王 润，曹 洋，吕 蒙，代俊杰，徐子洺，张 璐，陈肖肖
(1.鞍钢集团矿业有限公司齐大山分公司，辽宁 鞍山 114000；
2.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁 鞍山 114000；
3.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000)
矿山岩体工程中，岩石的力学特性对于岩体工程的稳定性有着重要影响[1-2]。岩石的失稳破坏不是一蹴而就的，而是微小局部破坏不断扩展诱发的整体失稳，岩石局部剪切破坏造成的结构整体性失稳是威胁工程安全的主要因素之一。因此采用数字散斑相关方法对齐大山铁矿混合岩岩样变形局部化形成过程展开分析，对齐大山铁矿露天开采和边坡灾害防治具有重要意义。
在岩石变形局部化研究方面，宋义敏等[3]以数字散斑相关方法为基础，不同加载速率下红砂岩变形局部化的演化特征展开研究，发现在变形局部化阶段、能量积累阶段和释放阶段，岩石试件的泊松比、最大变形能密度和释放速率均随加载速率的增大而增大；
杨小彬等[4]对等幅加载作用下红砂岩局部化带位移烟花规律进行研究，发现了当应力水平相同时，局部化带位移随循环次数增加存在缓慢演化和加速演化两个阶段，变形量值速率在低应力时更加明显；
许江等[5]研究了不同围压下岩石破坏过程及应变场演化，发现达到峰值强度前，岩石总应变和应变能随岩石所受围压增大而增大。马永尚等[6]采用三维数字图像相关技术(3D-DIC)，对单轴压缩条件下花岗岩的破坏过程展开分析，发现应变场演化能较好地反映岩石裂纹扩展及破坏机制；
孙琦等[7]对冻融腐蚀前后大理岩的变形局部化展开研究，发现冻融和腐蚀共同作用使得大理岩岩样损伤加剧，促进了变形局部化带的形成，大理岩内部孔隙随冻融循环次数增加而增多；
张向阳等[8]对单轴压缩下橄榄岩、花岗岩和混合岩开展循环加卸载试验，发现损伤耗能最多的是橄榄岩，混合岩的损伤耗能最小；
赵强等[9]采用室内试验测得HML露天矿边坡岩体的部分力学参数，并采用折减，发现含裂隙岩石的峰值剪应力随法向应力的增加而增大；
梁国喜[10]基于双参数抛物线型Mohr强度准则并结合连续损伤理论，建立了高应力区岩石的统计损伤模型，结合试验数据对模型进行验证，证明了所建模型的可行性。
基于数字散斑相关方法开展室内试验，对单轴压缩条件下齐大山铁矿混合岩组原始岩样的变形演化展开研究，依据水平位移场变化和变形局部化带形成过程，分析混合岩组内部裂隙产生与扩展、变形局部化带的产生及试件的损伤与破坏过程。
1.1 试样制备
试验所用岩样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，由齐大山矿边坡混合岩岩块经切削、打磨而成，并保证岩样表面平整度在±0.05 mm以内，混合岩的基本物理参数见表1。为提高散斑岩样的计算精度，避免散斑场空洞的形成，制备高质量的散斑场，采用尺寸小、反差高的散斑图，先将岩样均匀喷涂白色斑点，之后随机喷涂黑色斑点，并重复上述操作。
表1 混合岩组基本物理参数Tab.1 Basic physical parameters of mixed rock formations
1.2 试验设备
切割和打磨所用机器由上海路达实验仪器生产，为DQ-1型岩石切片机和SHM-200型双端面磨石机。采用TAW-2000电液伺服试验机开展单轴压缩试验。
1.3 数字散斑采集系统
数字散斑相关方法的图像采集系统主要由计算机、图像采集卡、CCD摄像机3部分组成。
计算机：控制图像的采集；
图像采集卡：采集速率为7帧/s，将图像信号转化为数字信号；
CCD摄像机：分辨率为1630pixel×1224pixel，先将图像处理转化为CCD的电荷信号，进而转化为完整的视频信号，标定后系统物面分辨率见公式1，数字散斑相关方法采集系统。
(1)
2.1 水平位移场分析
采用数字散斑相关方法，选用a～f共6个加载点(荷载水平分别为5 %、40 %、60 %、70 %、90 %、100 %)开展实验，从6个荷载水平的加载时刻中各选用1张具有代表性的处理后的图像展开分析，得到了单轴压缩条件下混合岩原始岩样水平位移场演化规律图像，见图1。
图1 混合岩原始岩样水平位移场(u)演化规律Fig.1 Evolution law of horizontal displacement field(U)of original migmatite samples
