含转折非连通断层岩石破坏过程的试验研究

包林海， 马少鹏， 王建新

(1.中国地震局地壳应力研究所， 北京 100085；2. 北京理工大学 宇航学院， 北京 100081)

据统计，世界上90%以上的地震是由于断层活动而引起的。在大多数情况下这些地震的发生并不是某一独立断层活动的结果，而是由两条或者两条以上的断层组合作用。断层间相互作用在断裂带的形成起着重要作用，它对地震活动及地震破裂的扩展有明显的控制作用。因此，研究复杂断层组合的变形破坏特征有重要的理论和实际意义[1]。由于岩石材料的非均匀性、非连续性以及断层组合的复杂性，现有的解析方法还缺少有效的手段对此过程进行研究。因此，目前有关岩石破坏过程的研究，主要还是依赖于室内实验[2～5]。一些学者也基于各种实验方法比较系统地研究了含雁列断层岩石的破坏过程[6,7]。在岩石破坏过程中，对变形的观测和分析是一种有效的研究手段，特别是对于含断层组合的复杂结构，需要对其变形场的演化进行分析才能较好研究其破坏过程。本文采用数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)对全场变形进行测量。

数字散斑相关方法是一种基于试件表面散斑图像分析获得被测表面变形场的测量方法，其基本原理是匹配物体表面不同状态下的数字化散斑图像上的几何点，跟踪点的运动从而获得物体表面变形信息。该方法具有全场、非接触、高精度以及易操作等特点。因此，数字散斑相关方法十分适合岩石破坏过程的试验研究[8～10]。

1 试验

如图1所示，试件尺寸为150 mm×150 mm ×45 mm，在图示位置制作两条穿透裂缝，裂缝用石膏填充，两裂缝之间的角度为30度，加载方式如图所示。

图1 试件模型/mm

试验是在WAW-2000型岩石试验机上进行的。试验机加载速度为0.4mm/min，程序控制一台Basler A641f 数字CCD相机采集样本表面图像并存贮到计算机中，试验结束后用DSCM进行分析得到变形场。图像采集控制系统和试验机加载控制系统在试验开始前进行时钟同步，试验中采集每一幅图像时记录该图像的采集时刻，试验后可根据图像的采集时刻与加载曲线对应得到其在加载曲线上的位置。取采集图像中第3幅作为参考图像，分别取不同载荷阶段第29、100、230、820、1320幅散斑图作为目标图像，目标图像在加载曲线对应的位置如图2所示。

图2 载荷-位移曲线

2 结果及分析

2.1 变形场的演化分析

DSCM处理后可以得到试件表面观测区域在整个试验过程中的位移场和应变场演化结果。本文只列出了试件表面最大剪应变场的演化过程，如图3所示。从图中可以看出，在加载初期，试件表面没有出现应变集中带，继续加载时，在裂缝的尖端先出现应变集中现象，随着载荷继续增大，试件在加载的第四阶段，下端裂缝的端部开始出现应变集中带，加载到第五阶段时，在上端又出现一条应变集中带并且扩展到上端裂缝的端部，同时下端的应变集中带也在继续扩展，但是扩展速度明显不如新出现的应变集中带，最后试件沿着上端两条集中带破坏。

图3 最大剪应变γmax演化过程

2.2 变形场的统计特征

从上面的实验结果中可以看出，岩石加载的不同阶段，试件表面的应变场有不同的分布特征，因此，要选择一种合适的统计指标对不同时刻的应变场进行区分和识别。同时，在岩石破坏过程的变形场演化中，应变局部化是整个演化过程中最重要的阶段和现象，研究变形局部化的发生、发展有助于从理论上阐述岩石的破坏。在以往的研究中[11]，有研究者用变异系数Cv对变形结果进行统计分析：

(1)

其中

(2)

Xk为变形场中每个点的变形量，而

(3)

是Xk的均值。一般情况下，局部化变形场的变异系数大于未发生变形局部化的变形场的变异系数。也就是说，Cv越大表明变形在空间分布越集中。图4为本试验中得到的最大剪应变场统计的Cv值的变化过程(图中两条曲线为归一化后所作曲线)。本次试验所统计指标的变化过程与文献[6]应变场统计指标演化十分类似，但这种演化与文献所统计指标又有不同的地方，本次统计的指标在加载初期变化比较快，而文献中的统计指标在加载初期并没有很明显的变化，这可能与存在两条不规则的组合断层有关，但是同样也有共同点，就是在载荷到达峰值时，统计指标都迅速上升。这种急剧的上升表明变形急剧集中，预示着岩石结构即将破坏。

图4 加载过程中Cv值的演化

3 结 论

本文利用数字散斑相关方法对含复杂断层组合岩石的破坏过程进行了研究和分析。利用该方法得到的岩石表面变形演化过程可以十分清楚地反映岩石的整个破坏过程。

变形场演化过程表明，对于含有弱性结构面的岩石，变形首先集中在弱性结构面上，而整个变形破坏过程也同样受到弱性面的控制。裂缝尖端应力集中程度最高的区域控制着新裂缝的走向。试验中，上方断层产生变形的程度明显大于下方，最终岩石由于裂缝与上方断层贯通而破坏。用一个变异系数Cv来统计变形场特征，Cv值在加载初期变化不是很明显，当岩石中的弱性面发生较大变形时，Cv值变化加快，而到达岩石结构最大承载力附近时，Cv值急剧上升。该值的这种变化正好对应岩石破坏的整个过程，就是从变形较为均匀到出现变形局部化并进一步发生破坏的过程。

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