脆性岩石拉张和剪切裂纹扩展的微观机制研究

Tensile and shear cracks are the two fundamental crack types of brittle rocks subjected to compression. Currently understanding over the micromechanism of the development of these two fundamental cracks is deficient, which results in inefficient utilization of the monitoring results of acoustic emission (AE) or microseismicity on rock failure process. To overcome this deficiency, this study firstly will produce these two cracks of incremental damage degree by a multi-stage loading approach on rock specimens. Then microscopic observation on these two cracks will be conducted to show their microscopic features in various damage degrees. Following analysis on the photomicrographs is going to quantitatively demonstrate the variation of length, density of microcracks with respect to damage degree of these two crack types, respectively. Meanwhile, AE signals in the multi-stage loading are recorded real time. In terms of microcrack type, microcrack density, amplitude, frequency and number of AE evens, the results from microscopic analysis, AE parameter analysis and moment tensor analysis will be compared to correlate the features of AE parameters with crack types and damage degrees. This comparison will also enhance the understanding of the correspondence between microcrack nucleation mechanism and cracking patterns of moment tensor analysis. This study will promote the understanding of the micromechanism of the development of tensile and shear cracks, and provide a beneficial reference for the prediction on the rupturing types and damage degree of surrounding rock mass in underground engineering by AE techniques.

拉裂纹和剪切裂纹是岩石受压时可能产生的两种最基本的破裂类型。当前对这两种裂纹发展的微观机制仍缺乏清晰认识，造成岩体破坏过程中的声发射（AE）或微震监测成果不能被有效利用。本项目拟首先通过分级加载，在岩石试样中诱生不同发展阶段的拉裂纹和剪切裂纹，再利用微观测试手段深入研究不同类型裂纹在不同发展阶段的微观特征。更进一步，对微观测试结果进行图像分析，定量化展示不同类型裂纹中微裂隙长度、密度随加载水平的变化。同时，在分级加载实验中实时记录AE信号，从微裂隙类型、密度与AE信号能量、频率、数量等因素出发，将微观观测结果和AE信号的参数分析、事件源矩张量分析结果进行对比，建立起AE信号统计特征与破裂源类型和破坏阶段之间的对应关系。强化对微观裂纹机制和AE事件源矩张量分析结果之间关联性的认识。本项目将促进对不同类型裂纹微观发展机制的理解，为使用AE信号来分析预测地下围岩的破裂类型和破坏阶段提供有益参考。

拉裂纹和剪切裂纹是岩石受压时可能产生的两种最基本的破裂类型，当前对这两种裂纹发展的微观机制仍缺乏清晰认识。为此本项目首先预制不同的裂纹排列来控制应力场的分布，接着通过分级加载在岩石试样中诱生不同发展阶段的拉裂纹和剪切裂纹，再利用微观测试手段对不同类型的微观裂纹进行定量分析。同时，在部分加载实验中进行AE信号的观测，建立起AE信号统计特征与破裂源类型和破坏阶段之间的对应关系。最终利用离散元方法进行了解释与讨论。.本项目可重复的诱发了拉裂纹与剪切裂纹的产生，发现二者不仅在宏观表现、发展过程上存在不同，而且在微观上也显著不同。拉裂纹破坏区一开始就有主控微裂隙出现，但是剪切裂纹中的微裂隙都具有相近的表现。相对于拉裂纹而言，剪切裂纹具有更大面积的裂纹发展区，区内包含有边界破坏、穿晶破坏、破碎颗粒多种微观破坏现象。微观裂隙密度的各向异性以及随指数衰减的规律主要由穿晶裂纹造成。这些结果表明，相同尺度的剪切破裂可能比拉张破裂产生更多的AE事件，其中存在大量的高能事件，而这些高能事件更易于在剪切破裂临近形成的时候出现，这可能解释了在岩石临近破坏（破裂或者地震）时、多数数据表明Gutenberg-Richter 关系中的b值出现明显下降的现象。本项目的这些成果促进了对不同类型裂纹微观发展机制的理解，为地震数据监测结果的解释以及使用微震信号来分析预测地下围岩的破裂类型和破坏阶段提供有益参考；此外也为离散元微观结果与物理实验结果之间的映射关系提供了参考。