 VIC-3D 软件获取分析区域应变场点云数据，编写相关程序，得到分析区域的应变场云图。对HGZL-2、HGZL-5 及 HGZL-9 三个试样进行了分析，由于应变云图的演化规律较为相似，特
16、选取具有代表性的 HGZL-2 试样进行分析。图 3应变场分析区域Fig3Strain field analysis region图 4 为三点弯曲试验下 HGZL-2 岩样主应变云图。从图中可以看出，开始加载时，试样表面变形均匀，无明显局部应变，如图 4(a);在峰值应力25%时，由于应力不断增大，岩样中部预制裂纹处局部应力集中，出现明显的应变集中区域，如图4(b);继续加载，应变在预制裂纹处聚集，应变局部化带沿竖直方向缓慢发育，如图 4(c)和图4(d);接近峰值应力时，应变局部化带沿竖直方向急速扩展，岩样表面裂纹沿竖直方向快速延伸，形成一条“1”字形应变局部化带，如图 4(e)、(f)，与试样形成的宏观破裂带相对应，如图 4(g)、(h)。基于上述分析可知，岩样表面应变场逐渐从均匀分布演化为在预制裂纹处的应变集中区域，随后，在预制裂纹处萌生一条沿竖直方向的应变局部化带，并不断扩展延伸。图 4HGZL-2 岩样应变场应变演化云图Fig4Cloud map of the strain evolution of HGZL-222主应变曲线演化特征图 5 为 HGZL-2、HGZL-5
