在循环载荷作用下，对岩石渐进性损伤的机电阻抗监测

《Engineering Geology》：Electro-mechanical impedance monitoring of progressive damage in rocks under cyclic loading

　　•阻抗谱追踪了三种岩石类型中的渐进性损伤。•损伤指标与归一化的能量耗散相关。•阻抗传感在表面明显变化之前检测到了变化。•阻抗传感和表面应变成像提供了互补的数据。•该方法显示出对关键岩石区域进行局部监测的潜力。

引言
岩石中的渐进性损伤是工程地质学中的一个核心问题，因为它控制了从看似稳定的变形到地下洞室、隧道、采矿工程、高坡度岩石、水电项目等岩石工程系统中的局部断裂和大规模不稳定的转变（Vaneghi等人，2020；Xie等人，2020；Deng等人，2026；Yu等人，2026a，Yu等人，2026b）。挖掘卸载、反复爆破、操作振动、应力重新分布和地震扰动可能会使周围岩石暴露于重复或循环应力路径中（Meng等人，2016；Yang等人，2020；Wang等人，2025）。这些过程会促进现有孔隙和裂纹的闭合，新微裂纹的起始和扩展，以及它们最终合并成宏观裂纹。这种渐进性退化最终可能导致剥落、塌板、岩爆、顶板塌陷或坡度不稳定。在工程地质监测中的一个特殊难点是，即使在可观察的表面变形有限的情况下，也可能发生实质性内部退化（Zhang等人，2020；Hu等人，2024）。一旦局部裂纹相互连接，从稳定变形到快速破坏的转变可能在相对较短的时间内发生。因此，在宏观可见变形发展之前识别与损伤相关的变化对于评估受挖掘扰动岩石的稳定性、识别潜在的破坏前兆以及改进工程早期预警决策非常重要。

单轴循环压缩提供了一种受控的实验室方法，用于研究在重复应力扰动下岩石的渐进性机械退化（Xie等人，2025；Zhang等人，2025）。尽管现场应力路径通常是多轴的，但循环单轴测试可以隔离基本过程，如孔隙压实、裂纹闭合、不可逆变形、刚度退化、滞后能量耗散以及从稳定缺陷演化到不稳定断裂的转变（Vaneghi等人，2018；Liu等人，2023）。因此，它被广泛用作研究疲劳相关岩石行为和评估对损伤敏感的监测方法的参考测试。传统的循环岩石损伤解释主要基于宏观机械量，包括残余应变、弹性模量退化、滞后环面积、耗散能量、峰值强度降低和破坏后的断裂形态（Yang等人，2018；Zhang等人，2024b；Liu等人，2025）。这些参数提供了重要的样品尺度信息，但通常是通过机械测量获得的，在明显变形发生之前可能无法独立识别局部退化。这一限制激发了使用互补的无损或最小侵入式传感技术。

工程地质监测通常依赖于不同空间和时间尺度的互补观测。伸长计、收敛测量和大地测量调查提供了关于宏观变形的直接信息，但在变形累积到可测量水平之前可能对局部恶化不敏感（Kharisova和Kharisov，2021；Yu等人，2026a，Yu等人，2026b）。声发射和微地震技术可以检测由断裂相关事件产生的弹性波，并在适当的传感器阵列可用时提供关于事件活动、能量释放和源位置的信息（Li等人，2021；Xie等人，2022；Luo等人，2026）。然而，其解释取决于检测阈值、传播条件、传感器耦合、衰减和背景噪声（Chen等人，2024；Jia等人，2025）。数字图像相关技术提供了高分辨率的全场表面位移和应变测量，特别适用于在实验室条件下识别表面应变定位和裂纹发展。然而，它仅限于可见的观测表面，并不直接探测地下退化（He等人，2023；Luo等人，2025）。超声测试和电阻率测量可以反映材料内部状态的变化，尽管它们的响应也可能受到湿度、矿物组成、孔隙结构、各向异性、传感器接触和测量路径的影响（Saroglou和Kallimogiannis，2017；Shirole等人，2021；He等人，2021；Yin和Xu，2021；Usui，2024；Zhang等人，2024c）。这些特点表明，没有单一技术能够完全描述岩石损伤的多尺度演化，因此需要互补的监测方法。

电机械阻抗技术是一种基于直接和逆压电效应的主动传感方法（Soh等人，2012）。表面粘贴或嵌入的压电换能器同时充当执行器和传感器。当受到高频交流电场的作用时，换能器会产生小的机械振动并将其传递给基体材料。然后，耦合的换能器-基体系统的动态响应反映在测量的电导抗或阻抗谱中（Park等人，2006；Wang等人，2019）。局部刚度、阻尼、质量参与、裂纹和界面条件的变化可能会改变共振频率、峰值幅度、谱形状和相位响应（Haq等人，2022；Bansal等人，2025）。EMI的潜在工程地质价值不在于替代区域微地震监测或直接变形测量。相反，EMI可以提供对关键位置的局部、可重复和按需的探测，包括受挖掘损坏的区域、岩石支撑界面、潜在不稳定的块体以及与持续不连续性相邻的区域。与被动监测相比，EMI提供了受控的激励源，并且可以按预定间隔重复应用。然而，测量的谱代表的是完整的压电-粘合剂-岩石系统的响应，单个换能器不能直接重建内部损伤的三维位置或几何形状。

