《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Mode I fracture analysis of granite under rapid thermal disturbances using digital image correlation and 3D laser scanning
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随着清洁能源技术的发展，作为深部工程常见围岩的花岗岩面临日益严峻的快速热扰动挑战。研究人员对经快速加热—冷却处理（25?℃→15?℃、200?℃→15?℃、400?℃→15?℃及600?℃→15?℃）的花岗岩半圆形弯曲（semi-circular bend，S
随着清洁能源技术的发展，作为深部工程常见围岩的花岗岩面临日益严峻的快速热扰动挑战。研究人员对经快速加热—冷却处理（25?℃→15?℃、200?℃→15?℃、400?℃→15?℃及600?℃→15?℃）的花岗岩半圆形弯曲（semi-circular bend，SCB）试件开展三点弯曲试验，并结合数字图像相关（digital image correlation，DIC）法、声发射（acoustic emission，AE）监测及三维（three-dimensional，3D）激光扫描，系统研究了涵盖二维断裂过程和三维断口形貌的多尺度响应。此外，研究人员利用DIC位移梯度、盒计数（box?counting）法、最小二乘法及灰度共生矩阵（gray?level co?occurrence matrix，GLCM）分析了断裂过程区（fracture process zone，FPZ）与断口特征。结果表明：热扰动增强显著劣化石英岩I型断裂韧度（mode?I fracture toughness，KIC），600?℃时降幅达88.5％；此种劣化伴随AE活动明显增强以及裂纹嘴张开位移（crack mouth opening displacement，CMOD）与裂纹尖端张开位移（crack tip opening displacement，CTOD）增大；热损伤促使裂纹在更低荷载水平启裂与扩展，并显著改变FPZ尺寸与形态；分形维数、粗糙度及纹理统计量均呈现明显温度依赖性；跨尺度分析揭示热冲击诱发的弥散微裂纹网络驱动性能劣化，而石英相变与长石软化分别主导脆性损伤与塑性耗散，即断裂韧度随热应力与损伤演化的退化路径；断口三维形貌与断裂参数间的定量关联证实了利用断口形貌重构能量耗散机制的潜力。研究成果为深部岩石工程提供了关键理论基础与风险评估依据，可提升极端热条件下结构失稳的预测能力。
论文解读：快速热扰动下花岗岩I型断裂行为及多尺度表征研究
研究背景与意义
在增强地热系统（enhanced geothermal system，EGS）、高放射性废物地质处置及深部矿产资源开采等深部岩石工程中，花岗岩常遭受非稳态快速热扰动（如周期性注入抽出、启停工况及井下火灾），产生热冲击效应并诱发显著物理—力学性质劣化，威胁工程长期稳定性。已有研究多集中于准稳态或稳态温度场下岩石断裂行为，对快速热扰动下尤其是I型（张开型）断裂及断裂过程区（fracture process zone，FPZ）演化、断口三维形貌与断裂过程跨尺度关联的研究尚不充分。为此，研究人员以花岗岩为对象，通过快速加热—冷却处理模拟工程热扰动，开展SCB试件三点弯曲I型断裂试验，联合DIC、AE及3D激光扫描技术，从二维全场应变演化、微破裂活动时序到三维断口分形与纹理统计进行多尺度表征，阐明热扰动温度对KIC、FPZ、CMOD、CTOD及断口形貌的影响规律与热—损伤耦合机制，并建立断裂参数与断口量化指标间定量关系，为深部热—力耦合环境下岩石结构稳定性评价提供理论支撑与风险基准。该论文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。
主要关键技术方法
研究人员采用产自中国济宁的花岗岩制备成直径约76?mm、厚约30?mm的SCB试件（预制16?mm缺口，符合ISRM建议），每组温度条件测试三个平行试件。热处理方案为以18?℃/min升温至目标温度（25?℃对照、200?℃、400?℃、600?℃）后立即取出用约15?℃气流冷却以模拟快速热扰动。三点弯曲试验在INSTRON 1342试验机上进行（加载速率0.2?mm/min，跨距0.6D），同步采集荷载—位移曲线、夹式引伸计测得的裂纹嘴张开位移（crack mouth opening displacement，CMOD）、单通道AE信号（中心频率150?kHz，阈值46?dB）及工业相机拍摄的散斑图像用于数字图像相关（digital image correlation，DIC）全场应变分析。断裂后采用手持式蓝光3D激光扫描仪获取断口点云数据，经去噪滤波后计算三维粗糙度参数（Ra、Rz、Rq、Rsm）及盒计数（box?counting）分形维数Dc，并将断口二维灰度影像建立灰度共生矩阵（gray?level co?occurrence matrix，GLCM）提取二阶统计量（角二阶矩ASM、熵ENT、对比度CON、相关性COR）。FPZ尺寸通过DIC水平位移梯度法于70％峰值荷载下确定。I型断裂韧度KIC按SCB几何公式由最大荷载计算，断裂能GF由荷载—加载点位移曲线积分获得。
研究结果
