面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法

本发明涉及面向岩石微层理破裂面的精细化识别与局部抗拉强度定量表征技术，具体涉及一种面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法。

背景技术：

1、层状岩石的宏观抗拉破坏通常并非由完整基质的平均强度单独控制，而是受其内部不同尺度层理、界面、矿物过渡带和胶结薄弱面等非均质结构共同影响。这些非均质结构的尺度可从宏观可见的层面延伸至微米级的微层理。其中，宏观层理通常可在岩芯、钻孔或露头尺度上直接识别，而微层理往往仅表现为相邻矿物组分、颗粒排列、孔隙缺陷或胶结程度的细微差异，却可能引起局部力学强度的显著突变，并成为拉伸裂纹起裂、偏转和界面剥离的优先路径。因此，准确确定岩体优先开裂的层理位置，有利于实际工程中的灾害防护。然而，现有数值模型中，层理界面通常被简化为零厚度弱结构面，或被处理为两种岩层之间渐变过渡的力学参数区域，普遍缺乏直接实验参数支撑。目前常用的直接拉伸、巴西劈裂和三点弯曲等宏观测试方法，往往难以保证裂纹沿目标微层理界面稳定起裂与扩展，所得结果更多反映代表性体积意义下的名义平均强度，难以准确表征微层理界面的局部抗拉能力。近年来，纳米压痕、微划痕及fib/pfib-sem制样原位加载等微尺度测试技术虽为局部力学表征提供了新思路，但前者多依赖间接经验关系，后者则普遍存在设备昂贵、单样品制样流程复杂、加工时间长等问题，难以针对狭窄的微层理界面区域开展快速、低成本、开裂位置可控和批量化的力学测试。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本技术提供了一种面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法，通过微层理位置识别、目标区域制样和微梁受控弯曲加载过程的系统性配合，形成全流程解决方案。最终实现微层理破裂面位置的精细化识别及其局部弯曲抗拉强度的低成本、批量化和高精度测量。

2、本技术的技术方案如下：

3、面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法，包括以下步骤：

4、s1，选取需要识别微层理破裂面并测量其局部抗拉强度的层状沉积岩样品作为待测试岩石样品；将样品切割为块体，并使测试剖面垂直于微层理或疑似微层理走向；随后通过定量磨削至微层理位置后在光学显微下观察的标定方式进行预先定位，初步确定目标层理或疑似微层理区域的位置；

5、s2，对固定后的岩石样品表面进行抛光，以降低表面粗糙度并去除切割损伤层，获得适用于微加工切割的平整表面；

6、s3，根据预先识别的目标微层理或疑似微层理区域，在岩石样品表面设计微梁阵列；所述微梁阵列沿垂直于微层理或疑似微层理走向的方向连续布置，使不同微梁分别位于基质区和微层理区内，形成一维测线式微梁阵列，并记录每个微梁的编号、几何尺寸和空间坐标；

7、s4，在岩石表面制备微梁阵列结构；

8、s5，将微梁顶部与上部约束基底胶黏固定，形成“岩石基底-微梁-固化胶-约束基底”夹持结构，获得微梁夹持样品；

9、s6，将微梁夹持样品安装于微尺度力学测试系统中，采用侧向加载方式进行三点弯曲测试；

10、s7，建立微尺度三点弯曲抗拉强度计算方法，计算时，以实验测得的峰值载荷和微梁几何参数为输入，输出目标岩石微层理界面的局部弯曲抗拉强度，具体计算公式为：

11、σt = c×pl/(4bh2)

12、其中，c 为与微梁边界条件、加载方式和跨高比相关的修正系数，σt为局部弯曲抗拉强度，p为峰值载荷，l为跨距，b为微梁宽度，h为微梁厚度。

13、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法还包括步骤s8；步骤s8将每个微梁的空间坐标与其计算得到的局部弯曲抗拉强度一一对应，建立岩石沿垂直于微层理方向的微尺度抗拉强度一维分布图；以相邻基质区微梁的抗拉强度均值及其离散性作为参照，识别局部抗拉强度明显降低的区域、相邻微梁之间的强度突变区域或强度梯度最大区域；当某一连续区域内的微梁抗拉强度低于两侧基质区，或在相邻微梁之间出现明显强度突变时，可将该低强度带或强度突变带判定为潜在微层理破裂面所在位置，并将对应微梁的局部弯曲抗拉强度作为该微层理界面的力学表征参数。

14、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，每次测试结束后，采用均质高分子pmma材料作为标定对象进行重复标定。

15、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s1中，将样品切割为块体后，利用uv光固化胶将岩石块体固定于样品台上，再进行后续操作。

