论文导读：本文采用X射线CT方法观测一种软弱粉砂岩在三轴压缩条件下内部裂纹三维空间形态和演化全过程,分析软岩内部裂纹演化与其宏观力学性质的关系。

摘要:采用X射线CT方法对一种软弱粉砂岩在三轴压缩条件下的变形破坏过程进行了实时观测,获得系列CT图像。软岩破裂成核现象在远离强度峰值前发生,完整岩石试件裂纹从外向内传播,裂纹演化基本方式表现为扩张和扩展的交替性。软岩屈服现象的本质是CT尺度裂纹演化,裂纹演化是软岩在峰值强度前的主要细观过程。

1　引言
软岩强度低,变形模量小,泊松比大,塑性变形大。软岩对边坡及洞室围岩等工程岩体稳定性的影响,一方面在于它容易成为滑动面,另一方面在于它的时效特性,表现为蠕变、松驰、长期强度及流动特性等。在工程地质勘察中,原位大型模拟试验不仅仅是为了得到某项岩体力学强度指标,更重要的是开展岩体的变形、破坏机理研究,从而为工程采取相应加固措施提供依据。系统的室内试验可以弥补原位大型模拟试验的不足,对于那些没有条件开展原位大型模拟试验的中小工程,分析室内软岩试件的强度、变形www.xuezi123.com性质,尤其是破坏机制,对认识野外软弱岩体的工程特性具有重要意义。工程经验和试验表明软岩内部的裂纹演化对其破坏特性有关键性影响[1]。目前岩石内部裂纹演化过程观测方法主要有3种,即扫描电子显微镜方法、声发射方法和X射线CT方法。扫描电子显微镜(Scanning Electron Micros-copy,SEM)虽然分辨率高,但只能实时观测试样的表面变化。声发射(Acoustic Emission,AE)的主要成果是声发射震源在岩石变形初期随机分布于样本之中,随后便向最终破裂面集中,AE密集区与非常扩容区具有良好对应关系,缺点是AE频率、震幅等指标与岩石破裂过程难以建立定量联系。1972年英国EMI公司首先制成由工程师G.N.Hounsfield设计的第一台CT(ComputerizedTomography,简称CT)扫描机[2]。CT方法的最大优点是能无损地检测出材料和结构的内部变化,同时具有较高的分辨能力。X射线CT成果表现为对室内岩石任意断面、任意应力阶段的CT图像进行裂纹演化全过程(裂纹萌生、扩展、愈合、分叉和贯通)和裂纹三维形状的无损观测[3,4],可识别的裂纹最小宽度在0.01 mm量级(由于线性影像特征而高于CT设备分辨率)[5,6],岩石卸荷、疲劳损伤现象均可从CT裂纹演化获得解释[7,8]。本文采用X射线CT方法观测一种软弱粉砂岩在三轴压缩条件下内部裂纹三维空间形态和演化全过程,分析软岩内部裂纹演化与其宏观力学性质的关系。

2　实验过程试验采用中科院环工所冻土工程国家重点实验室的西门子SOMATOM-plus医用螺旋X射线CT扫描仪,扫描分辨率0.35 mm×0.35 mm×1 mm,密度分辨率为水的吸收系数的3‰。岩石样品采自陕西省耀县马栏河引水隧洞围岩,属白垩纪,紫红色粉砂岩,天然容重18·91 kN/m3,含水量为1·63%。试样加工成圆柱体形状,直径50 mm,高度100 mm。首先逐步加围压,在此过程中给少量轴压,尽量保持轴向应变为零,以便保持扫描定位的精度。为观察围压对岩石细观结构的影响,从逐步加围压开始,即试件未受力及围压为0、1、2、3 MPa时进行即时扫描,每次扫描5个横断面,沿高度均匀分布在样品中。围压达到3 MPa后保持围压不变,逐步加轴压,平均加荷速率0·24 MPa/min,直至岩石发生剪切破坏。得到的应力应变关系曲线。

