0 前言

岩石力学是一门介于地质学和力学之间的新兴边缘科学, 是力学的一个重要分支。它被广泛应用于采矿、交通、水电、建筑等诸多工程领域。岩石力学的主要研究对象是岩体, 而一定范围内的岩体均由许多种类的岩石构成。岩石是漫长地质年代的产物, 经历了多次地质变迁, 承受各种构造力的作用, 遭受不同的地质破坏。每种岩石所含的矿物成分各不相同, 矿物的颗粒大小及其内部结构也存在很大的差异。因此, 岩石不同于其他力学所研究的材料那样单一, 而是一种非均质各向异性体。用传统的岩石力学测试技术来研究岩石裂隙的破坏规律显得落后, 也难以精确地获得岩石裂隙的瞬间变化情况。

众所周知, 激光是60年代发展起来的新兴科学技术。目前，在工业发达国家激光技术已形成一支独立的工业力量。激光全息干涉计量技术具有其他测试技术所不具备的独特优点^[1], 被广泛应用于材料的力学参数测试及材料构件的无损检测等领域。为了改变岩石力学测试技术的落后状态，我们把激光全息干涉计量术应用于岩石力学测试中，对岩石裂隙开起、扩展直至破坏进行监测，研究岩石裂隙扩展破坏规律，以期为开辟一条新的岩石力学测试途径做一点基础工作。

1 试样的选择及制备

根据统计资料^[2]，常见岩石的抗压强度≤20kN/cm²的为砂岩、页岩、石灰岩、片麻岩、板岩等，其他岩石的抗压强度多数大于上述几种岩石。我们现有试验设备最大载荷为20kN。试样尺寸不可能很大，通过计算，选用20mm×20mm×50mm的板岩、页岩、砂岩作为实验用试样。为了防止轴向受压不均匀或偏心影响，试样经切割后表面磨平，两平面之间的平行度及相邻平面间的垂直度用游标卡尺量测，其误差分别小于30'。

2 实验方法

实时全息干涉计量术是以光波干涉原理为基础，把被测物体光波的全部信息记录在全息底片感光乳胶上，曝光后的全息底片经显影、定影等冲洗工序后即制成全息图。将全息底片精确地复位到原记录时的位置上，同时保持记录时全息照相系统中的光学元件不变，并用原参考光来再现这张全息图，就会在原物体的地方出现一个物体的再现虚像。若再现时，原物体仍保持原记录时的状态，并用记录时照明物体的原光波照明这个物体，那么再现的虚像将与原物体完全重合。若再现时，原物体由于应力原因使物体产生微小位移或变形，这时的再现光波与变形后的物体所散射的光波之间由于光程差的变化，而产生干涉，透过全息图观察物体，不仅可以看到物体本身，而且可以看到呈现于物体表面的一组干涉条纹。改变作用在物体上的外载荷，光程发生变化，干涉条纹也随之发生变化，通过实时全息图就可以看到相应的干涉条纹图，并可测出位移分布。缓慢地改变载荷，即可看到物体上干涉条纹移动的情景，即“活”条纹。

双曝光全息干涉计量术是在一张全息底片上对物体的两种不同状态进行记录，把物体在两次曝光间的状态改变作为永久信号记录下来，储存在同一张全息底片上。再现两次曝光全息底片时，则再现的两种不同状态的物光波因为存在光程差而产生干涉，在再现记录上会现察到一组因变形而附加的干涉条纹。

基于上述原理，结合现有实验设备，我们设计了如图 1所示的光路布置。这种光路布置，在轴向载荷作用下，可以近似地认为变形矢量与物光方向一致，因而可以近似地将变形矢量简化为一维问题。由光程差与位相差之间的关系，可以导出变形量与暗条纹之间的关系：

