中国矿业大学（北京）鞠杨教授及其团队在国内外创建了岩石力学行为内部隐匿结构及多物理场效应的透明解析理论与方法，实现了岩石灾变过程中内部“看不见、摸不着”的非连续结构、应力场、变形场和渗流场的演化及其对岩石灾变行为控制作用的透明量化表征，形成了“岩石灾变内部结构及多物理场效应透明解析”的学术方向。为了揭示岩石力学行为尺寸效应及其内部隐匿结构的影响，鞠杨教授团队利用数字模型重构及3D打印技术，制备了孔隙与裂隙岩石的透明物理模型，研究了单轴压缩下裂隙和孔隙岩石力学行为尺寸效应，透明显示并量化表征了内部隐匿非连续结构变化及其对岩石力学行为尺寸效应的影响。相关成果以 “Size effects in the uniaxial compressive properties of 3D printed models of rocks: an experimental investigation”为题发表在IJCST（International Journal of Coal Science & Technology）

　　基于本论文学术思想，针对深埋岩石内部复杂隐匿结构，利用数字模型重构、3D打印等技术，制备了与天然岩石内部结构一致的透明物理模型，定量表征了单轴压缩下岩石透明模型力学行为尺寸效应与内部非连续结构演化特征，为应用岩石透明物理模型直观显示与定量解析内部隐匿结构对岩石力学行为尺寸效应的影响提供了新方法。

　　研究背景

　　科学表征与准确预测岩石力学行为是解决煤炭开采引起的各类地质灾害问题、实现煤炭绿色智能安全高效开发目标的基础和关键。然而，天然岩石历经地质成岩运动和环境侵蚀等作用，其内部结构组成与形态十分复杂，导致岩石力学性质随观测尺度而变化，呈现显著的尺寸效应，这使得科学表征与准确预测岩石力学行为变得异常困难，揭示岩石内部隐匿结构对力学行为尺寸效应的影响一直是岩石力学理论与岩石工程界高度关注的热点及难点问题。然而，由于难以直观观测和准确描述岩石变形破坏过程中内部隐匿结构的演化及其对岩石力学行为的影响，传统的测试与解析方法主要通过观测岩石外部宏观力学响应变化来间接地刻画岩石力学行为尺寸效应，无法从内禀源头上阐明和量化岩石力学行为尺寸效应，描述和预测岩石力学行为尺寸效应的宏观物理力学模型存在诸多争议和应用局限性，这些都严重阻碍了岩石力学理论的发展与工程应用。

　　研究进展

　　天然岩石内部隐匿结构的尺寸、形态及分布十分复杂，确定完备体现岩石内部结构特征的代表性体元（RVE）并开展相应尺度模型的岩石力学性质研究，对于准确地理解和描述岩石力学行为尺寸效应至关重要。为此，鞠杨教授团队采用高精度CT成像方法，识别并提取了天然煤与砂岩的裂隙和孔隙结构特征。运用数字模型重构与3D打印技术，批量制备了不同尺寸的裂隙煤和孔隙砂岩的透明物理模型。实验获得了岩石透明物理模型单轴抗压强度、弹性模量随模型尺寸变化的规律。通过与连续均质模型力学性质的对比，定量分析了裂隙和孔隙等非连续结构对模型力学行为的影响，直观显示和定量解析了岩石内部隐匿非连续结构诱发岩石力学行为尺寸效应的机理。考虑岩石非连续结构的分形特征，基于实测数据，确定了基于分形与能量耗散的Bažant模型的特征参数，构建了体现内部非连续结构特征的尺寸效应模型，很好地描述了裂隙和孔隙模型力学行为尺寸效应，为确定此类岩石力学行为尺寸效应的RVE特征尺度提供了依据。本文研究为应用岩石透明物理模型直观显示与定量解析内部隐匿非连续结构对岩石力学行为尺寸效应的影响提供了新方法与有效手段。

　　图1 不同尺寸岩石透明物理模型单轴压缩破坏 (a) 连续均质模型 (b) 裂隙煤模型 (c) 孔隙砂岩模型 (d) 等比放大的孔隙结构模型

　　图2 不同尺寸岩石透明物理模型的单轴压缩应力-应变曲线 (a) 连续均质模型 (b) 裂隙煤模型 (c) 孔隙砂岩模型 (d) 等比放大的孔隙结构模型

　　未来展望

　　岩石内部隐匿结构与多物理场效应透明解析，是从内禀源头上理解、量化和预测岩石力学行为及尺寸效应的重要手段，为破解岩石力学基础理论及工程应用中的诸多难题开辟了新途径，成为岩石力学研究与发展的重要内容和新方向。岩石力学行为尺寸效应十分复杂，它不仅与岩石内部非连续结构密切相关，而且受到岩石物性以及相-场耦合作用的影响，本文方法和发现可以为未来深入研究岩石力学行为尺寸效应的内部隐匿结构、多物理场效应以及物质-结构-物理场相互作用机制提供了新思路和重要参考。

　　作者简介

　　鞠杨，教授、博士生导师。现任煤炭资源与安全开采国家重点实验室常务副主任、国家基金委创新研究群体首席科学家、国家重点研发计划项目负责人。获国家杰出青年基金、教育部长江学者、国家万人计划科技领军人才、国家百千万人才、国家有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴等荣誉，入选全球TOP 2%顶尖科学家、Elsevier中国高被引学者。兼任中国能源学会煤炭专委会副主任、中国岩石力学与工程学会理事、Int J Rock Mech Mining Sci、Int J Coal Sci Tech 等十余种国内外知名期刊编委或副主编。主要从事深地能源开发岩体灾变相场耦合透明解析理论、方法及工程应用研究。主持承担国家及省部级重要科研项目30余项。出版中英文专著5部，发表高水平SCI论文180篇、EI论文80篇，授权美国、英国、加拿大、澳大利亚发明专利30件、中国发明专利33件。获国家自然科学二等奖1项、教育部自然科学一等奖3项、省部级科技二等奖5项。

引用格式： Wu, H., Ju, Y., Han, X. et al. Size effects in the uniaxial compressive properties of 3D printed models of rocks: an experimental investigation. Int J Coal Sci Technol 9, 83 (2022). https://doi.org/10.1007/s40789-022-00556-3