包林海， 馬少鵬， 王建新

(1.中國地震局地殼應(yīng)力研究所， 北京 100085；2. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 100081)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上90%以上的地震是由于斷層活動(dòng)而引起的。在大多數(shù)情況下這些地震的發(fā)生并不是某一獨(dú)立斷層活動(dòng)的結(jié)果，而是由兩條或者兩條以上的斷層組合作用。斷層間相互作用在斷裂帶的形成起著重要作用，它對地震活動(dòng)及地震破裂的擴(kuò)展有明顯的控制作用。因此，研究復(fù)雜斷層組合的變形破壞特征有重要的理論和實(shí)際意義[1]。由于巖石材料的非均勻性、非連續(xù)性以及斷層組合的復(fù)雜性，現(xiàn)有的解析方法還缺少有效的手段對此過程進(jìn)行研究。因此，目前有關(guān)巖石破壞過程的研究，主要還是依賴于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[2～5]。一些學(xué)者也基于各種實(shí)驗(yàn)方法比較系統(tǒng)地研究了含雁列斷層巖石的破壞過程[6,7]。在巖石破壞過程中，對變形的觀測和分析是一種有效的研究手段，特別是對于含斷層組合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要對其變形場的演化進(jìn)行分析才能較好研究其破壞過程。本文采用數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)對全場變形進(jìn)行測量。

數(shù)字散斑相關(guān)方法是一種基于試件表面散斑圖像分析獲得被測表面變形場的測量方法，其基本原理是匹配物體表面不同狀態(tài)下的數(shù)字化散斑圖像上的幾何點(diǎn)，跟蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)從而獲得物體表面變形信息。該方法具有全場、非接觸、高精度以及易操作等特點(diǎn)。因此，數(shù)字散斑相關(guān)方法十分適合巖石破壞過程的試驗(yàn)研究[8～10]。

1 試驗(yàn)

如圖1所示，試件尺寸為150 mm×150 mm ×45 mm，在圖示位置制作兩條穿透裂縫，裂縫用石膏填充，兩裂縫之間的角度為30度，加載方式如圖所示。

圖1 試件模型/mm

試驗(yàn)是在WAW-2000型巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)機(jī)加載速度為0.4mm/min，程序控制一臺(tái)Basler A641f 數(shù)字CCD相機(jī)采集樣本表面圖像并存貯到計(jì)算機(jī)中，試驗(yàn)結(jié)束后用DSCM進(jìn)行分析得到變形場。圖像采集控制系統(tǒng)和試驗(yàn)機(jī)加載控制系統(tǒng)在試驗(yàn)開始前進(jìn)行時(shí)鐘同步，試驗(yàn)中采集每一幅圖像時(shí)記錄該圖像的采集時(shí)刻，試驗(yàn)后可根據(jù)圖像的采集時(shí)刻與加載曲線對應(yīng)得到其在加載曲線上的位置。取采集圖像中第3幅作為參考圖像，分別取不同載荷階段第29、100、230、820、1320幅散斑圖作為目標(biāo)圖像，目標(biāo)圖像在加載曲線對應(yīng)的位置如圖2所示。

圖2 載荷-位移曲線

2 結(jié)果及分析

2.1 變形場的演化分析

DSCM處理后可以得到試件表面觀測區(qū)域在整個(gè)試驗(yàn)過程中的位移場和應(yīng)變場演化結(jié)果。本文只列出了試件表面最大剪應(yīng)變場的演化過程，如圖3所示。從圖中可以看出，在加載初期，試件表面沒有出現(xiàn)應(yīng)變集中帶，繼續(xù)加載時(shí)，在裂縫的尖端先出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象，隨著載荷繼續(xù)增大，試件在加載的第四階段，下端裂縫的端部開始出現(xiàn)應(yīng)變集中帶，加載到第五階段時(shí)，在上端又出現(xiàn)一條應(yīng)變集中帶并且擴(kuò)展到上端裂縫的端部，同時(shí)下端的應(yīng)變集中帶也在繼續(xù)擴(kuò)展，但是擴(kuò)展速度明顯不如新出現(xiàn)的應(yīng)變集中帶，最后試件沿著上端兩條集中帶破壞。

圖3 最大剪應(yīng)變?chǔ)胢ax演化過程

2.2 變形場的統(tǒng)計(jì)特征

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，巖石加載的不同階段，試件表面的應(yīng)變場有不同的分布特征，因此，要選擇一種合適的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對不同時(shí)刻的應(yīng)變場進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別。同時(shí)，在巖石破壞過程的變形場演化中，應(yīng)變局部化是整個(gè)演化過程中最重要的階段和現(xiàn)象，研究變形局部化的發(fā)生、發(fā)展有助于從理論上闡述巖石的破壞。在以往的研究中[11]，有研究者用變異系數(shù)Cv對變形結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：

(1)

其中

(2)

Xk為變形場中每個(gè)點(diǎn)的變形量，而

(3)

是Xk的均值。一般情況下，局部化變形場的變異系數(shù)大于未發(fā)生變形局部化的變形場的變異系數(shù)。也就是說，Cv越大表明變形在空間分布越集中。圖4為本試驗(yàn)中得到的最大剪應(yīng)變場統(tǒng)計(jì)的Cv值的變化過程(圖中兩條曲線為歸一化后所作曲線)。本次試驗(yàn)所統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的變化過程與文獻(xiàn)[6]應(yīng)變場統(tǒng)計(jì)指標(biāo)演化十分類似，但這種演化與文獻(xiàn)所統(tǒng)計(jì)指標(biāo)又有不同的地方，本次統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)在加載初期變化比較快，而文獻(xiàn)中的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)在加載初期并沒有很明顯的變化，這可能與存在兩條不規(guī)則的組合斷層有關(guān)，但是同樣也有共同點(diǎn)，就是在載荷到達(dá)峰值時(shí)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)都迅速上升。這種急劇的上升表明變形急劇集中，預(yù)示著巖石結(jié)構(gòu)即將破壞。

圖4 加載過程中Cv值的演化

3 結(jié) 論

本文利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對含復(fù)雜斷層組合巖石的破壞過程進(jìn)行了研究和分析。利用該方法得到的巖石表面變形演化過程可以十分清楚地反映巖石的整個(gè)破壞過程。

變形場演化過程表明，對于含有弱性結(jié)構(gòu)面的巖石，變形首先集中在弱性結(jié)構(gòu)面上，而整個(gè)變形破壞過程也同樣受到弱性面的控制。裂縫尖端應(yīng)力集中程度最高的區(qū)域控制著新裂縫的走向。試驗(yàn)中，上方斷層產(chǎn)生變形的程度明顯大于下方，最終巖石由于裂縫與上方斷層貫通而破壞。用一個(gè)變異系數(shù)Cv來統(tǒng)計(jì)變形場特征，Cv值在加載初期變化不是很明顯，當(dāng)巖石中的弱性面發(fā)生較大變形時(shí)，Cv值變化加快，而到達(dá)巖石結(jié)構(gòu)最大承載力附近時(shí)，Cv值急劇上升。該值的這種變化正好對應(yīng)巖石破壞的整個(gè)過程，就是從變形較為均勻到出現(xiàn)變形局部化并進(jìn)一步發(fā)生破壞的過程。

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