非均匀变形

岩石各点变形的方向、大小和性质发生变化的变形

非均匀变形是指岩石各点变形的方向、大小和性质发生变化的变形称为非均匀变形。

简介

非均匀变形：弯曲和扭转属非均匀变形。构造地质学讨论的岩石变形，大部分是非均匀变形，如褶皱。但是，在讨论岩石变形时，常将整体的非均匀变形近似地看做是若干连续的局部均匀变形的总和。

单轴循环加卸载岩石非均匀变形演化特征

采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集，基于数字散斑相关方法分析了循环加卸载过程中试件的非均匀变形、局部化影响特征参数演化规律。研究发现：随着循环次数的增加，非均匀变形现象越来越明显；非均匀变形统计指标Sw随着加载应力的增大而增大，随着循环次数的增加而加剧；当试件出现局部化现象后，后续循环随着应力的增大及循环次数的增加，其挤压位移和局部化带影响宽度皆有所增大。

非均匀变形演化分析

由非均匀变形场演化中点A～L可知，在加载到卸载过程中，试件出现变形恢复现象，最大变形量值减小。前3次循环(点A～F) 过程中，在上端x=20mm处变形集中区域变形量值极小，尚未形成明显的变形局部化带；第4次循环加载到G点即60MPa时，变形局部化区域形成长度约为14mm，宽度约为4mm的条带，变形量值约为4.5×10－4 ；第5次循环加载到I点即75MPa时，变形局部化区域形成长度约为18mm，宽度约为7mm的条带，变形量值约为7×10－4 ；第6次循环加载到K点即90MPa时，变形局部形成长度约为20mm，宽度约为12mm的条带，变形量值约为9×10－4，峰值后沿着该局部化条带产生宏观裂纹，发生破坏。试件破坏后中下部也存在一条拉伸裂纹，但由于其启动较晚，在前6次循环加卸载中尚未启动，由于岩石材料的非均质性及试件本身原因，受试件左下端变形影响较大。

从循环加卸载试样变形演化中比较相同荷载条件下的变形演化可以看出：在相同的加卸荷载作用下，循环次数对试样变形影响不明显、不直观，考虑非均匀变形的空间特点，引入非均匀变形指标进一步进行分析。

变形场非均匀指标分析

岩石的非均匀变形演化为局部化变形，局部化现象是材料从该区域破坏的前兆信息。岩石类材料多为脆性破坏，其破坏前兆信息大都不明显，即在材料破坏前其局部化变形场与均匀变形场对比不明显，但二者存在以下区别：一是变形场中少数(局部化带内) 点的变形量远远大于其它( 局部化带外) 点的变形量，这些点可以称为变形局部化的“数值特征”；二是变形量大的少数点集中在一个(或少数几个) 连通的带内，这可以称为变形局部化的“空间特征”。故引入一种可以同时描述变形局部化“数值”和“空间”两种特征的统计指标Sw，对非均匀变形场演化进行分析。其统计指标公式为

Sw = wsS；

一般情况下，局部化变形区域即非均匀变形场的方差S会大于没有发生变形局部化的变形场的S，且局部化带出现时刻，变形场方差S随时间( 或名义应变) 的演化曲线会发生突变，体现了变形局部化出现比较突然的特征(相对于均匀变形阶段) 。

从循环加卸载过程中Sw演化曲线可以看出，Sw曲线在循环加卸载过程中呈波动变化，且随着局部化带的明显出现(G点以后) ，其非均匀变形指标随加卸载应力值的增大发生对应的增大。在每一个循环加卸载过程中，Sw值随着加载应力的增大而增大，随卸载应力的减小数值逐渐减小。

