花岗岩受压宏-细观破坏特征及能量演化规律_马文强.pdf

：文章编号：（）花岗岩受压宏细观破坏特征及能量演化规律马文强，王酒婷（信阳师范学院 建筑与土木工程学院，河南 信阳 ）摘要：为揭示花岗岩单向受压时的破坏特征及能量演化规律，首先，通过偏光显微镜观察分析了花岗岩的矿物成分、含量及颗粒形貌；其次，开展了花岗岩的室内单轴压缩及巴西劈裂试验，得到了相关应力应变曲线及力学参数；然后分别从宏细观角度分析了花岗岩单轴压缩的破坏特征，并借助场发射扫描电子显微镜观察了破坏断口的形貌特征；最后，基于能量理论分析了花岗岩在单轴压缩过程中的能量演化特征。结果表明，花岗岩属于典型的非均质脆性岩石，其单轴压缩应力应变曲线几乎没有屈服阶段，弹性阶段应力达到峰值后瞬间爆裂，且无残余强度；花岗岩单轴压缩破坏机制为剪、拉耦合破坏，且二者空间分布位置不同；花岗岩在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能，这是孕育岩爆的根本原因，而花岗岩单轴压缩过程中能量的演化不存在减速损伤阶段和残余损伤阶段，这是导致岩爆产生的主要原因。关键词：花岗岩；岩爆；破坏特征；能量演化中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，（），：；引言自然界的岩石多为非均质脆性材料，成岩矿物颗粒的成分、尺寸在空间上具有非均匀性，这种非均匀性导致岩石的物理力学特性具有宏观不连续性，其破裂机制也与均匀材料大为不同。传统的岩石力学理论建立在均匀模型的基础上，而面对细观非均匀岩石在破坏过程中所表现出来的特殊力学响应，均匀模型并不能给出较为满意的解释。此外，在深部地下工程中，高应力作用下的非均质脆收稿日期：；修订日期：；通信联系人，：基金项目：国家自然科学基金项目（）；河南省科技计划项目（，）；信阳师范学院“南湖学者”奖励计划青年项目；信阳师范学院研究生创新基金项目（）作者简介：马文强（），男，河南渑池人，副教授，博士，主要从事岩石力学及隧洞围岩控制方面的研究。信阳师范学院学报（自然科学版）第 卷第期 年月 岩也有较大的岩爆发生率，而岩爆是岩石内部能量积聚和释放的结果。因此，研究非均质脆岩受压过程中的宏细观破坏特征及能量演化规律更具有实际意义。目前对非均质脆岩力学特性、裂纹扩展及能量演化的研究主要以数值模拟和室内试验为主。通过数值方法来模拟非均质脆岩的破裂过程一直是岩石力学中的热点之一。因为数值模拟可以再现岩石在整个破坏过程中的裂纹起裂、扩展、贯通及分布，为从细观角度研究非均质脆岩破裂机制提供了优越条件。建立非均质脆岩数值模型的方法主要有以下几种：应用 分布函数，实现离散元或有限元数值模型中块体（球体）颗粒或单元力学参数的非均匀分布，模拟非均质岩石材料；应用离散元软件（以 和 为主）建立 模型，根据矿物组成及含量随机生成非均质模型；根据矿物组成及含量，借助离散元软件通过颗粒成簇算法随机生成非均质岩石材料；基于数字图像处理技术，将非均质岩石图像转化为数字矩阵，并导入数值软件，建立具有真实细观结构的非均质岩石材料。国内外学者应用这种方法已建立了多种非均质岩石材料数值模型，开展了各种条件下的岩石破裂模拟工作，取得了丰硕的成果。但目前的建模方法仍存在不同程度的缺陷，比如方法、并未建立真实细观层面上的非均质模型，而方法仅能建立二维层面的非均质模型，这与实验室内的岩石材料在空间上并不匹配。因此，数值方法得到的非均质脆岩细观破裂特征方面的结果，无法从真实意义上揭示其破坏机制，只能对室内实验结果起到辅助解释和验证的作用。大量的室内试验结果表明，非均质脆性岩石的力学参数、破坏机制和能量演化与众多影响因素有关，包括尺寸效应、脆性指标、围压 和应力路径 等。除了这些外在因素，真正决定非均质脆岩力学特性及破坏过程的内在因素是其自身的矿物组成和微观结构。因为非均质脆岩的破坏往往起始于矿物颗粒内部或之间微裂纹的出现，微裂纹的不断扩展和贯通最终形成宏观断裂面。因此，需从细观角度出发对破裂前后非均质脆岩的矿物组分及微观结构开展研究。偏光显微镜、激光扫描显微镜和扫描电子显微镜也逐渐被用来发现和鉴定 非 均 质 岩 石 的 矿 物 组 成、含 量 及 细 观 形貌，。但如何将观察到的细观成分像及形貌像与非均质脆岩的宏观破裂面及破坏形态联系起来，从宏细观角度揭示岩石的破坏机制，仍是值得探索和研究的课题。