岩石裂纹扩展过程的动态监测研究_刘冬梅

第25卷第3期岩石力学与工程学报V ol.25 No.3 2006年3月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2006 岩石裂纹扩展过程的动态监测研究刘冬梅1，2，蔡美峰1，周玉斌3，陈志勇3(1. 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2. 浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州 310018；3. 江西理工大学，江西赣州 341000)摘要：利用实时全息干涉法、高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩试样裂纹扩展与变形破坏过程；基于动态干涉条纹的定量分析，描述了岩石微裂纹孕育起裂、扩展与闭合的动态交替演化过程，计算了岩石裂纹扩展速度与蠕变扩展速率和裂纹面的扩展变形量与蠕变变形量，实现了岩石内部I型、I–II复合型、I–II–III复合型裂纹力学性状动态演变的有效判识。

关键词：岩石力学；岩石变形；裂纹扩展；裂纹闭合；动态监测；实时全息条纹图中图分类号：TU 452；TD 313 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)03–0467–06 DYNAMIC MONITORING ON DEVELOPING PROCESS OFROCK CRACKSLIU Dong-mei1，2，CAI Mei-feng1，ZHOU Yu-bin3，CHEN Zhi-yong3(1.School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology of Beijing，Beijing100083，China；2. College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang310018，China；3. Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi341000，China)Abstract：An integrated measuring system of real-time holographic interferometry layout linked charge coupled device(CCD) camera and computer graph process is experimentally used to continuously test and record the dynamic process of cracks growth and closure emerged in the whole stages of rock deformation and fracture on sand and granite specimens under unaxial compression and compressive-shear loading，respectively. The active interference fringe patterns captured from the holograms can reappear the development behaviour of rock cracks. Based on the fringes′ quantitative analysis and its calculation，the initiation and propagation of rock cracks as well as its growth and closure in different loading states are directly shown. And the spreading velocity and reformative quantity of rock cracks resulted from cracks growth or closure are given. In addition，the velocity of cracks creep extension and the quantity of cracks creep deformation are obtained. The movement of active fringes in space and time expounds the distribution of rock deformation field. Consequently，the mechanical types of rock cracks can be distinguished effectively. Mode I crack perhaps keeps unchangeable or progressively transforms into mixed mode I–II or I–II–III crack under the different loading conditions，and crack modes are also varied with the evoluation and interaction of rock cracks，and the local deformation and inhomogeneous distributions of stress field become more intense in turn，which induces cracks growth and closure once again or secondary crack收稿日期：2004–10–20；修回日期：2005–03–29基金项目：国家自然科学基金资助项目(50164004)作者简介：刘冬梅(1964–)，女，1985年毕业于淮南矿业学院地质工程专业，现任教授、博士研究生,主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工• 468 • 岩石力学与工程学报 2006年propagation. Actually the process of rock deformation and failure is the process of types alternation of rock crack in mechanics.Key words：rock mechanics；rock deformation；crack growth；crack closure；dynamic monitorry；active fringe pattern1 引言岩石内部微裂纹的孕育、扩展是影响岩石宏观变形破坏的主要细观力学因素。

岩石裂纹扩展过程的观测研究对岩石裂纹模型与本构关系的建立和岩石变形断裂机制与岩石工程稳定性评价都具有重要意义。

自20世纪60年代起，人们已开始研究岩石裂纹扩展过程，随后光学显微观测法在岩石裂纹研究中得到应用[1]。

迄今，一些近代物理和试验力学方法也被应用于岩石细观试验测量中[2～9]。

但是，由于岩石组成、结构与受荷环境的复杂性以及试验方法的暂时局限性，目前关于岩石裂纹扩展过程的直观认识还远不够。

为此，探索更有效的试验观测方法、实现岩石裂纹扩展过程的连续动态追踪依然是业界关注的问题之一。

实时全息干涉法具有高精度、高灵敏度、非接触式全场连续计量等优势，它是物体表面微小变形测量的有效手段之一，特别是数字图像技术的快速发展为全息光学图像实时采集处理与定量计算提供了良好平台。

由于受力岩石内部裂纹的扩展与闭合会引发表面非均匀变形，在岩石表面动态全息干涉条纹图中则表现为条纹类型和运动速度的剧变，因此，解析干涉条纹畸变过程能够有效判识裂纹的动态演化特征。

再者，板状岩石试样的表面裂纹能够很好地代表试样内部的开裂状况[10]。

因此，本文利用实时全息干涉法分别连续、动态地监测了单轴和压剪荷载作用下岩石裂纹的扩展、变形过程，基于对动态干涉条纹的定量分析，获得了与岩石裂纹动态演化过程有关的若干力学参量。

2 试验测量原理与步骤岩石实时全息干涉法的测量原理是采用连续波激光器作光源，用全息干版作记录介质，以动态干涉条纹形式记录岩石表面不同状态的变形。

在干涉光路系统[11]中，连续改变岩石的应力状态，使岩石产生微小变形，干涉条纹也随之改变。

因此，岩石实时全息干版法测量是通过连续逐级改变岩石试样的应力值，借助高分辨率CCD摄像机和计算机系统，透过全息干版捕获、处理试样表面的连续动态干涉条纹图，试验测量系统如图1所示。

条纹的动态变化表征加载过程中岩石变形和裂纹扩展状态。

在通常情况下，由试件刚体运动或整体位移引起的叠加条纹会干扰条纹的有效判识，因此，加载框架的刚度是实现岩石全息干涉测量的重要条件之一。

此外，干涉条纹的对比度也是影响图像识别与计算的重要因素，它受参物光强比、参考光入射角度、记录介质的曝光与显影定影过程等因素的显著影响。

为了获取高质量的全息图，必须确保上述各参量处于试验测量最优状态。

图1 岩石裂纹扩展变形过程测量系统示意图Fig.1 Scheme for experimental system of rock macro- deformation measurement linked real-timeholographic interferometry layout and chargecoupled device(CCD) camera岩石实时全息干涉的试验测量步骤如图2所示。

根据全息干涉原理，如果不同应力状态之间岩石变形太大，则全息图再现的干涉条纹太密，目视无法分辨，即等于没有产生干涉条纹；反之，则干涉条纹太稀，若少于一根条纹，则无法准确测量。

鉴于岩石裂纹扩展与变形破坏过程的累计总变形量都超出了全息干涉法要求的几个到几十个波长范围，因此，岩石受荷变形破坏过程的测量采用多块干版连续分段记录的方法。

岩石试样尺寸为50 mm×40 mm×20 mm的标准长方体，条纹观测面尺寸为50 mm×40 mm，轴向受压和水平剪压面尺寸分别为40 mm×20 mm和50 mm×20 mm。

3 试验结果讨论试验测量所获动态干涉条纹的形式与时空变化第25卷 第3期 刘冬梅等. 岩石裂纹扩展过程的动态监测研究 • 469 •图2 岩石实时全息干涉试验测量步骤流程图 Fig.2 Measuring procedures of real-time holographicinterferometry experiment on rocks特征反映了岩石试样表面的形变或位移大小与方向，因此，岩石动态条纹的判释与计量是获取结果的关键。