由上式可以对试验获得的全息干涉条纹图进行分析。

3 实验结果分析

我们分别釆用了板岩、页岩、砂岩共15块岩石试样，应用实时法和双曝光法进行干涉测量，获得了一系列的全息干涉条纹图谱，选择其中最具代表性的5号板岩试样实验结果作为分析对象，图 2为该试样的全息干涉条纹图谱。分析该图谱的条纹可知：当载荷P由7.03kN增至7.33kN时，试样左侧原生裂隙(与加载轴线成15.5°夹角)参与整体受力，干涉条纹图谱圆滑连续，如图 2-1所示。当载荷P增至8.44kN时，条纹在裂隙处转折，但圆滑过渡，如图 2-2所示。这说明裂隙处应力分布与无裂隙区不一样，即应力产生了重新分布，裂隙已开始扩展，但仍然参与整体受力。随着载荷P增加到9.35kN和10.19kN, 条纹转折斜率逐渐增加，并出现拐点，如图 2-3、图 2-4所示。这说明裂隙逐渐扩展，试块的承载能力减小。当载荷P增至10.30kN时，裂隙上方条纹密集到不能分辨，但沿裂隙下方仍可见转折条纹，如图 2-5所示。随着载荷的增加，条纹越来越密，分布规律基本相同，但不能分辨条纹的部位扩大。当载荷P增至14.75kN时，全息干涉条纹图显示裂隙贯通，如图 2-6所示，形成块板干涉条纹，块板之间明显错位，把试样分成四个不同受力区，形成四种走向不同的干涉条纹图。随着载荷P的进一步增加，不同走向的条纹加密，如图 2-7、2-8所示，但基本形式相同，说明试块仍处于受力状态。当载荷P增至15.5kN时，试块彻底破碎，干涉条纹消失。

4 结论

实验表明，将激光全息干涉计量术应用于岩石裂隙扩展破坏规律的研究是可行的。本次试验研究获得了板岩裂隙开起、扩展、破坏全过程的完整干涉条纹图谱，结合砂岩、页岩的试验条件对全息干涉条纹图谱进行分析，获得如下认识：

(1) 用激光全息干涉计量术研究岩石裂隙扩展破坏规律是以独特的干涉条纹形式显示裂隙扩展破坏全过程，以直观、形象的感觉及高精确度显示其优越性，这是其他常规方法难以实现的。

(2) 当岩石试块加载到某一数值时，就能显示试块内部存在着肉眼无法分辨的微裂隙，如图 2-2所示。当微裂隙起裂时，岩石内部晶粒界面出现不连续面，则在全息干涉条纹图上表现为条纹在此处突变、转折或畸变。

(3) 随着载荷的增加，微裂隙逐步扩展。在全息干涉条纹图上表现为畸变条纹区扩大。裂隙的贯通则使干涉条纹沿贯通裂隙发生畸变，以致于沿裂隙周边形成不同走向的干涉条纹区，见图 2-6所示。

(4) 当裂隙扩展到产生块板滑移时，干涉条纹分区显示，形成块板结构全息干涉条纹图。如图 2-8所示，此时试样处于疏散破坏状态，稍加载荷，试块即彻底破碎。

(5) 岩石单轴受压试验中，全息干涉条纹有时会出现交替变化现象，即某一干涉条纹在下次加载过程中消失，而出现新的干涉条纹。此现象是由于试样内应力重新分布所致，说明岩石内部裂隙发生了变化。

5 存在的问题

本次实验是在南昌航空工业学院进行的。根据原有设备条件，我们制作了最大载荷20kN的加载架，这决定了试验用样品只能是抗压强度 < 20kN/cm²的岩石。对自然界中较常见的其他岩石，若取之作为试样，则实验结果不太理想。因此，本次研究仅限于砂岩、板岩、页岩，其中板岩作为典型样品，砂岩、页岩的全息干涉图谱不完整。我们知道，地质体中的任何一种岩石都处于一定的地质背景及构造环境中，每一种岩石的矿物组成、结构、构造都各不相同，就是同一块岩石不同的加载方向，岩石内部裂隙的扩展、破坏也不相同。由于时间关系，在试验过程中，都没有考虑到上述因素的影响。我们的研究仅起着抛砖引玉的作用，许多问题有待于进一步深入研究。