实验过程
1.取样和标本制备:标本采自北京市门头沟区大台矿。为南大岭组变质玄武岩，基性火成岩喷出岩，斑状或基质粗粒结构，灰绿色或灰黑色。它形成于180～200ma前的中生代早侏罗世。这层岩石出现在地表以下近70度的急倾斜煤层的底部；~ 80 & deg倾斜分布。从五个层位(410、510、610、810和1010m)取样进行实验(见图1，略)。将上述岩石样品加工成适合在扫描电镜下观察的三组三点弯曲试样:A组(15组不同埋深)，即在中心预制一个缺口，但试样埋深不同；B组(偏心单裂纹组，15)，即从同一埋深410m处取玄武岩，分别在距中心1、2、3、4、6mm处预制一个缺口；C组(偏心双裂纹组，15)，与B组相似，但预制2个缺口。中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室加载SEM实验系统的试样，尺寸为25mm & times10毫米&次；5毫米(长度和时间；宽度和时间；高长方体。为了满足断裂力学测试标准[15]，预设一个5mm长的缺口，用薄刀片切割。切口宽度约为0.4mm，切口前端为半圆形。图2显示了样品和加载示意图。3组试件的编号原则如下:A组& ndashB，A代表埋深，B代表试件编号；b组410 & ndashpC & ndashB、C代表距预设缺口中心的距离，B代表试件号，P代表偏移量(下同)，410代表埋深410m(下同)；第410组& ndashspC & ndashB，其中C代表距两个对称缺口中心的距离，B代表试件编号，S代表双缺口。表1示出了测试件的加工条件(省略)。
2.实验设备及加载方式:实验在中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室SEM全数字高温疲劳实验系统中完成[11-14]。该实验系统可对材料在载荷作用下的力学行为和表面微观结构的变化进行静态扫描和实时在线观察，实现外部应力状态与材料力学行为和表面微观结构变化的一一对应，从而开展材料微观力学性能的综合实验研究。本实验为室温三点弯曲实验。为了捕捉脆性岩石的破坏过程，采用位移加载，加载速率设定为10-4mm/s，小于本实验系统的加载速率。实验过程中可以实时观察负载& ndash位移曲线，设置系统采样周期为1s，SEM图像采集速率约为20s/张。
3.岩石鉴定和SEM能谱分析:借助SEM全数字液压高温疲劳实验系统，实时观察试样在三点弯曲载荷下的表面形貌变化和裂纹扩展过程。如果能在扫描电镜照片中确定裂纹两侧有关颗粒的矿物成分，将有助于岩石破坏机理的分析。实验在北京科技大学扫描电子显微镜实验室完成，使用的是带有能谱仪的扫描电子显微镜(SEM/EDX)。图3为410m深度的一个岩样的SEM/EDX实验结果，图中有四种明显的颗粒:①颗粒呈深灰色，表面光滑，大块分布，为应时；②颗粒呈白色，一般较小，光滑，聚集，为绿帘石；(3)颗粒呈亮白色，虽小但很显眼，是镧铈矿；④颗粒呈浅灰色，表面不平整，呈胶状分布，为斜长石。
实验结果
1.破坏过程和机理:不同埋深组玄武岩试件的破坏过程如下。2个样本中的10个样本和410个样本的处理& ndash3相似(样本1010 & ndash2 1010 & ndash5除外)。带标本410 & ndash3.例如，当载荷增加到80.1N(对应于扫描SEM图像开始时的载荷)时，没有观察到样品表面的明显变化；当载荷增加到111.6N时，在预设缺口前方观察到微裂纹萌生(通过对比实时载荷数据，当图像扫描到裂纹萌生处时，当时的实际载荷约为122.8N，相当于峰值载荷的95%)，如图4(b)所示；当载荷增加到129.5N时(拍摄裂纹时，实际上略超过峰值载荷130.6N，开始下降)，裂纹迅速扩展并贯穿，试件破坏；图4(d)显示了破坏后样品的形态。