花岗岩宏微裂纹演化特征与多阶段渐进破坏机制

《Engineering Fracture Mechanics》：Macro–micro fracture evolution characteristics and multi-stage progressive failure mechanism of granite

　　

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  建立了一个整合力学测试、声发射（AE）、CT、PIV和FDEM的多源多尺度监测框架。
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  多源交叉验证阐明了花岗岩裂纹演化的时程—路径—前兆规律。
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  CT-力学分析揭示了含初始缺陷花岗岩的多阶段破坏过程。

引言

花岗岩是地壳中分布最广的侵入岩之一，在地下工程、采矿、隧道掘进和深部能源开发等领域中被广泛遇到。花岗岩由石英、长石和黑云母等多种矿物组成，是一种典型的高强度、结构致密的非均质多晶硬岩。工程开挖引起的扰动容易导致应力场的突变和应力集中，从而引发微裂纹的萌生和扩展，进而降低岩体的承载能力，诱发大变形、岩爆等地质灾害[1], [2]。在复杂应力条件下，花岗岩表现出显著的脆性破坏特征，其破坏过程本质上受微裂纹的萌生、扩展和贯通控制[3], [4]。因此，深入研究花岗岩的力学性能和裂纹演化规律，对于阐明岩体失稳机制、保障工程安全具有重要意义。

已有大量研究针对花岗岩的力学性能和裂纹演化展开探讨。通过单轴和三轴压缩试验，学者们揭示了围压、温度等因素对岩石强度和破坏模式的显著影响，发现随着围压的增加，破坏模式从拉张型向剪切型转变[5]。在裂纹萌生和扩展过程中，岩石内部积聚的应变能以瞬态弹性波的形式快速释放，这一现象即为声发射（AE）[6]。因此，AE技术被广泛用于表征裂纹的萌生和扩展过程。研究表明，AE活动经历三个阶段：压密、稳定扩展和失稳破坏。RA-AF参数可以区分拉张和剪切裂纹类型[7]，有效反映内部微裂纹的演化行为。此外，AE参数与宏观应力—应变响应之间存在较强的对应关系[8]。同时，b值的动态变化和能量的突变常被视作宏观失稳和破坏的重要前兆[9], [10]。此外，基于数字图像相关（DIC）等方法的研究表明，花岗岩的破坏具有多尺度特征，裂纹在颗粒尺度萌生并逐步发展为宏观破裂面[11]。

在此基础上，常规实验室试验主要用于获取基本力学参数，而单轴压缩试验结合AE技术可以进一步揭示裂纹起裂应力、损伤应力及破坏演化过程。为确定内部初始缺陷的分布情况，无损检测和光学测量技术已逐步引入岩石力学测试中。CT技术能够实现岩石内部原生微裂纹和损伤网络的三维静态可视化[12]。高速摄影结合DIC和PIV技术弥补了动态观测方面的不足[13]：高速相机可以以微秒级分辨率捕捉瞬态破裂过程，而PIV通过追踪表面天然颗粒的运动，实现高精度、非接触的全场位移和应变测量。许多研究利用这种协同技术成功地定量揭示了岩石表面应变局部化带演化、动态裂纹扩展以及拉剪组合裂纹的瞬态力学行为[14], [15], [16]。在数值模拟方面，FDEM具备模拟连续变形和离散裂纹扩展的双重能力。通过在三角形实体单元之间插入零厚度节理单元，其物理屈服和断裂自然地模拟了真实裂纹的萌生、扩展和贯通[17], [18], [19]。近年来，FDEM不仅已成功应用于岩石渐进破坏和微震响应的精细化模拟[20]，还被扩展到研究多物理场耦合驱动的复杂裂纹问题，例如流固耦合[21], [22]。这为深入理解岩石从微观损伤到宏观失稳的跨尺度力学机制提供了重要的理论支撑。

