岩石领域的纳米压痕技术应用
薛海斌1，王立红1，雷曼2，党发宁1，丁卫华1，张泽华1（1．西安理工大学土木建筑工程学院；2．陕西农林职业技术大学交通与测绘工程学院）
摘要：准确表征岩石和岩体的力学性质对抽水蓄能电站地下厂房、地下储气库及核废料处置库等工程的稳定性分析与评价具有重要意义。岩石作为矿物集合体，其强度和变形特性受矿物组成、胶结作用、界面形态等因素的共同影响。相较于宏观力学试验，纳米压痕技术所需试样尺寸小、流变试验时间短、易测得微观力学指标、可分离各矿物和胶结作用对岩石强度与变形的贡献，利于揭示岩石宏观力学行为的微观机理等优势，为岩石材料宏观-微观力学特性研究提供了新途径。首先介绍纳米压痕技术的基本原理及数据统计分析方法; 其次分析矿物组成、结构、环境条件等影响因素下页岩、泥岩、花岗岩的纳米压痕力学特性，揭示了岩石的非均质性、各向异性、蠕变特性及尺寸效应; 对比分析了5 种均匀化理论分析方法、3 种数值模拟方法对纳米力学指标跨尺度升级的适用性;最后，对纳米压痕技术在岩石领域的应用前景进行展望。
关键词：岩石；纳米压痕；弹性模量；断裂韧性；蠕变；层理；环境因素；尺度升级
目录介绍
1 纳米压痕试验原理
1．1 弹性模量与硬度
1．2 断裂韧性
1．2．1 裂纹长度法
1．2．2 能量分析法
1．3 抗剪强度参数
1．4 蠕变特性
1．5 数据统计分析
2 基于纳米压痕技术的岩石微观力学特性分析
2．1 弹性模量与硬度特性
2．1．1 页岩
1) 矿物组成
2) 层理结构与微裂缝
3) 环境因素
4) 压痕深度的尺度效应
2．1．2 泥岩
1) 矿物组成
2) 孔隙结构与成岩作用
3) 层理与各向异性
4) 环境因素
5) 尺度效应
2．1．3 花岗岩
1) 矿物组成
2) 裂缝发育
3) 环境因素
2．2 断裂韧性
2．2．1 页岩
1) 矿物组成与孔隙
2) 层理与各向异性
2．2．2 泥岩
1) 矿物组成
2) 环境因素
2．2．3 花岗岩
2．3 蠕变特性
2．3．1 页岩
1) 矿物组成
2) 环境因素
2．3．2 花岗岩
3 尺度升级方法
3．1 均匀化理论方法
3．1．1 KUSTEＲ-TOKSOZ 法（KT法）
3．1．2 自洽法（SC法）
3．1．3 稀疏法（Dilute法）
3．1．4 MOＲI-TANAKA法(M-T法）
3．1．5 微分有效介质法（DEM法）
3．1．6 对比分析
3．2 数值模拟方法
3．2．1 有限元方法
3．2．2 分子动力学模拟技术
3．2．3 等效晶质模型离散元方法
4 结论
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