从另外9个试件的破坏过程可以发现，从微裂纹的萌生(峰值载荷的90% ~ 95%)到突然断裂实际上发生在很小的载荷范围内。图5显示了埋深为410米的玄武岩的荷载；扰动曲线显示玄武岩主要表现为脆性破坏。通过观察损伤试件的裂纹形貌，可以发现这样损伤的试件裂纹数量少，没有分支，路径平滑(见图6，略)。试件1010 & ndash2 1010 & ndash5个试件的破坏过程与其他10个试件略有不同。对于样品1010 & ndash2.当载荷增加到169.6N(试件峰值载荷为174.4N)时，预设缺口前方出现一条短裂纹，而加载端出现一条长裂纹，但两条裂纹并不相连(见图7(a))，这说明裂纹并不总是起源于缺口并扩展到加载端，而是可能从多处开始，并随着各自的扩展而贯穿。对于样品1010 & ndash5.当载荷增加到167.3N时，在试样内部的许多地方观察到裂纹(见图7(b))，并且这些裂纹同时开始；当载荷增加到183.3N时，这些裂纹相互连接，逐渐连成一条主裂纹。随着载荷的增加，主裂纹不断扩展，导致试件破坏。对于带有偏心预制缺口的试件，大部分是脆性破坏机制。但是，与中心预制切口试件相比，偏心预制切口试件受到弯曲应力和剪切应力的共同作用，导致断裂更加曲折和粗糙。破坏后的典型裂纹路径如图8所示(略)。
2.破坏载荷:统计分析三组实验结果的破坏强度。对于一组具有中心预制缺口的试件，实验表明，对于具有相同尺寸预制缺口的试件，玄武岩的破坏荷载随其埋深的增加近似线性增加，如图9(a)所示。这种趋势与宏观实验结果的趋势是一致的。提取不同深度玄武岩的表面SEM图像，使用相同的像素阈值对SEM图像进行二值化，从而计算孔隙率(见图10)。可以看出，宏观和微观实验有相似的趋势，主要原因是随着埋深的增加，玄武岩的矿物颗粒越来越细，孔隙率有逐渐降低的趋势。对于单预制缺口和双预制缺口两组试件，随着预制缺口逐渐偏离中心，两组试件的破坏荷载都有增大的趋势。对于三点弯曲载荷，随着偏移距离的增加，剪力保持不变，但弯矩逐渐减小，即截面的弯曲应力减小。根据材料力学理论[16]，对于矩形截面，弯曲应力对截面的影响远大于剪应力的影响，所以最终破坏荷载会随着偏距的增加近似线性增加(见图9，略(b)，9(c))。
3.强度和能量特征:对于尺寸固定的试件，岩石断裂能的大小可以反映岩石抵抗破坏的能力，这个特征量对于分析岩石破坏的稳定性具有重要意义[17]。岩石试件在三点弯曲下的断裂能可由实验得到的载荷来确定& ndash得到曲线积分，具体计算公式为:(略)，其中:W为试样的断裂能，P为作用在试样上的载荷，为试样的挠度。在公式(1)中，积分的上限和下限分别为0和样品的断裂位移。图11显示了不同埋藏深度的玄武岩的断裂能。从图中可以看出，三个低埋深(410，510m)样品的断裂能分散性很小。当埋深较大时(810，1010 m)，不同样品间断裂能的离散度稍大。但是，通过计算平均断裂能可以发现，门头沟玄武岩的断裂能随着埋深的增加而增加，这说明相同环境下深部岩石抵抗破坏的能力比浅部岩石强。表2显示了偏心单双裂纹群的大载荷和断裂能的实验结果。从图12中可以看出，岩石试样的平均峰值载荷和平均断裂能随偏心率近似线性增加，并且在相同偏心率下，单、双裂纹试样的峰值载荷和断裂能几乎相同，这说明在三点弯曲的载荷作用形式下，对于这种小尺度试样，在对称位置加入预设缺陷基本不影响试样的承载能力。