基于AE和DIC技术的岩石间接拉伸变形演化长径比效应研究

《Processes》：Study on the Length-to-Diameter Ratio Effect of Rock Indirect Tensile Deformation Evolution Based on AE and DIC Technologies

　　

本研究利用巴西劈裂试验结合声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术，研究了长径比（L/D）对红砂岩间接拉伸强度的影响。对直径恒为50 mm、长径比分别为1.0、0.8、0.6和0.5的红砂岩圆盘试件进行了巴西劈裂试验。结果表明，表观劈裂强度从L/D=0.5时的5.05 MPa下降到L/D=1.0时的1.35 MPa，降低了73.3%。随着L/D比的减小，AE振铃计数和能量释放越来越集中在峰值载荷附近，并表现出更明显的突发性特征。剪切型AE事件从62.4%增加到82.9%，拉伸型事件从37.6%减少到17.1%。破坏前AE b值（b-value）的下降表明损伤演化从分布的小规模微裂纹活动转变为局部的大规模裂纹起裂、扩展和合并。DIC显示主裂纹在试件中心附近起裂，而较低的L/D比产生更强的局部化、更多的次生倾斜裂纹和更突然的破坏。在低L/D条件下获得的较高计算强度应解释为由试件几何形状和边界约束共同作用产生的表观巴西劈裂强度，而不是直接视为红砂岩的固有拉伸强度。

岩石拉伸破坏是工程失稳的基本模式之一，由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，即使在压应力主导的地质环境中，局部拉应力也易引发裂纹起裂，影响隧道、边坡、地下洞室及能源工程（如开挖、爆破、水力压裂）的稳定性。直接拉伸试验虽直接，但对脆性、非均质岩石的试样制备、夹持和对中要求高，因此巴西劈裂试验（Brazilian splitting test）因其操作简便而被广泛采用。岩石力学性质具有显著的尺寸效应，试样尺寸增大时内部缺陷（原生孔隙、微裂纹、弱面、矿物非均质性）增多，边界约束和应力重分布模式也随之变化，导致破坏模式差异，即岩石的尺寸效应。近年来，长径比（L/D）对岩石力学性能的影响研究不断深入，单轴抗压强度（UCS）随L/D增大而降低，这一现象在多轴压缩试验中也被证实。然而，在拉伸加载条件下，尤其是巴西劈裂试验中，L/D的影响研究相对有限，现有研究多从峰值强度角度评价，对L/D如何影响应变局部化、裂纹扩展和破坏模式的耦合演化仍不清楚。为弥补这一空白，研究人员开展了本研究。

研究人员采用ISTRON万能试验机对红砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验，结合声发射（AE）监测和数字图像相关（DIC）技术，探究L/D比对间接拉伸强度、微裂纹演化规律、能量特征、破坏过程及表面应变演化的影响。研究结果可为岩石工程优化设计提供科学理论依据，对保障施工安全、降低事故风险具有重要意义。论文发表在《Processes》。

主要关键的技术方法包括：巴西劈裂试验（Brazilian splitting test），采用力控制加载（1 KN/min）；声发射（AE）监测系统（PCI-2，Mistras Group Inc.），阈值45 dB，采样率10 MSPS，两传感器耦合于试样侧面；数字图像相关（DIC）技术，使用高速相机（FASTCAM Mini AX 200，Photron Ltd.）以120 fps、1024×1024像素采集图像，Vic-2D软件分析（子区15，步长1，ZNSSD相关准则）。试样为来自中国云南的红砂岩，按ISRM标准制备，直径50 mm，高度分别为25、30、40、50 mm（对应L/D=0.5、0.6、0.8、1.0），每组3个试样共12个，经P波速度筛选降低离散性。

研究结果如下：

**3.1 长径比对巴西劈裂强度的影响**：通过巴西劈裂强度公式（σ_t = 2P/πDH）计算，随着L/D从0.5增至1.0，平均表观劈裂强度从5.05 MPa降至1.35 MPa，降幅约73.3%。变异系数（CV）随L/D减小而降低（从11.07%降至1.02%），表明组内离散性减小。拟合二次函数（R²=0.961）描述该趋势，但仅适用于0.5–1.0范围，不可外推。