EMI传感已在金属结构、混凝土、复合材料、螺栓连接和其他结构健康监测应用中得到了广泛研究（Gresil等人，2012；Narayanan等人，2017；Zhao等人，2020；Ma等人，2023）。先前的研究表明，阻抗谱的偏差可以与刚度损失、裂纹、界面脱粘和其他形式的结构退化相关（Haq等人，2022；Bansal等人，2025）。其在岩石材料中的应用也开始受到关注，包括对加载引起的损伤和退化的研究（Negi等人，2022）。这些研究已经证实，岩石损伤可以产生可测量的压电导纳特征变化。尽管如此，仍有几个问题尚未得到充分解决。首先，现有研究通常集中在单一岩石类型上，这使得难以区分一般EMI响应与与孔隙度、矿物组成、刚度、异质性和脆性破坏行为相关的岩性依赖效应。其次，单个共振特征的变化通常是以定性方式描述的，而它们与独立推导出的基于EMI的损伤指标之间的定量关系需要进一步研究。第三，EMI与光学或声学测量之间的直接比较通常表现为灵敏度排名，尽管这些方法测量的是不同的物理量和空间域。最后，EMI在复杂应力状态、环境变化、不连续岩石质量和现场尺度条件下的适用性和局限性仍有待阐明。

为了解决这些问题，对代表不同孔隙结构和机械特性的砂岩、大理石和花岗岩样品进行了单轴循环压缩实验。使用表面粘贴的压电贴片获取导电谱，而在相反的样品表面上使用DIC观察全场应变演化。此外，还从机械滞后环独立推导出基于归一化累积能量耗散的损伤指标，用作累积不可逆变形的样品尺度参考。本研究的具体目标是：(1) 描述渐进性循环损伤过程中导电谱的演化；(2) 评估基于EMI的RMSD、CCD和MAPD指标与基于累积能量耗散的损伤指标之间的关系；(3) 检查岩性和孔隙结构对机械和EMI响应的影响；(4) 比较局部阻抗变化的时间演化与DIC观察到的表面应变定位；(5) 评估EMI作为工程地质损伤监测的互补传感方法的适用性和当前局限性。本研究的贡献不仅仅是将EMI应用于循环加载的岩石。更重要的是，在三种具有明显不同孔隙度和机械特性的岩石之间建立了统一的实验比较，定量地将多个基于EMI的损伤指标与独立计算的基于能量耗散的损伤指标联系起来，并明确了局部主动阻抗传感和全场表面变形测量之间的互补关系。当前的工作是在完整样品尺度上进行的，旨在为未来涉及围压、结构不连续性、环境效应、传感器阵列和现场尺度岩石质量的研究提供受控的实验基础。

电机械阻抗传感的理论基础
压电材料，特别是铅锆酸盐钛酸盐（PZT），构成了EMI技术的功能基础，并因其内在的刺激-响应行为而被归类为智能材料。如图1所示，机械应力施加通过直接压电效应在压电贴片上产生表面电荷。相反，电场暴露通过逆压电效应在材料内部产生机械应变。

样品制备
这项实验研究采用了PZT-5H压电换能器作为EMI监测的主要传感元件，因为它们具有高的压电系数、优异的电机械耦合和良好的温度稳定性。每个换能器的标准化尺寸为10毫米×10毫米×1毫米。为了优化与目标结构基体的界面电机械耦合效率，对所有PZT实施了策略性的电极极性反转。

循环应力-应变响应
图7展示了六种岩石样品在单轴循环加载条件下的应力-应变响应。一个明显的观察结果是，每个周期中的卸载路径与加载路径不同，导致不可逆的残余应变和滞后环的形成。随着加载周期的进行，滞后环所包围的面积通常会增加，表明能量持续耗散和渐进性损伤的累积。

砂岩样品中的滞后

结论
本研究调查了在砂岩、大理石和花岗岩的循环压缩过程中表面粘贴的PZT导电谱的响应。基于EMI的损伤指标与基于归一化累积能量耗散的损伤指标和DIC观察到的表面变形进行了比较。可以得出以下结论：
(1) 在循环加载过程中，导电谱系统地演化。主要共振通常向较低频率移动，并显示出明显的...

作者贡献声明
周秀龙：撰写——原始稿件，数据管理。
马永利：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念化。
姚琪：验证，调查。
张晓波：撰写——审阅与编辑。
杨建华：方法论，调查。
叶志伟：可视化，形式分析。
姜清新：监督，方法论。
周传兵：概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号52409130）、江西省自然科学基金（项目编号20242BAB25317和20232BAB214083）、江西省研究生创新专项基金项目（项目编号YC2023-S075和YC2025-B005）的支持。

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