應變場

天然岩石由於受到其成巖過程中不同環境與作用的影響，其內部往往產生大量的微裂隙、空隙等微缺陷。在荷載作用下，這些隨機分佈的微缺陷會不斷聚合、擴散、貫通，最終影響和導致材料的損傷演化及破壞形態。而岩石作為構建礦山、隧道、水利及地下空間等與人類生產生活關係密切的大型工程的最主要材料，其變形與破壞機制無不影響着此類工程的許多災害問題。從細觀力學角度展開對岩石受力變形和損傷演化這一複雜的物理力學過程進行研究，將其與岩石宏觀斷裂力學機制聯繫起來，是當今岩石力學與工程領域的重點與熱點問題。這對深入研究岩石材料的斷裂、失穩破壞以及岩石工程災害的發生機制等都具有重要的科學意義和工程實際意義 ^[1]  。

長期以來，國內外很多學者深入探討了節理岩石中裂紋的起裂、擴展規律，從理論和模型試驗的角度研究了岩石損傷演化機制，取得了大量的研究成果。由於理論模型尚不完全成熟，關於岩石裂紋擴展規律及其破壞過程的研究主要還是通過模型試驗這一重要手段來開展。室內試驗的真實性不僅取決於試件的製作，很大程度上還取決於試驗過程中所採取的觀測手段，因此應用各種新的觀測方法進行試驗研究也一直是岩土力學領域的關注熱點。

為準確、細緻地從應變場的角度分析試件全局的演化規律，根據在加載全程不同階段宏觀裂紋發育、擴展狀態與全局應變場演化的對比，結合系統分析軟件量綱一化處理，確定基本變量單位在4 000～5 000μm/m 的範圍值時既能從細觀角度有效反映出岩石損傷全程全域變化特徵，又能充分表達試件變形局部化帶演化的主要趨勢。經與系列試驗結果比較，該量化指標能較好綜合衡量宏/細觀觀測結果 ^[2]  。

在加載前中期，試件所受應力基本呈線性增加，由於加載速率恆定，試件壓縮位移等步增加，此階段可近似認為試件處於彈性變形階段；而在此期間，基於細觀觀測，應變場變化基本集中在預製裂紋附近，最大應變產生於裂隙兩尖端位置，但試件表面沒有明顯的新生裂紋出現，這也説明在此加載水平下(如標識點的應力值達到應力峯值的 78.37%)，原始缺陷對試件的應力–應變整體分佈情況基本沒有影響。

隨着荷載繼續增加，進入第二階段時，應變場局部化帶的增長速率發生很大變化。如標識點階段(標識點的應力值達到應力峯值的 89.4%)，從變形場演化過程圖可看出，最大應變由最初分佈在預製裂紋的周邊位置向裂紋兩尖端轉移，並逐漸以平行於加載方向向試件上下兩端延伸。此階段局部化帶的擴展速率逐漸加快，由前期的穩定發展變成非穩定發展，且在標識點間極短的加載步數內應變場局部化帶迅速擴展到接近試件端部的位置。這此之後，應變場變化再次迴歸穩定發展。預製裂紋上下端部產生的新生裂紋的擴展狀態基本類似，不同之處或受加載端的影響。此時試件表面出現明顯的新生裂紋，其擴展趨勢基本與應變場局部化帶變化相同。此外，可以注意到此階段的加載曲線存在上下波動的現象，產生了第一個應力峯值點，這是由於此時應力水平達到次生裂紋閾值，而隨着裂紋的起裂及迅速擴展，試件產生應力重分佈，試件抗力結構發生變化，試件整體狀況下的應變、位移發生不穩定增長，從而導致加載曲線上下波動的不穩定現象。

而當裂紋擴展到一定程度後，隨着試件整體的應力重分佈再次形成有效抗力結構，即試件進入塑性硬化階段，使得加載曲線能夠再次穩步增長，而此時的應變場局部化帶的擴展狀態亦趨於穩定，並逐漸向試件上下兩端延伸，但擴展速度較為緩慢。此現象與之前大多數試驗觀測結果相似，説明此時得試件結構能夠有效地承受所施加的荷載，並將其轉化成應變能，為下一次的裂紋擴展及試件的損傷破壞“蓄勢”。

在加載階段中，隨着荷載不斷增大，局部化帶寬有增大趨勢，這表明裂紋有緩慢擴張現象。給出了在此階段中產生的第二個應力峯值點所對應的應變場分佈圖。當荷載達到峯值以後，隨着裂紋不斷擴展，應變能不斷釋放，試件既定的抗力結構不斷軟化，所施加在試件上的荷載有所降低(塑性軟化階段)。在此期間可發現試件左右界面處有部分塊體產生剝落，且之後在很短的加載期內，裂紋迅速貫通試件上下界面，加載曲線亦呈現出陡降現象，這表明試件已發生整體破壞。

發現在預製裂紋延伸位置(次生裂紋)、反翼裂紋及新生翼裂紋周圍散佈有若干大小不一的小應變區域。在加載前中期，該區域應變值相對於局部化帶的應變範圍值較小，在加載後期或試件破壞前，這些區域的應變值雖有所增大，但數值仍很小。總體來説，此部分區域的應變狀態對裂紋的擴展路徑，應變能的釋放位置，試件整體的損傷演化模式影響很小，可忽略不計。由此也可以看出，在試件加載全程翼裂紋擴展是新生裂紋起裂、擴展的主導方式，是影響試件應力–應變重分佈及其損傷破壞模式的主要原因 ^[3]  。