应变场

地质学术语

应变场（strain field）是指应变状态的空间函数，也即应变状态随空间点的变化。物体受外力或其他因素影响时，它内部的应变呈现某种分布状况。为了表明物体的这种情况，将物体连同它内部的应变分布状况称为应变场。通常用主应变轨迹线来表示。

应变场的定义

天然岩石由于受到其成岩过程中不同环境与作用的影响，其内部往往产生大量的微裂隙、空隙等微缺陷。在荷载作用下，这些随机分布的微缺陷会不断聚合、扩散、贯通，最终影响和导致材料的损伤演化及破坏形态。而岩石作为构建矿山、隧道、水利及地下空间等与人类生产生活关系密切的大型工程的最主要材料，其变形与破坏机制无不影响着此类工程的许多灾害问题。从细观力学角度展开对岩石受力变形和损伤演化这一复杂的物理力学过程进行研究，将其与岩石宏观断裂力学机制联系起来，是当今岩石力学与工程领域的重点与热点问题。这对深入研究岩石材料的断裂、失稳破坏以及岩石工程灾害的发生机制等都具有重要的科学意义和工程实际意义。

应变场的研究背景

长期以来，国内外很多学者深入探讨了节理岩石中裂纹的起裂、扩展规律，从理论和模型试验的角度研究了岩石损伤演化机制，取得了大量的研究成果。由于理论模型尚不完全成熟，关于岩石裂纹扩展规律及其破坏过程的研究主要还是通过模型试验这一重要手段来开展。室内试验的真实性不仅取决于试件的制作，很大程度上还取决于试验过程中所采取的观测手段，因此应用各种新的观测方法进行试验研究也一直是岩土力学领域的关注热点。

应变场实验

实验准备

为准确、细致地从应变场的角度分析试件全局的演化规律，根据在加载全程不同阶段宏观裂纹发育、扩展状态与全局应变场演化的对比，结合系统分析软件量纲一化处理，确定基本变量单位在4 000～5 000μm/m 的范围值时既能从细观角度有效反映出岩石损伤全程全域变化特征，又能充分表达试件变形局部化带演化的主要趋势。经与系列试验结果比较，该量化指标能较好综合衡量宏/细观观测结果。

实验加载

在加载前中期，试件所受应力基本呈线性增加，由于加载速率恒定，试件压缩位移等步增加，此阶段可近似认为试件处于弹性变形阶段；而在此期间，基于细观观测，应变场变化基本集中在预制裂纹附近，最大应变产生于裂隙两尖端位置，但试件表面没有明显的新生裂纹出现，这也说明在此加载水平下(如标识点的应力值达到应力峰值的 78.37%)，原始缺陷对试件的应力–应变整体分布情况基本没有影响。

载荷变化

随着荷载继续增加，进入第二阶段时，应变场局部化带的增长速率发生很大变化。如标识点阶段(标识点的应力值达到应力峰值的 89.4%)，从变形场演化过程图可看出，最大应变由最初分布在预制裂纹的周边位置向裂纹两尖端转移，并逐渐以平行于加载方向向试件上下两端延伸。此阶段局部化带的扩展速率逐渐加快，由前期的稳定发展变成非稳定发展，且在标识点间极短的加载步数内应变场局部化带迅速扩展到接近试件端部的位置。这此之后，应变场变化再次回归稳定发展。预制裂纹上下端部产生的新生裂纹的扩展状态基本类似，不同之处或受加载端的影响。此时试件表面出现明显的新生裂纹，其扩展趋势基本与应变场局部化带变化相同。此外，可以注意到此阶段的加载曲线存在上下波动的现象，产生了第一个应力峰值点，这是由于此时应力水平达到次生裂纹阈值，而随着裂纹的起裂及迅速扩展，试件产生应力重分布，试件抗力结构发生变化，试件整体状况下的应变、位移发生不稳定增长，从而导致加载曲线上下波动的不稳定现象。

应变场的应用

而当裂纹扩展到一定程度后，随着试件整体的应力重分布再次形成有效抗力结构，即试件进入塑性硬化阶段，使得加载曲线能够再次稳步增长，而此时的应变场局部化带的扩展状态亦趋于稳定，并逐渐向试件上下两端延伸，但扩展速度较为缓慢。此现象与之前大多数试验观测结果相似，说明此时得试件结构能够有效地承受所施加的荷载，并将其转化成应变能，为下一次的裂纹扩展及试件的损伤破坏“蓄势”。

在加载阶段中，随着荷载不断增大，局部化带宽有增大趋势，这表明裂纹有缓慢扩张现象。给出了在此阶段中产生的第二个应力峰值点所对应的应变场分布图。当荷载达到峰值以后，随着裂纹不断扩展，应变能不断释放，试件既定的抗力结构不断软化，所施加在试件上的荷载有所降低(塑性软化阶段)。在此期间可发现试件左右界面处有部分块体产生剥落，且之后在很短的加载期内，裂纹迅速贯通试件上下界面，加载曲线亦呈现出陡降现象，这表明试件已发生整体破坏。

发现在预制裂纹延伸位置(次生裂纹)、反翼裂纹及新生翼裂纹周围散布有若干大小不一的小应变区域。在加载前中期，该区域应变值相对于局部化带的应变范围值较小，在加载后期或试件破坏前，这些区域的应变值虽有所增大，但数值仍很小。总体来说，此部分区域的应变状态对裂纹的扩展路径，应变能的释放位置，试件整体的损伤演化模式影响很小，可忽略不计。由此也可以看出，在试件加载全程翼裂纹扩展是新生裂纹起裂、扩展的主导方式，是影响试件应力–应变重分布及其损伤破坏模式的主要原因。

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