3　试验结果分析
中σa、σl分别表示轴向压力和围压,εa表示轴向应变。表明试件Soft 5应力应变曲线呈“S”型,可以分为压密、线弹性变形、屈服、强度继续上升、突然破坏5个阶段,可看到明显的屈服平台,曲线特点与其内部裂纹演化有密切关系。图2是软弱粉砂岩试样Soft 5的系列CT图像。图中σc表示峰值强度,为14·17 MPa,对应的最大变形εc=16·79×10-3。作为对比试验,同一岩性的软弱粉砂岩试样Soft 4在单轴压缩条件下峰值强度σc=8·48 MPa,εc=8·48×10-3。根据CT物理原理,CT图像灰度大小与相应部位的矿物密度成正比,在图像上表现为高密度区图像亮度大。裂纹在CT图像内表现为线状或环状影像特征,本质上属于低密度带。图2表明岩石试件裂纹产生后,由于围压效应,并不立刻破坏。裂纹能够充分扩展、连通,强度继续上升,虽然仍是脆性破坏,但与Soft 4相比塑性明显增强,这是符合围压对岩石力学性质影响的一般规律的。
根据Soft5 CT图像的变化特点,可将其分为4个阶段:a·　压密阶段　主要体现在加围压阶段。初始扫描的5个断层面CT图像各不相同,反映岩石样品微组构、矿物成分的局部不均匀性。由于岩石在本阶段压密量非常大,以至于从灰度CT图像上即可明显看出随着围压增大,图像亮度增大,岩石5个断面都经历一个明显的压密过程。密度损伤分析表明在围压达到2 MPa时密度基本不再变化。b·　统计均匀演化阶段(σa/σc=0.25~0.81)在本阶段围压(3 MPa)固定不变,逐步加轴压。应力差σa-σl和轴向应变εa均在增加,表明横向变形同时也在增长,但试件各部分密度不再明显变化,处于渐变状态。本质上是细观裂纹呈现随机、统计均匀演化,但这种尺度的细观裂纹CT图像由于分辨率限制难以反映。本阶段岩石宏观应力应变曲线呈现线弹性特点。c·　CT尺度裂纹演化阶段(σa/σc=0.81~1)　σa/σc=0.81时,首先在岩石试件底部(主动加荷端)出现CT尺度裂纹,它是以异常低密度带呈线状分布表现出来的,标志着本阶段的开始。CT尺度裂纹是基于CT设备分辨率水平能够从CT图像中识别的线状或环状影像(宽度一般在10-1mm数量级)。从此,岩石试件处于局部破坏状态,应力应变曲线的响应表现为出现波动,即屈服现象产生。在裂纹影响范围较小时,试件整体强度仍能继续维持,CT尺度裂纹呈现了微曲面,首先在端头萌生,并迅速在水平方向贯通。伴随轴向应力增加,沿与轴向应力方向呈15°方向上扩展,可见,裂纹扩展方向也表现出阶段性特点。CT尺度裂纹的运动学特点在本阶段以张裂为主,未见明显的剪切运动。根据CT尺度裂纹运动特点和岩石在本阶段的宏观应力应变曲线特征,可将CT尺度裂纹演化阶段划分为屈服阶段和应力再上升阶段。在屈服阶段应力比为σa/σc=0.81~0.92,曲线特点表现为平缓,只有少量轴向应力上升,便产生较大轴向应变,这也是软岩易发生蠕变和松驰的应力起始值。对应的CT图像特点为CT裂纹向前扩展(延伸),即应力增量的效果表现为裂纹向前扩展。应力再上升阶段,应力比σa/σc=0.92~1,裂纹向前扩展遇到困难,试件整体强度继续发挥,但变形模量小于线弹性阶段模量,有一部分轴向应变来自CT尺度裂纹的轴向变形,裂纹变形表现为裂纹扩张(加宽)。d·　破坏阶段　应力达到岩石强度峰值,CT尺度裂纹突然贯通,岩石发生剪切破坏,显示脆性。标志是轴向变形突然增大,轴向应力锐减,岩石软化,其原因是破坏面上剪应力超过抗剪强度,沿剪切面发生剪切滑动。

4　结论
a·　X射线CT是观测岩石内部破裂过程的有效方法。基于X射线CT分辨率水平,CT尺度裂纹的演化决定了岩石宏观变形、强度、流变特性。b·　三轴条件下岩石强度峰值附近宏观变形和强度由CT尺度裂纹演化决定。岩石屈服的本质是CT尺度裂纹萌生,而裂纹变形与完整岩石材料变形不一致,这一破坏机理在CT方法之前并无十分明确的直接证据。c·　岩石屈服后,变形模量减小,变形增长,进入稳定的裂纹扩展阶段。裂纹演化表现为扩展与扩张的交替阶段性,应力应变曲线形状均可从CT图像得到解释。岩石破坏方式主要为剪切方式,破坏面来自CT尺度裂纹面。d·　
本文结果表明,裂纹演化是软岩在峰值强度前的主要细观过程。由于裂纹易于变形,因此容易发生蠕变、松驰等流变现象,屈服强度是软岩体稳定的控制强度。

参考文献
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