从循环加卸载过程中Sw演化曲线可知，因为从G点起，在试件上端x=20mm附近变形局部化带已经启动，且随着荷载增大，变形局部化带不断拓展延伸，变形量值也逐渐增大，同时在试件左端y=3mm，y=40mm，y=68 mm附近均存在变形集中；I，K点的非均匀变形指标数值相对于G点明显增大，说明自局部化开始形成以来，后两个循环荷载加载到最大点I，K时局部化变形越明显，非均匀变形程度越大。整体而言，随着循环加载荷载的逐渐增大，非均匀变形指标增大，说明试样的非均匀变形程度随着荷载的增大非均匀程度加剧。能从定性上解释循环加卸载对非均匀变形的影响。

加卸载非均匀变形演化的声发射特征

每次循环加载过程中，非均匀变形的最小点皆与应力卸载的最低点相对应。而自局部化带启动后，每次循环加载过程中的非均匀变形的最大点滞后于循环加载应力的顶点。非均匀变形演化与声发射信号存在较好的对应关系，循环加载过程中非均匀变形的首次突变点对应声发射信号增加的起点，非均匀变形的最大点对应声发射信号平静期的起点。随循环次数增加，非均匀变形程度与Felicity比成负相关关系，即非均匀变形越大，损伤程度越大，Felicity比越小。

非均匀变形演化特征分析

为分析循环加卸载过程中的非均匀变形演化特征，以应力与时间曲线中的标识点O作为参考点，以此点对应的散斑图像作为参考图像，以每次循环加载顶点对应的散斑图像作为变形图像。

通过非均匀变形场云图对岩石的变形演化进行了定性分析，但仅从变形场演化并不能精确、详细地描述循环加载过程中岩石的非均匀变形演化程度。故为了定量分析岩石非均匀变形演化规律，考虑非均匀变形数值和空间上的两种特征，现引入一个统计指标Sw 。

岩石为非均质、非连续、各向异性材料，其内部存在孔洞、裂隙及夹杂等微结构，在加载及卸载过程中，岩石内部矿物颗粒、微结构的接触黏合和黏滑摩擦造成非均匀变形滞后于加载应力。

非均匀变形演化与声发射特征关系分析

岩石在循环加卸载过程中会发生非均匀变形演化，同时伴随声发射振铃计数和声发射能量的演变，分析非均匀变形演化特征、声发射特征的基础上，研究非均匀变形演化与声发射特征之间的关系。

非均匀变形演化与声发射特征对应关系

从振铃累计计数、声发射累积能量随加载应力的变化曲线可知，在前3次循环加卸载过程中，Sw曲线随应力变化较为平缓，对应的声发射信号并不明显，声发射振铃累积计数和和声发射累积能量数值只呈现小幅非线性增加。这是因为在较低的应力水平下，花岗岩内部的原生裂隙被压密，此时新产生的裂隙较少，试件非均匀变形很小，故声发射信号也较少。随着循环次数的增加及循环加载顶点压力的增大，从第4次循环开始，在每次循环的加载阶段都会形成明显的局部化带。Sw曲线在加载过程中出现转折点说明在该点处出现非均匀变形的突变，此时试件中开始出现新裂纹的增加或旧裂纹的加剧演化拓展，并导致声发射信号增加，其中第4次循环加载中的首次转折点对应变形局部化的启动。另外从第4次循环开始，非均匀变形指标Sw的最高点滞后于循环加载应力的顶点，且声发射振铃累计计数与累积能量数值在经过加载应力最高点后仍有较大增加，说明经过循环加载最高点开始卸载时，试件中的微结构损伤演化并没有随着应力的降低立即停止，而是继续伴随着新的微结构产生及原有微结构的进一步演化，试样的非均匀变形仍在加剧。以第4次循环为例，选取Sw曲线的首次转折点Gs、加载应力最高点G 以及Sw曲线的最高点Ge对应时刻的应变场进行分析。

非均匀变形指标Sw与声发射信号存在较好的对应关系，循环加载过程中的Sw曲线的首次转折点即非均匀变形的首次突变点对应声发射信号增加的起点，Sw曲线的最高点即非均匀变形最大点对应声发射信号平静期的起点，但Sw曲线的最高点即非均匀变形的最大点滞后于循环加载应力的最高点。

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