此外，一切材料的破坏都可从能量演化的角度进行分析和解释，高压下的脆性岩石易出现爆裂现象，这是其内部能量积聚并瞬间释放的表现，这与软岩及其他延性材料是不同的，因此，研究非均质脆岩受压过程中能量的演化规律对揭示其岩爆的孕育和发生具有重要意义。本文以花岗岩（非均质脆岩）为例，拟通过偏光显微镜观察确定其矿物颗粒的形貌、成分及含量；其次通过室内单轴及巴西劈裂试验得到花岗岩的应力应变曲线及力学参数，然后借助场发射扫描电子显微镜从宏细观角度分析花岗岩的破坏特征及机制；最后分析压缩过程中花岗岩的能量演化特征，揭示非均质脆岩发生岩爆的能量驱动机制。花岗岩矿物组分及微观结构微观试验样品制备为开展微观试验，将取来的岩石样品切割打磨成薄片标本并编号（见图）。标本肉眼观察呈灰白肉红色，花 岗 结 构（半 自 形 粒 状 结 构），块 状构造。图花岗岩显微薄片 矿物成分及含量微观鉴定试验岩样为中粗粒黑云母二长花岗岩，取自山东日照。本 试 验 应 用 徕 卡 偏 光 显 微 镜（型 号：）对制备的花岗岩薄片样本进行观察鉴定。薄片中岩石具花岗结构（半自形粒状结构，见 图），块 状 构 造。主 要 矿 物 成 分 为 石 英（）、钾长石（）、斜长石（）、黑云母（）等。其中，石英含量约为 ，半自形粒状，粒径在 之间。钾长石含量约为，半自形粒状，粒径 不等，呈淡褐红色。斜长石含量约，半自形粒状，粒径多 不等。黑云母含量约，多呈鳞片状，多数粒径。花岗岩薄片标本在显微镜下的照片见图。马文强，王酒婷 花岗岩受压宏细观破坏特征及能量演化规律图正交偏光显微薄片图 花岗岩基础力学试验岩样制备大块的岩样取回后经过切割打磨，制备出 的长方体花岗岩试件和 的圆盘试件（见图），试件两端面的不平整度小于。图加工完成的花岗岩试件 单轴压缩试验试验 采 用 微 机 控 制 电 液 伺 服 万 能 试 验 机（）对加工后的花岗岩试件进行单轴压缩试验。为获取试验过程中试件的动态裂纹扩展及破坏情况，采用高清数码摄像机配合补光灯进行全程录像。单轴压缩的应力应变曲线见图。各个试件的单轴抗压强度和弹性模量见表（表中 和分别代表单轴抗压强度和弹性模量），所选用花岗岩试件的 均值为 ，均值为 。巴西劈裂试验巴西劈裂的力位移曲线见图，抗拉强度参数见表（表中 代表巴西劈裂抗拉强度），所选用花岗岩试件的 均值为 ，压拉比为。图单轴压缩应力应变曲线 表花岗岩力学参数 试件编号 试件编号 均值 均值 图巴西劈裂力位移曲线 花岗岩单轴压缩宏细观破坏特征花岗岩单轴压缩宏观破坏特征由图可知，花岗岩单轴压缩条件下的应力应变曲线可分为个阶段：第阶段是原始裂隙压密阶段，随着应变的增加应力增速逐渐提高；第阶段是线弹性变形阶段，应力随应变匀速升高，在此阶段后期试件表面局部开始掉渣（碎屑和小碎块），接近应力峰值时试件发出“噼啪”声，是试件局部微裂纹贯通形成宏观裂纹的现象；第阶段是峰后破第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月坏阶段，应力达到峰值点后试件发出更加密集、更大的“噼啪”声，试件表面有片状岩块鼓出、剥离随后可听到“砰”的脆响，试件瞬间炸裂，产生浑浊气浪并伴有破碎岩块弹出（见图），应力瞬间跌至。本试验中的花岗岩样品几乎没有屈服阶段，弹性阶段应力达到峰值后瞬间破坏，试件破坏后没有残余强度。图花岗岩试件爆裂瞬间产生的浑浊气浪及碎块弹射 花岗岩的宏观破坏形态见图，为 状共轭斜面剪切破坏模式（锥形破坏），其破坏机制为剪拉破坏。试件与承压板接触的上下两个锥形区域受压应力，产生剪切破坏，主要表现为斜面剪切滑移，产生大量岩石碎屑及粉末（见图）；其他区域（试件四周）则受拉应力，产生拉破坏，主要表现为试件侧表面横向鼓出和剥离。图花岗岩试件单轴压缩破坏形态 图剪切破坏面上产生的碎屑及粉末 花岗岩单轴压缩细观破坏特征为从细观层面观察分析花岗岩试件的破裂机制，对破坏后的试件碎块进行了电镜扫描，碎块取自试件的宏观剪断面及拉裂鼓出部分，扫描后的图像见图及图。图宏观剪断面上的破裂断口形貌扫描图像 图 宏观拉裂面上的破裂断口形貌扫描图像 图所示为宏观剪断面上的微观扫描图像，可知剪切面断口相对平整，有微小的解理状起伏，有剪切滑移擦痕，局部台阶状的剪裂纹处存在挤压剪碎带，整个断面上布满了剪切滑移摩擦出现的岩屑及粉末，呈现出典型的剪断面特征。