實驗過程

1.采樣和試件制備：試件采自北京門頭溝區大臺煤礦大臺井田，為南大嶺組變玄武巖，基性火成噴出巖，斑狀或基質粗玄結構，灰綠或灰黑色，形成于中生代早侏羅系，距今180～200Ma。該層巖石賦存于急傾斜煤層底板，自地表以下近70°～80°傾角分布。分別從410，510，610，810和1010m這5個層位取試件進行了實驗(見圖1，略)。將以上巖樣加工成3組適合掃描電鏡下觀測的三點彎曲試件：a組(不同埋深組，15個)，即中心預制一缺口，但試件埋深不同；b組(偏心單裂紋組，15個)，即玄武巖取自同一埋深410m，偏離中心距離1，2，3，4和6mm處分別預制一缺口；c組(偏心雙裂紋組，15個)，與b組相似，但預制了2個缺口。采用中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的帶加載SEM實驗系統的試件，尺寸為25mm×10mm×5mm(長×寬×高)的長方體。為了符合斷裂力學測試標準[15]，預置了長5mm的缺口，采用最薄的刀片切割，切割后的缺口寬約0.4mm，缺口前端為半圓形。圖2給出了試件及加載示意圖。3組試件的編號原則如下：a組A–B中，A代表埋深，B代表試件號；b組410–pC–B中，C代表預置缺口偏離中心的距離，B代表試件號，p代表偏置(下同)，410代表410m埋深(下同)；c組410–spC–B，其中，C代表2條對稱缺口偏離中心的距離，B代表試件號，s代表雙缺口。試件加工情況表如表1所示（略）。

2.實驗設備和加載模式：實驗在中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室SEM全數字高溫疲勞實驗系統完成[11-14]。該套實驗系統能進行靜態掃描及實時在線觀測荷載作用下材料的力學行為和表面微結構的變化，實現外部應力狀態與材料力學行為和表面微結構變化的一一對應，從而進行材料微細觀力學性能的綜合性實驗研究。本實驗為常溫下的三點彎曲實驗，為了捕捉到脆性巖石的破壞過程，采用位移加載方式，加載速率定為本實驗系統最小的10－4mm/s。實驗過程中可實時觀測荷載–位移曲線，設置系統采樣周期為1s，SEM圖像的采集速率約為20s/張。

3.巖石鑒定和電鏡能譜分析：借助SEM全數字液壓高溫疲勞實驗系統可實時觀測三點彎曲荷載作用下試件表面的形貌變化以及裂紋的擴展過程，若能在SEM圖片中確定裂紋兩側所關注顆粒的礦物成分將有助于巖石破壞機制的分析。在北京科技大學掃描電鏡實驗室，通過帶能譜儀的掃描電鏡(SEM/EDX)完成了本實驗。圖3為410m深處的巖樣的SEM/EDX實驗結果，圖中共有4種具有明顯特征的顆粒：顆粒①為深灰色，表面光滑呈大塊狀分布，為石英；顆粒②為白色，一般較小、表面光滑且聚合分布，為綠簾石；顆粒③為星布的亮白色，顆粒小但顯眼，為鑭鈰礦；顆粒④為淺灰色，表面凹凸不平呈膠合狀分布，為斜長石。