3.1. Mode I fracture mechanical behavior and AE characteristics（I型断裂力学行为与声发射特征）
通过荷载—位移曲线与AE事件时序分析发现，随热扰动温度升高，压实阶段延长且更明显，弹性阶段缩短，峰值荷载降低，卸载（峰后）阶段变宽且占比增大（600?℃超50％），表明热损伤促使花岗岩向延性行为转变。AE累计事件数与温度正相关，低温段（≤200?℃）Stage?III出现明显AE突增，高温段（≥400?℃）瞬时AE突增不明显但累计计数显著升高，峰后AE持续活跃。KIC随温度升高持续下降，200?℃较25?℃略降约9.67％，400?℃降幅达52.72％，600?℃降幅达88.74％；断裂能GF主要在400–600?℃区间急剧下降。
3.2. Characteristics of DIC surface strain fields（DIC表面应变场特征）
DIC获取的x方向应变场显示，随荷载增加高应变带自预制缺口尖端向上集中，温度越高越早出现且高应变区范围越大。实测CMOD与DIC计算的CMOD、裂纹尖端张开位移（crack tip opening displacement，CTOD）高度线性相关（R2≈0.99）。温度升高促进CMOD与CTOD增长速率与幅值，600?℃时CTOD约增大一个数量级；以达峰值荷载时间为参考相较以峰值荷载百分比为参考可更好描述CMOD/CTOD演化，200?℃下两种参考框架差异最明显。
3.3. Characteristics of FPZ（断裂过程区特征）
基于DIC位移梯度法定量提取FPZ长度FL与宽度FW。FPZ宽度对温度不敏感（25?℃为1.9?mm，600?℃为2.1?mm，增幅约10.5％），受花岗岩晶粒尺寸控制；FPZ长度则显著受温度影响，200?℃增至7.5?mm（+70.45％），400?℃增至10.8?mm（+145.45％），600?℃达11.5?mm（+161.36％）。25–400?℃时FPZ因矿物颗粒各向异性呈局部弯曲与多分支，600?℃时因热致高密度微裂纹使材料趋近均匀弱化，FPZ曲率减小且裂纹沿Mode?I理论路径（垂直最大主拉应力）扩展。
3.4. Fractal behavior and roughness response of digital 3D fracture surfaces（三维数字化断口的分形特征与粗糙度响应）
盒计数法得三维断口分形维数Dc随温度升高非线性增大（25?℃→600?℃增约4.43％，R2=0.98）。粗糙度参数中Ra、Rq在25–200?℃及400–600?℃下降、200–400?℃上升；峰谷粗糙度Rz单调增大，平均峰距Rsm单调减小。Dc与Rz呈良好线性正相关，与Rsm呈非线性关系。
3.5. GLCM?based digital image characteristics of fractured surfaces（基于GLCM的断口数字图像特征）
GLCM二阶统计量随温度升高：角二阶矩（angular second moment，ASM）与相关度（correlation，COR）非线性增大，熵（entropy，ENT）与对比度（contrast，CON）非线性减小，说明热扰动使断口纹理趋于均匀有序、复杂度降低。断口归一化高程统计显示400–600?℃为高程特征转折区间。
讨论与结论翻译
研究人员指出，<200?℃时主要为自由水逸出与矿物热胀初现，微缺陷少；400?℃时长石与石英热失配致晶界及云母内微裂纹萌生；600?℃时α?石英→β?石英相变（体积膨胀约8％）及钾长石软化/动态重结晶引发密集晶内—晶间微裂纹网络，等效增大初始裂纹长度并使材料趋近均匀损伤介质，裂纹扩展转为沿远场Mode?I路径，FPZ曲率降低、CTOD增大、KIC剧降。基于热应力σth=EαΔT/(1?ν)与等效裂纹增量ad=λln[1+(σth/σcr)n]建立的表观KIC退化模型（Kapp=Yσ∞√(π(a0+ad)）与实验值吻合良好（R2=0.94）。跨尺度关联表明CMOD、CTOD、FPZ尺寸与断口粗糙度、分形维数及GLCM参数具显著定量关系（多数R2>0.9），证实断口形貌可反演断裂耗能机制。
主要结论如下：
(1) 提高热扰动温度显著降低SCB试件承载水平与I型断裂韧度KIC，激发AE事件数增多、延性增强，AE活跃期及峰后活动延长，400–600?℃效应最显著。
(2) 峰值荷载及达峰时间的30％和50％阶段发生快速应变积累；热扰动温度越高越促进表面高应变区提前出现与聚集，400?℃及600?℃下尤为明显。
(3) 裂纹扩展行为具显著温度依赖性，热扰动加速CMOD与CTOD发展并明显改变FPZ演化，快速热扰动下FPZ扩展速率比较准稳态条件快约20％。
(4) 温度与SCB断口分形维数Dc及粗糙度呈显著线性或非线性关系，GLCM四二阶统计量具明显温度依赖，断口高程特征突变临界区间为400–600?℃。
(5) 热冲击诱发的弥散微裂纹网络是性能劣化的微观基础，石英相变主导脆性损伤机制，长石弱化激活塑性耗散机制。
(6) 基于热应力耦合损伤演化建立的理论模型成功阐释温度诱导断裂韧度退化机理，建立了宏观力学响应与微观损伤演化的内在联系。
(7) CMOD、CTOD、FPZ尺寸与分形维数、粗糙度指标及纹理特征参数具高度显著定量关联，证实断口形貌在重构断裂过程能量耗散机制方面具较大潜力。
(8) 在非稳态高温岩石工程中，400–600?℃可作为评估围岩热力学状态的关键参照区间，除宏观破裂外应重视微破裂网络导致的弱均化效应并在安全系数设计中予以考虑。