16、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s2中，经抛光处理后，样品表面平整度小于1μm。

17、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s2中，对岩石样品表面进行逐级抛光处理，每一级抛光后，对样品进行超声清洗以去除残余磨粒。

18、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s3中，微梁尺寸设置为：长度135-145μm、宽度65-75μm、厚度约30-40μm。

19、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s4 中，采用具有气浮式高速主轴、微米级 x-y-z 三轴运动平台、视觉对位模块、切割深度控制模块和冷却液供给模块的精密划片机，在岩石块体表面进行边缘修整、定深划切和正交阵列划切，以形成沿垂直于微层理或疑似微层理方向布置、且底部与岩石基底一体连接的阵列化微梁结构。

20、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s5中，选用透明石英玻璃作为上部约束基底，并在其表面均匀旋涂一层uv光固化胶；随后，将制备完成的岩石微梁阵列倒置，并利用高精度位移台使微梁顶部与覆胶石英玻璃表面受控接触，使胶层填充微梁顶部接触区，同时避免胶层进入后续受力测试区域；经紫外光固化后，形成“岩石基底—微梁—uv光固化胶—石英玻璃”的夹持结构。

21、进一步，前述的面向岩石微层理精细化识别的微尺度三点弯曲测试方法中，步骤s6中，所述测试系统包括压电位移控制器、高分辨率力传感器、位移采集模块、显微观察与侧视对中模块，以及用于接触加载的楔形金刚石压头；所述压头用于在微梁侧表面形成稳定线接触；测试时，预先施加预荷载，以建立稳定接触并设定位移零点，随后以位移控制方式加载，位移分辨率为 1 nm，载荷分辨率为 1 nn，加载速率调节范围为1-3000 nm/s；加载过程中，同步采集载荷—位移曲线，当实时载荷下降至峰值载荷的90%以下时，加载系统判定试样发生破坏并自动终止加载。

22、本发明是将微层理预定位、微梁阵列制备、双端约束构建、三点弯曲加载和局部强度分布分析集成形成的全流程技术方案。本发明通过微梁空间坐标、局部弯曲抗拉强度和实际裂纹路径之间的对应分析，实现由疑似微层理区域到力学弱化带识别，再到真实微层理破裂面验证的连续判断，从而以低成本、批量化和高精度方式完成微层理破裂面的精细化识别及其局部抗拉强度定量表征，其可为层状岩石弱面控制破坏机制研究、数值模型参数获取和工程稳定性评价提供新的技术路径。

23、与现有技术相比，本发明将传统宏观尺度下对岩石整体名义抗拉强度的测试思路，转变为面向岩石微层理界面局部区域的微尺度定点制样与定点加载思路，通过整合微梁制样技术、顶部约束构建技术、微尺度三点弯曲加载技术和适用于双端约束边界条件的微尺度弯曲抗拉强度计算与修正方法，实现对局部力学薄弱区的直接定量测试，且显著的降低了制样成本，避免了传统宏观测试中由于多缺陷、多弱面共同作用所造成的平均化效应和结果失真。

24、本发明的有益效果具体表现为：（1）基于精密微加工的岩石微梁阵列批量制样技术，通过在岩石基底表面直接制备阵列化微梁，替代传统fib逐个制样方式，显著降低制样成本和设备门槛，并提高制样效率，适用于重复性验证和不同界面对比测试。（2）通过在目标层理或疑似微层理区域直接制备微梁阵列，使不同微梁分别覆盖基质区、过渡区和潜在弱界面区，从而能够获得局部抗拉强度的空间分布。（3）通过在微梁顶部构建稳定约束层，与底部岩石基底共同形成“岩石基底—微梁—uv光固化胶—石英玻璃”夹持结构，在不依赖昂贵微纳夹具的条件下形成适于微尺度三点弯曲测试的双端约束边界，从而提高加载稳定性和测试一致性。（4）基于楔形金刚石压头与压电位移控制执行器的微尺度三点弯曲加载装置，通过楔形压头在微梁侧表面形成稳定线接触，并结合高分辨率力—位移采集系统，实现精细加载、精确对中和定点测试。同时采用均质高分子材料pmma验证了制样与加载过程的重复稳定性。（5）采用本发明方法制备批量微梁时，单个微梁平均制作时间约为5分钟，显著短于传统fib制样的1-2小时/个；单个微梁制作成本不超过100元/个，远低于fib制样的1200-2000元/个。因此，本发明在制样效率和经济性方面具有明显优势，更适合开展批量化、重复性和对比性测试。