利用透明类岩石材料及可视化方法，量化岩石节理剪切变形过程中的磨损演变及粗糙度劣化程度

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Quantification of wear evolution and roughness degradation associated with shear deformation of rock joints using transparent rock-like material and visualization method

　　**摘要**
在岩石节理剪切过程中，粗糙度磨损控制着节理形态的退化以及剪切强度的演变。然而，由于传统节理剪切试验的可观测性有限，其渐进发展过程难以观察和量化。本研究开发了透明类岩石节理和改良的剪切盒，以实现磨损演变的原位观察与重建。进一步应用三维地形反演方法来量化形态退化。结果表明，粗糙度磨损分为三个阶段：初始发展、快速扩展和稳定期。磨损起始的临界位移随正常应力的增加而线性减小，而聚合位移则呈现非单调趋势，先减小后增大。在4.0 MPa的正常应力下，磨损主要集中在大约4.48-6.23毫米的相对高度位置，并延伸至7.65毫米，同时主要限于±10°的视倾角范围内。磨损面积相对于视倾角呈近似高斯分布。磨损面积比与θmax*/(C+1)呈线性关系，这表明磨损面积可以作为粗糙度退化的定量指标。本研究为理解形态退化提供了实验证据，并能够对节理表面的演变进行过程分辨的表征。

**引言**
岩石节理的剪切力学行为与地质过程密切相关，如滑坡、地震孕育、断层非地震蠕变以及地下工程中的围岩不稳定等。它显著影响岩体的变形、破坏和长期稳定性。在剪切过程中，节理表面之间的接触高度不均匀，主要发生在少数粗糙点上。随着剪切位移的增加，这些接触区域会发生互锁、滑动、磨损、破碎和剥落，从而导致节理表面形态的逐步退化以及接触状态和剪切强度的变化。因此，准确识别节理剪切过程中磨损区域的起始、扩展和退化对于理解剪切破坏机制和评估岩体的长期稳定性至关重要。有多种方法可用于表征节理剪切磨损和接触演变，例如压敏薄膜、热敏染料、树脂浇铸和可变形塑料片等，它们可以在特定阶段捕捉节理表面的接触面积。这些测量为识别潜在的磨损区域提供了依据。为了定量表征磨损形态，以往的研究通常比较剪切前后的表面形态，或在中断试验中进行分阶段采样。随后利用三维激光扫描、相机成像和显微镜观察来量化不同剪切阶段的表面变化，并据此计算磨损面积、磨损体积和粗糙度参数（如Z2、JRC和θmax*/(C+1)）。然而，这些方法通常依赖于离散测量，限制了它们连续捕捉剪切过程中磨损动态演变的能力。此外，间接技术（如电阻测量、弹性波监测、声发射监测和计算机断层扫描）在一定程度上反映了接触变化和内部损伤演变，但其表征精度仍有待进一步验证。

透明类岩石材料为克服上述观测限制提供了有效途径。表1总结了代表性材料及其主要特性。PMMA因其高透明度而广泛应用于断层摩擦滑动、动态地震破裂和爆破诱发破坏过程的可视化模拟。基于石蜡的材料可通过折射率匹配来模拟弱岩体的变形和破坏过程。Veroclear材料具有良好的透明度和可打印性，适用于断层滑动和断裂过程的研究。其他材料（如熔融石英砂、未饱和聚酯树脂和天然树脂）也用于裂纹传播和三维断裂演变的研究，证明了使用透明或半透明材料直接观察岩石破坏过程的可行性。尽管取得了这些进展，现有材料在脆性、强度、制备和实验操作性方面仍存在局限性。其中，环氧树脂具有高透明度、良好的可塑性和可调的力学性能，其力学性能与某些天然岩石相当，因此在可视化研究节理剪切磨损方面具有潜力，但其在再现自然节理的磨损演变、形态退化和剪切响应方面的能力尚待验证。近年来，多种透明类岩石材料和观测方法被用于视觉研究节理剪切过程。

**方法**
Ju等人结合透明VeroClear节理样本与光弹性技术，在正面观察下持续表征节理表面二维应力分布的演变，但磨损扩展与三维形态退化之间的关系尚不明确。Huang等人使用VeroClear样本在低温剪切条件下通过侧向观察研究渐进性破坏和三维演变，但侧向观察视野受限，低温环境下的雾化效应进一步影响了观测过程。Selvadurai等人基于PMMA样本设计了底部观测方法来研究剪切断裂的微观机制。Li等人使用丙烯酸树脂制备透明断裂体，并通过顶部观测方法进行剪切流试验，实现了液体通道演变的可视化观察。这些研究表明，正面、侧向、顶部和底部观测方法可以捕捉剪切过程的不同方面，但目前仍缺乏一种能够连续全面地观察整个节理表面在不同正常应力下磨损起始、扩展和聚合过程的可视化方法，因此剪切过程中三维形态退化的机制仍不为人所充分理解。基于此，本研究开发了一种基于透明环氧树脂的类岩石节理模型，并建立了能够连续跟踪整个剪切过程的视觉监测系统。节理剪切试验在0.5、1.0、2.5和4.0 MPa的正常应力下进行。通过基于图像的方法识别和量化磨损区域，揭示其扩展和分布演变。进一步利用三维反演映射方法重建节理表面形态，分析磨损的空间分布、形态演变和粗糙度退化，建立了磨损面积与三维粗糙度退化之间的定量关系。本研究为节理剪切过程的视觉监测提供了新方法，并为本构建模和损伤机制分析提供了见解。

**附录**
**透明类岩石样品的制备**
透明类岩石材料必须在物理和力学性能上保持透明性并满足相似性标准，以再现天然岩石的典型破坏特性。物理参数（如密度和波速）和力学参数（如抗压强度、抗拉强度和节理剪切强度）被视为评估材料相似性的关键指标。

**可视化剪切试验装置**
为了实现节理剪切过程的动态视觉监测，设计了如图5a所示的视觉监测系统。该系统包括剪切盒、透明观察窗和图像采集单元。剪切盒底部设有开口，安装了一个微型摄像机（3.9厘米×3.9厘米×2.6厘米），用于在剪切过程中捕捉节理表面的图像。摄像机以8000×6000像素的分辨率和5帧/秒的帧率记录视频。

**磨损面积演变**
节理磨损行为在控制岩体的长期变形和稳定性方面起着重要作用。根据第3.2节描述的图像采集和处理方法，不同正常应力和剪切位移下的磨损区域如图8所示。在剪切初期阶段，磨损表现为孤立的点状区域。随着剪切位移的增加，这些区域扩展并聚合，最终形成连续的平面磨损。

**磨损高度分布特征**
根据第3.2节提出的三维地形反演方法，将不同正常应力和剪切位移条件下的二值化磨损图像映射到初始的三维节理表面上，从而获得磨损区域的空间分布（如图12所示）。此外，提取这些磨损区域的相对高度信息，分析其在不同正常应力条件下的演变过程。