**3.2 破坏模式**：宏观破坏以拉伸为主，主裂缝沿加载直径发展。L/D=1.0时有主裂缝和少量分支裂缝；L/D=0.8时主要为单条主裂缝；L/D=0.6和0.5时出现次生倾斜裂缝、分支裂缝和局部偏转，破坏形态更复杂。

**3.3 基于DIC技术的岩石破坏**：DIC显示主裂纹起裂位置均位于试样中部，L/D减小不改变主裂纹起裂区域，但增强了应变局部化，使破坏更集中、更突然。x方向应变（e_xx）演化分为弹性变形、缓慢应变累积和快速应变增加三个阶段。低L/D比下弹性变形阶段帧数增加（从约16帧增至40帧），缓慢累积阶段帧数减少，表明破坏前兆更短。

**3.4 声发射特征**：

**3.4.1 声发射振铃计数特征**：所有试样振铃计数在加载早期较低，峰值附近出现主导峰值。随L/D减小，峰值振铃计数增大，出现时间提前（L/D=0.8时早于应力峰值），累积振铃计数在破坏前出现陡增。L/D=0.5时，振铃计数在破坏前几乎为零，破坏瞬间累积振铃计数骤增，体现突发性破坏。

**3.4.2 声发射能量特征**：随L/D减小，瞬时AE能量峰值增大，累积能量增长模式从渐进式变为陡峭式。L/D≥1.0时以拉伸破坏为主，能量释放分散；L/D≤0.6时剪切破坏开始伴随，能量释放集中，累积能量在破坏前骤增。

**3.4.3 微裂纹演化规律**：基于RA-AF分类（RA=上升时间/振幅，AF=平均频率=振铃计数/持续时间），以边界斜率k=100区分拉伸型（AF/RA>100）和剪切型（AF/RA<100）AE事件。随L/D从1.0降至0.5，拉伸型AE事件比例从37.6%降至17.1%，剪切型从62.4%增至82.9%。RA-AF特征空间向高RA、低AF区域迁移，表明剪切型微裂纹活动增强。但宏观破坏仍以拉伸劈裂为主，剪切机制仅作为局部次生过程。

**3.4.4 不同长径比岩石试件的声发射b值特征分析**：b值（基于Gutenberg-Richter定律，M=A/20）反映微裂纹尺度分布。加载早期和中期b值较高且波动频繁，表明小尺度微裂纹随机起裂和稳定扩展；破坏前b值显著下降，指示损伤从分散的小尺度活动转向局部大规模裂纹扩展。随L/D减小，b值波动更活跃，破坏前b值骤降出现时间延迟（从约170 s延至约350 s），表明低L/D试样宏观破坏更慢。

讨论部分指出，L/D比对表观巴西劈裂强度的影响源于几何形状改变三维应力分布、边界约束和裂纹路径，低L/D时内部应力由拉应力、局部压应力和剪应力共同控制，强度值应视为表观强度而非固有拉伸强度。AE-DIC证据表明，低L/D下损伤演化更集中，剪切型微裂纹活跃，但宏观仍为拉伸劈裂，二者尺度差异解释了微观剪切主导与宏观拉伸主导的不一致性。研究局限包括：仅考虑准静态加载、室温干燥条件、未进行数值验证（如FEM或DEM），且仅覆盖L/D=0.5–1.0范围，不可外推。

结论部分翻译如下：

(1) 随着L/D减小，试样的表观巴西劈裂强度逐渐增大。
(2) 随着L/D从1.0减小至0.5，峰值累积AE振铃计数逐渐减小且出现时间延迟。所有试样的累积振铃计数主导增量均集中在最终破坏阶段附近。
(3) RA-AF分类结果表明，所有试样中剪切型AE事件占主导。随着L/D从1.0减小至0.5，拉伸型事件比例从37.6%降至17.1%，剪切型事件比例从62.4%增至82.9%。这表明低L/D试样中剪切型微裂纹活动愈发显著。尽管微观AE分类中剪切型事件占主导，但宏观破坏主要表现为拉伸劈裂裂纹，剪切机制仅作为裂纹演化过程中的局部次生断裂过程。
(4) 随着L/D减小，弹性变形阶段对应的帧数逐渐增加。然而，试样表现出极其有限的稳定微裂纹扩展阶段，导致损伤积累不足。一旦应力超过应力阈值，突发破坏便发生。这些特征表明，较低的L/D比加剧了岩石试样的脆性，并降低了其损伤容限。