基本介紹
- 中文名：非均勻變形
- 外文名：heterogeneous deformation
- 學科：構造地質學
- 釋文：應變不等
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簡介
單軸循環加卸載岩石非均勻變形演化特徵
採用CCD相機對試驗過程中試件的變形圖像進行採集，基於數字散斑相關方法分析了循環加卸載過程中試件的非均勻變形、局部化影響特徵參數演化規律。研究發現：隨著循環次數的增加，非均勻變形現象越來越明顯；非均勻變形統計指標Sw隨著載入應力的增大而增大，隨著循環次數的增加而加劇；當試件出現局部化現象後，後續循環隨著應力的增大及循環次數的增加，其擠壓位移和局部化帶影響寬度皆有所增大。
非均勻變形演化分析
由非均勻變形場演化中點A～L可知，在載入到卸載過程中，試件出現變形恢復現象，最大變形量值減小。前3次循環(點A～F) 過程中，在上端x=20mm處變形集中區域變形量值極小，尚未形成明顯的變形局部化帶；第4次循環載入到G點即60MPa時，變形局部化區域形成長度約為14mm，寬度約為4mm的條帶，變形量值約為4.5×10－4 ；第5次循環載入到I點即75MPa時，變形局部化區域形成長度約為18mm，寬度約為7mm的條帶，變形量值約為7×10－4 ；第6次循環載入到K點即90MPa時，變形局部形成長度約為20mm，寬度約為12mm的條帶，變形量值約為9×10－4，峰值後沿著該局部化條帶產生巨觀裂紋，發生破壞。試件破壞後中下部也存在一條拉伸裂紋，但由於其啟動較晚，在前6次循環加卸載中尚未啟動，由於岩石材料的非均質性及試件本身原因，受試件左下端變形影響較大。
從循環加卸載試樣變形演化中比較相同荷載條件下的變形演化可以看出：在相同的加卸荷載作用下，循環次數對試樣變形影響不明顯、不直觀，考慮非均勻變形的空間特點，引入非均勻變形指標進一步進行分析。
變形場非均勻指標分析
岩石的非均勻變形演化為局部化變形，局部化現象是材料從該區域破壞的前兆信息。岩石類材料多為脆性破壞，其破壞前兆信息大都不明顯，即在材料破壞前其局部化變形場與均勻變形場對比不明顯，但二者存在以下區別：一是變形場中少數(局部化帶內) 點的變形量遠遠大於其它( 局部化帶外) 點的變形量，這些點可以稱為變形局部化的“數值特徵”；二是變形量大的少數點集中在一個(或少數幾個) 連通的帶內，這可以稱為變形局部化的“空間特徵”。故引入一種可以同時描述變形局部化“數值”和“空間”兩種特徵的統計指標Sw，對非均勻變形場演化進行分析。其統計指標公式為
Sw = wsS；
一般情況下，局部化變形區域即非均勻變形場的方差S會大於沒有發生變形局部化的變形場的S，且局部化帶出現時刻，變形場方差S隨時間( 或名義應變) 的演化曲線會發生突變，體現了變形局部化出現比較突然的特徵(相對於均勻變形階段) 。
從循環加卸載過程中Sw演化曲線可以看出，Sw曲線在循環加卸載過程中呈波動變化，且隨著局部化帶的明顯出現(G點以後) ，其非均勻變形指標隨加卸載應力值的增大發生對應的增大。在每一個循環加卸載過程中，Sw值隨著載入應力的增大而增大，隨卸載應力的減小數值逐漸減小。
