综述：岩石中的应力局部化：从多尺度测量到人工智能驱动的预测

生物通首页 > 今日动态 > 正文

综述：岩石中的应力局部化：从多尺度测量到人工智能驱动的预测

时间：2026年1月30日

来源：Engineering Geology

编辑推荐：

本文系统综述了岩石应变局部化的多尺度测量技术、数值模拟方法及AI预测模型，揭示了地质异质性与物理约束对预测精度的影响，提出数据融合与跨尺度建模的整合框架，为岩爆预警、隧道支护、边坡稳定和储气工程提供理论支撑。

杨世蛟|杜青|严建昌|刘文华|黄建成|李丹丽

中国衡阳南方大学资源环境与安全工程学院，421001

摘要

应变局部化现象，从微观的矿物结构到地壳尺度的断层带，从根本上控制着自然地质系统和岩石工程中的破坏模式。尽管各个测量和建模技术都取得了显著进展，但缺乏一个能够将这些方法联系起来的综合框架。本文系统地综合了多尺度测量技术、数值模拟方法和基于人工智能的预测方法，用于岩石应变局部化的研究。文中探讨了基于接触的测量技术（如应变计、线性可变差动变压器LVDT、分布式光纤传感和声发射技术），以及非接触式光学方法（如数字图像相关性和X射线计算机断层扫描）。对比了连续介质和非连续介质的数值模拟框架，并评估了从传统机器学习到基于物理的神经网络的各种人工智能方法，同时分析了它们对不同类型监测数据的适应性。研究发现三个关键点：（1）在地质异质性条件下，多源数据融合至关重要；（2）基于物理的约束条件能够确保数据驱动模型的可靠性；（3）破坏后分析与预测能力之间存在差距。这些发现对于岩爆预警、隧道支护设计、边坡稳定性评估和水库管理具有重要意义。本文为从现象学描述向机理预测、从实验室理解向工程地质应用的发展提供了框架。

引言

应变局部化是指在外部载荷作用下，岩石材料中的应变分布从初始均匀状态转变为特定空间区域内的高浓度分布的现象，通常表现为特征性的带状结构（图1）（Jefferson和Smalley，2000；Ercoli等人，2014）。在自然地质系统中，应变局部化是控制地壳变形的基本机制，其作用范围涵盖了多个空间和时间尺度——从糜棱岩中的微观结构到区域尺度的剪切带和板块边界断层系统（Zhang等人，2025a；Yian等人，2023；Lu等人，2026）。在板块边界，应变局部化控制着地震的孕育和能量的释放（Budnitz等人，2005）。在造山带，塑性剪切带记录了流变转变和长期构造演化（Xuan等人，2022；Gang等人，2021；Wei等人，2025）。在沉积盆地，压实带显著改变了储层性质，影响碳氢化合物的迁移和二氧化碳的储存效率（Rohmer和Raucoules，2012；Chen等人，2023；Wu等人，2019）。然而，自然地质材料表现出多尺度异质性、结构各向异性（层理、片理、节理、断层）以及流体-岩石相互作用，这些因素深刻影响了应变局部化行为（Wang等人，2025a）。这些复杂性，加上时间尺度从瞬时地震破裂（几秒）到长期构造蠕变（数百万年），使得将实验室观测结果外推到地质尺度成为一个基本挑战，需要仔细考虑尺度效应、结构继承性和时间依赖过程（Krinitzsky，1993；Zhou等人，2023；Bergen等人，2019）。

应变局部化的演变对自然地质系统和岩石工程都有深远影响：快速发展的剪切带会在深部开挖中引发岩爆（Cheng等人，2025；He等人，2026；Hao等人，2025）；局部化带的逐步聚合控制着自然和工程边坡的破坏（Tang等人，2025；Li等人，2025a；Zeng等人，2025）；应变集中区威胁着隧道稳定性（Xing等人，2018；Shayan等人，2025）；局部化带显著改变了渗透性，控制着断层带和工程储层中的流体迁移（Chandra等人，2025）。现代理论基础由Rudnicki和Rice基于压力敏感材料的分岔理论建立（Issen和Rudnicki，2001），随后发展为双剪切模型（Anand，1983），再到三维弹塑性理论（Wawersik和Fairhurst，1970）。实验技术从基于接触的方法（应变计、LVDT）发展到非接触式光学技术（数字图像相关技术DIC、X-CT），分布式光纤传感实现了连续监测，而人工智能在模式识别和破坏预测方面展示了强大的潜力（Kang等人，2000；Sun等人，2016；Chen等人，2025；Wang等人，2018）。

基于应变局部化研究的进展，本文系统总结了岩石应变局部化的机制、测量技术、数值模拟方法和基于人工智能的预测方法。主要贡献包括：

(1)
应变局部化机制、多尺度测量方法和数值模拟方法的系统总结；
(2)
从机器学习到基于物理的神经网络的人工智能预测方法的评估；
(3)
在深矿开采、岩土稳定性评估和地下能源开采中的工程应用分析。

本文对岩石应变局部化的测量技术和基于人工智能的预测方法进行了系统综述（图2）。第2节阐述了基本概念、分类特征和工程意义。第3节介绍了基于接触的测量技术。第4节探讨了非接触式光学测量方法。第5节评估了数值模拟方法。第6节分析了人工智能预测方法及其适用性。第7节总结了综述内容并展望了未来趋势。

部分摘录

定义和物理本质

岩石破坏涉及从微裂纹萌生到空间聚集和聚合的多尺度非线性演化，最终导致不稳定。应变局部化是这一过程的关键表现，描述了塑性变形在厚度远小于试样尺寸的狭窄区域内集中分布的不可逆转变（Dong等人，2026；Jing等人，2023；Khan等人，2025）。

从连续介质力学的角度来看，应变局部化...

基于接触的变形测量技术

基于接触的测量技术是应变局部化研究的基础。典型的测量系统包括三个关键组成部分（图7）：（1）提供受控机械边界条件的应力加载装置；（2）多种类型的传感器阵列，包括用于表面应变场测量的应变计、用于整体变形监测的线性可变差动变压器LVDT、用于空间分辨应变的分布式光纤传感器DOFS...

非接触式光学测量技术

非接触式光学测量技术通过光学成像从试样表面或内部获取变形信息，从而消除了传感器安装对岩石试样的干扰，为全场高分辨率的应变局部化表征开辟了新途径（图8）（Chen等人，2025；Wang等人，2018；Munoz等人，2016；Weidner等人，2021；Gao等人，2024）。与基于接触的点测量或线测量相比，光学...