由图1可见，单轴压缩条件下，混合岩原始岩样水平位移值及其差值(位移最大值与最小值之差)随荷载的增大而呈现先缓慢增长、后增长加剧的趋势，直至裂纹完全贯通于试件内部[11]，并发生剪切破坏。加载初期(荷载水平为5 %)，由于处于压密阶段，混合岩原始岩样各部位水平位移值差值较小，仅为0.0 003 mm；
由图1(b)～(e)可见，当荷载水平从40 %增加至90 %时，水平位移值开始出现不连续现象，试件左上部和中部区域水平位移值梯度变化十分明显，表明这一部分已经生成微小裂隙并逐渐扩展成较大裂隙，进而贯通试件内部，右上部区域的水平位移梯度也开始产生为微裂隙，水平位移值随荷载水平的增大不断增大(负值取绝对值)，正的水平位移值由0.01 mm增至0.08 mm，负的水平位移值由0.004 mm增至0.12 mm；
随着荷载增至100 %，正的水平位移值趋于稳定，在0.05 mm左右，负的位移值由0.16 mm增至0.20 mm，位移值整体上开始趋于稳定，表明此时损伤程度几近最大值；
岩样损伤随着荷载增加不断加剧，混合岩岩样最终表现为由单轴抗压状态转化为整体拉伸位移状态[12]。
2.2 变形局部化剪切带过程
试验采用数字散斑相关方法对加载过程中a～f共6个标记点展开研究，根据岩样最大剪应变(rmax)所组成的散斑序列，分析混合岩原始岩样局部化剪切带(rmax)演化规律，见图2。
图2 混合岩原始岩样局部化剪切带(rmax)演化规律Fig.2 Evolution law of local deformation shear zone(RMAX)of original migmatite samples
由图2(a)可知，荷载水平为5 %时，岩样处于压密状态，混合岩原始岩样各部位变形都很小，数量级在10～4 mm；
由图2(a)和(b)可见，当荷载水平为5 %～40 %时，混合岩原始岩样处于弹性变形阶段，岩样内应变场呈均匀分布状态，荷载水平增加至60 %时，岩样内部裂纹和裂隙开始逐渐扩展，并出现变形局部化带轮廓，变形量较大的区域主要集中在岩样左侧中上部位，少部分区域变形量最大值为0.04；
荷载水平在70 %～90 %时，岩样内变形局部化带开始从左上角贯通至试件中部，进而贯通整个试件内部，岩样内裂纹和裂隙扩展加剧，并形成1条完整的变形局部化带(变形局部化带1)，此时变形局部化带2的轮廓开始形成，随着荷载的不断增加，变形局部化带变宽并趋于稳定，变形量最大值由0.08增至0.25，荷载水平增至100 %时，变形量最大值增至0.4；
微裂隙的引起的变形局部化带发生位移使得试验承载力降低[13]。
总的来说，对混合岩原始岩样局部化剪切带(rmax)演化规律进行分析发现，单轴荷载作用下，混合岩岩样的破坏大致分为压密、弹性变形、变形局部化带缓慢形成及加速形成并趋于稳定4个阶段，加载初期，裂纹和裂隙的生成不随荷载的变化同步变化，存在“滞后”现象，试件内部会沿变形局部化带生成裂纹并不断扩展，生成较明显的宏观裂纹，从而导致岩石失稳并发生剪切破坏，由混合岩原样生成两条变形局部化带走向可以发现，与圆柱体岩石在单轴压缩状态下沿斜截面发生剪切破坏类似，在单轴压缩条件下，立方体岩石发生剪切破坏方向与变形局部化带裂纹扩展方向相近(沿斜截面方向)。
对单轴压缩条件下齐大山矿边坡混合岩变形局部化规律进行研究，采用数字散斑相关方法对岩样水平位移场(u)演化规律和局部化剪切带(rmax)演化规律展开分析，分析结果如下：
(1)混合岩岩样的破坏大致分为压密、弹性变形、变形局部化带缓慢形成及加速形成并趋于稳定四个阶段。
(2)荷载水平为5 %时，岩样处于压密状态，试件最大水平位移值仅为0.0 005 mm，混合岩原始岩样各部位变形都很小，数量级在10～4 mm。
(3)荷载水平为40 %～90 %时，随着荷载不断增大，水平位移值梯度变化开始凸显，微小裂隙逐渐扩展成较大裂隙，并贯通试件内部，使得岩样损伤加剧，由单轴压缩状态向整体拉伸位移状态转化。
(4)荷载水平为40 %～70 %时，随着荷载的不断增加，岩样内裂纹和裂隙扩展加剧并形成变形局部化带，荷载水平在70 %～90 %时，局部化带变宽并趋于稳定，荷载水平增至100 %时，变形量最大值增至0.4。
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