目前，岩石裂纹发展的研究大多局限于单一监测技术，或仍停留在物理试验与数值模拟之间的简单对比层面[23]。数值模型与实验之间的验证往往不够充分，难以全面反映裂纹的多尺度演化特征。多源监测和多尺度分析正成为岩石力学研究中的重要方向。例如，将AE技术与光学测量方法相结合，可以同步获取内部损伤和表面变形信息，从而增强裂纹演化识别能力[24]。然而，岩石失稳和破坏本质上是跨尺度、多维度的时空演化过程。多源信息之间缺乏深度协同容易导致对主控破裂机制的误判。同时，多尺度数值模拟技术的发展使得从矿物尺度到宏观尺度分析裂纹演化成为可能。

为解决上述问题，本文提出了一种多源多尺度协同分析方法，系统研究了中国四川省花岗岩的裂纹演化规律。首先，通过常规实验室试验获取基本力学参数；开展AE试验捕捉裂纹萌生和损伤演化特征；利用高速摄影结合PIV技术实现裂纹扩展的全场可视化。在此基础上，利用FDEM进行数值模拟并与实验结果进行对比验证，阐明宏观失稳过程中裂纹的核心驱动机制。最终，本研究旨在为深部硬岩工程的安全评估、失稳预警和灾害防治提供坚实的理论基础和新的机理认识。与以往研究相比，本文的主要科学贡献总结如下。首先，建立了一个整合力学测试、CT扫描、AE监测、高速摄影、PIV分析和FDEM模拟的多源多尺度监测框架，研究花岗岩从初始缺陷到宏观破坏的裂纹演化过程。其次，不依赖于单一监测技术，而是通过内部损伤活动（AE）、表面变形演化（高速摄影和PIV）、初始缺陷分布（CT）和数值裂纹扩展（FDEM）的交叉验证，验证了裂纹演化的时空一致性，从而提高了破裂机理阐释的可靠性。第三，所提出的框架对花岗岩跨尺度渐进破裂过程提供了统一认识，并为裂纹萌生、扩展、局部化与最终失稳之间的关系提供了新的见解，这可能有助于硬岩工程的安全评估和早期预警。

章节摘要

试样制备与基本特性

本研究使用的岩石均为采自中国四川省康定市的花岗岩（如图1所示）。对花岗岩试样进行了巴西劈裂试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验。

图2展示了所测花岗岩的矿物结构特征和地球化学组成，为后续力学性能和裂纹演化分析提供了基本的岩石学依据。图(a)至图(c)均由X射线CT

巴西劈裂与单轴压缩下的力学特性

花岗岩作为典型的硬脆性岩石，在无围压条件下表现出高承载能力和明显的脆性断裂特征。六次巴西劈裂试验（如图4、图5所示）得到的平均抗拉强度为9.46 MPa，四个试样的单轴抗压强度范围为190.71至212.84 MPa，平均值为202.49 MPa，表明该花岗岩具有致密坚硬的特性。抗拉强度与抗压强度之比为

岩石损伤破坏与多尺度裂纹演化机理

为揭示花岗岩从中观尺度到复杂破坏行为的物理机制，本研究结合加载过程中的AE特征、高速摄影记录的裂纹扩展和速度场结果，以及单轴压缩数值模拟得到的裂纹演化模式，分析了花岗岩的多尺度渐进破坏机制。

结论

本研究综合运用巴西劈裂、单轴压缩、三轴压缩、AE、CT扫描、高速摄影、PIV和FDEM数值模拟等多种方法，对花岗岩裂纹演化进行了多尺度综合分析。

• (1)
  力学试验结果表明，花岗岩的单轴抗压强度范围为190.71至212.84 MPa（平均202.49 MPa），而抗拉强度为9.46 MPa，抗拉强度与抗压强度之比约为

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利益冲突声明

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致谢

本文工作得到了以下项目的资助：国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3081200），国家自然科学基金（项目编号：42172302）以及陕西省重点研发计划（项目编号：2025SF-YBXM-525）。作者对此表示感谢。

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