從循環加卸載過程中Sw演化曲線可知，因為從G點起，在試件上端x=20mm附近變形局部化帶已經啟動，且隨著荷載增大，變形局部化帶不斷拓展延伸，變形量值也逐漸增大，同時在試件左端y=3mm，y=40mm，y=68 mm附近均存在變形集中；I，K點的非均勻變形指標數值相對於G點明顯增大，說明自局部化開始形成以來，後兩個循環荷載載入到最大點I，K時局部化變形越明顯，非均勻變形程度越大。整體而言，隨著循環載入荷載的逐漸增大，非均勻變形指標增大，說明試樣的非均勻變形程度隨著荷載的增大非均勻程度加劇。能從定性上解釋循環加卸載對非均勻變形的影響。
加卸載非均勻變形演化的聲發射特徵
每次循環載入過程中，非均勻變形的最小點皆與應力卸載的最低點相對應。而自局部化帶啟動後，每次循環載入過程中的非均勻變形的最大點滯後於循環載入應力的頂點。非均勻變形演化與聲發射信號存在較好的對應關係，循環載入過程中非均勻變形的首次突變點對應聲發射信號增加的起點，非均勻變形的最大點對應聲發射信號平靜期的起點。隨循環次數增加，非均勻變形程度與Felicity比成負相關關係，即非均勻變形越大，損傷程度越大，Felicity比越小。
非均勻變形演化特徵分析
為分析循環加卸載過程中的非均勻變形演化特徵，以應力與時間曲線中的標識點O作為參考點，以此點對應的散斑圖像作為參考圖像，以每次循環載入頂點對應的散斑圖像作為變形圖像。
通過非均勻變形場雲圖對岩石的變形演化進行了定性分析，但僅從變形場演化並不能精確、詳細地描述循環載入過程中岩石的非均勻變形演化程度。故為了定量分析岩石非均勻變形演化規律，考慮非均勻變形數值和空間上的兩種特徵，現引入一個統計指標Sw 。
岩石為非均質、非連續、各向異性材料，其內部存在孔洞、裂隙及夾雜等微結構，在載入及卸載過程中，岩石內部礦物顆粒、微結構的接觸黏合和黏滑摩擦造成非均勻變形滯後於載入應力。
非均勻變形演化與聲發射特徵關係分析
岩石在循環加卸載過程中會發生非均勻變形演化，同時伴隨聲發射振鈴計數和聲發射能量的演變，分析非均勻變形演化特徵、聲發射特徵的基礎上，研究非均勻變形演化與聲發射特徵之間的關係。
非均勻變形演化與聲發射特徵對應關係
從振鈴累計計數、聲發射累積能量隨載入應力的變化曲線可知，在前3次循環加卸載過程中，Sw曲線隨應力變化較為平緩，對應的聲發射信號並不明顯，聲發射振鈴累積計數和和聲發射累積能量數值只呈現小幅非線性增加。這是因為在較低的應力水平下，花崗岩內部的原生裂隙被壓密，此時新產生的裂隙較少，試件非均勻變形很小，故聲發射信號也較少。隨著循環次數的增加及循環載入頂點壓力的增大，從第4次循環開始，在每次循環的載入階段都會形成明顯的局部化帶。Sw曲線在載入過程中出現轉折點說明在該點處出現非均勻變形的突變，此時試件中開始出現新裂紋的增加或舊裂紋的加劇演化拓展，並導致聲發射信號增加，其中第4次循環載入中的首次轉折點對應變形局部化的啟動。另外從第4次循環開始，非均勻變形指標Sw的最高點滯後於循環載入應力的頂點，且聲發射振鈴累計計數與累積能量數值在經過載入應力最高點後仍有較大增加，說明經過循環載入最高點開始卸載時，試件中的微結構損傷演化並沒有隨著應力的降低立即停止，而是繼續伴隨著新的微結構產生及原有微結構的進一步演化，試樣的非均勻變形仍在加劇。以第4次循環為例，選取Sw曲線的首次轉折點Gs、載入應力最高點G 以及Sw曲線的最高點Ge對應時刻的應變場進行分析。
非均勻變形指標Sw與聲發射信號存在較好的對應關係，循環載入過程中的Sw曲線的首次轉折點即非均勻變形的首次突變點對應聲發射信號增加的起點，Sw曲線的最高點即非均勻變形最大點對應聲發射信號平靜期的起點，但Sw曲線的最高點即非均勻變形的最大點滯後於循環載入應力的最高點。