實驗結果

1.破壞過程和破壞機制：不同埋深組玄武巖試件的破壞過程如下。12個試件中有10個試件的過程和試件410–3類似(試件1010–2和1010–5除外)。以試件410–3為例，當荷載加到80.1N(對應SEM圖片開始掃描時的荷載)時并未觀察到試件表面有明顯的變化；當荷載加至111.6N時，在預置缺口前方觀測到了微裂紋萌生(通過比對實時采集的荷載數據，當圖像掃描到裂紋萌生處時，當時的實際荷載約為122.8N，相當于峰值荷載的95%)，如圖4(b)所示；當荷載加至129.5N(拍攝到裂紋時實際已稍微越過峰值荷載130.6N，開始下降)，裂紋迅速擴展并且貫通，試件破壞；圖4(d)為試件破壞后的形貌。從其他9個試件的破壞過程可以發現，從微裂紋的萌生(為峰值荷載的90%～95%)到突然發生斷裂實際發生在非常小的荷載范圍內，圖5給出了埋深410m玄武巖的荷載–擾度曲線，可以看出玄武巖主要表現出脆性破壞。觀察試件破壞后的裂紋形貌可以發現，以這種形式破壞的試件裂紋數量少、無分支、且路徑較平滑(見圖6，略)。試件1010–2和1010–5的破壞過程與其他10個試件略有不同。對于試件1010–2，荷載加至169.6N時(試件峰值荷載174.4N)，在預置缺口前方出現一段細短裂紋，同時加載端出現一條粗長裂紋，但兩裂紋并未連通(見圖7(a))，這說明裂紋并不總是從缺口處萌生并向加載端擴展，而可能從多處起裂，并隨各自擴展而貫通。對于試件1010–5，當荷載加至167.3N時觀測到試件內部多處出現裂紋(見圖7(b))，這些裂紋是同時萌生的；當荷載加至183.3N時這些裂紋相互貫通并逐漸連接成一條主裂紋，隨著荷載增加主裂紋不斷擴展并導致試件破壞。對于含偏心預制缺口的試件，大多也是脆性破壞機制，但相比中心預制缺口的試件，偏心預制缺口由于受到彎曲應力和剪應力的共同作用，這導致了斷口更為曲折和粗糙，典型的破壞后裂紋路徑如圖8所示（略）。

2.破壞荷載：將3組實驗結果的破壞強度進行了統計分析分析。對于中心預制缺口的a組試件，實驗表明，對于包含同樣尺寸預制缺口的試件，玄武巖的破壞荷載隨著其埋深的增加近似線性增加，如圖9(a)所示。這個趨勢與宏觀實驗結果趨勢是一致的。提取了不同深度玄武巖的表面SEM，針對圖像采用了同一個像素閾值對SEM圖像進行了二值化處理，由此計算出孔隙率(見圖10)。可以看出，宏細觀實驗都出現相似的趨勢，主要原因還主要是埋深增加后，導致組成玄武巖礦物顆粒更細，并且孔隙率有逐漸減少的趨勢。對于單預制缺口和雙預制缺口2組試件，隨著預制缺口逐漸偏離中心，2組試件的破壞荷載都有增加的趨勢。對于三點彎曲荷載，隨著偏置距離的增加，剪切力是保持不變的，但彎矩在逐漸變小，也即橫截面的彎曲應力會減少。由材料力學理論[16]，對于矩形截面，橫截面上的彎曲應力影響遠遠大于截面切應力的影響，因此最終破壞荷載會隨著偏置距離的增加而近似線性增加(見圖9，略(b)，9(c))。

3.強度和能量特征：對于尺寸固定的試件，巖石斷裂能的多少能反映巖石抵抗破壞的能力，這一特征量對于分析巖石破壞的穩定性具有重要意義[17]。巖石三點彎曲試件的斷裂能可由實驗獲得的荷載–撓度曲線積分獲得，具體的計算公式為：（略），式中：W為試件的斷裂能，P為作用在試件上的荷載，為試件的撓度。式(1)中，積分上、下限分別為0和試樣的斷裂位移。圖11給出了不同埋深玄武巖斷裂能，由圖可知，低埋深(410，510m)下3個試樣斷裂能的離散性很小；埋深較大(810，1010m)下不同試樣間斷裂能的離散性稍大。但通過計算平均斷裂能可以發現，門頭溝玄武巖的斷裂能是隨著埋深增大的，這說明相同環境下，深部巖石抵抗破壞的能力要比淺部強。表2為偏心單、雙裂紋組巖樣最大荷載和斷裂能的實驗結果。從圖12中可以看出，巖樣的平均峰值荷載和平均斷裂能都隨偏心距近似線性增加，并且在相同偏心距下，單、雙裂紋試件無論是峰值荷載還是斷裂能都幾乎一致，這說明在三點彎曲的荷載作用形式下，對于這種小尺度試件，在對稱位置增加一條預置缺陷基本不影響試件的承載能力。