而图 所示拉裂断口表面则有较大的台阶状起伏，为沿解理面的拉破坏，断口相对光滑，无岩屑及粉末附着，是典型的拉断断口特征。花岗岩单轴压缩能量演化特征在热力学中，物体受载后其形状、大小的改变均可看作是能量积聚与转化的过程，此过程中当材料达到强度极限或产生较大变形时，材料失稳破坏。岩石受压变形破坏的实质也是能量积聚、转化和释放的一个过程。因此，可以通过岩石受压过程中能量的转化和耗散原理来分析岩石的损伤破坏机制。马文强，王酒婷 花岗岩受压宏细观破坏特征及能量演化规律岩石受压能量积聚及耗散理论岩石受压变形破坏的过程中主要包括种能量转化形式：即岩石吸收的总能量、岩石内部积聚的能量、岩石变形破坏过程中耗散的能量。花岗岩变形破坏过程中，试件与外界不断地进行能量交换，试验系统不断向试样输入能量，由能量的耗散与释放原理可知，输入的能量一部分转化为弹性应变能储存在花岗岩试样内部，一部分转化为耗散能造成岩石的损伤。整个过程中，能量的耗散造成岩石的损伤，使岩石抵抗破坏的能力降低，岩石内部弹性应变能的不断积聚，加速花岗岩试样的破坏，最终使岩石试样强度降低，导致岩石破坏。根据热力学第一定律可认为试验系统输入的总能量全部转化为岩石内部的弹性应变能和损伤耗散能，见式（）。，（）其中：为外界输入岩石的总能量，为岩石内部积聚的弹性应变能，为岩石变形破坏过程中的耗散能。以上所列的能量指标均指岩石单位体积内的能量（能量密度），单位均为。岩石受压变形破裂过程中弹性应变能与损伤耗散能的关系见图。图 受压岩石弹性应变能与耗散能的关系 根据弹性力学的解，在主应力空间中，岩石单元中的总能量和弹性应变能的表达式见式（）和式（）。，（），（）其中：为轴向应力，和为横向应力，为轴向应变，和为横向应变。根据式（）及广义胡克定理，可将弹性应变能的表达式简化为式（）。（），（）其中：和分别是岩石材料的泊松比和卸荷弹性模量，为便于计算，可用初始弹性模量（应力应变曲线直线段的斜率）代替卸荷弹性模量。对于单轴压缩试验，和均为，式（）可进一步简化为。（）岩石单元中的总能量的计算可通过微积分来计算，采用微小矩形面积求和，具体计算方法见式（）。（）（），（）其中：和分别对应岩石单轴压缩应力应变曲线上某点的轴向应力值和轴向应变值；和分别对应单轴压缩应力应变曲线上下一点的轴向应力值和轴向应变值。根据式（），压缩过程中岩石的损伤耗散能可表示为。（）花岗岩试件单轴压缩能量演化特征节已获得了花岗岩单轴压缩的应力应变曲线及相关试验数据。为进一步探讨花岗岩试件单轴压缩过程中的能量演化规律，以获得的试验数据为基础，通过式（）（）分别计算得到花岗岩试件变形破坏过程中的总能量、弹性应变能及损伤耗散能的演化曲线，见图。图 花岗岩试件单轴压缩能量演化曲线 第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月由图 可知，在花岗岩试件单轴压缩过程中，试件中的总能量、弹性应变能及耗散能呈现出不同的变化规律，其中总能量在试件破坏前一直增大，前期呈非线性（上凹）增大，后期近似直线增大并在试件残余强度降至时趋于稳定。弹性应变能峰前变化特征与应力应变曲线峰前部分及总能量变化趋势基本一致，当试件中储存的弹性应变能达到极限后，试件的破裂引起弹性应变能的急速释放，故弹性应变能峰后段与应力曲线峰后段类似，陡降至。花岗岩单轴压缩过程中耗散能先后呈现出非线性增大、平稳或小幅减小、急速增大个阶段。岩石试件在压缩过程中内部原生微裂纹（微孔隙）的压密、次生微裂纹的出现、扩展及贯通和宏观裂纹的出现必然消耗从外界吸入的总能量，这部分能量以耗散能的形式在试件压缩过程中转化和释放，不同的阶段耗散能呈现不同的变化特征，故可用耗散能的变化特征来表征岩石在压缩过程中的损伤程度，依据耗散能的变化规律，可将花岗岩单轴压缩过程中的损伤演化分为个阶段。（）初始损伤期（段），耗散能随着岩石试件轴向变形的增加呈线性增长，这主要是由于岩石内部原生的微孔隙及微裂纹在轴向压力作用下挤压闭合所引起的。总能量和弹性应变能随变形增加呈非线性（上凹型）增长，且在该阶段内耗散能始终大于弹性应变能。当岩石内部原生微孔隙及微裂纹完全闭合后，耗散能趋于稳定而弹性应变能快速积聚，弹性应变能和耗散能曲线出现第一个交点（二者能量值首次相等），此后花岗岩试件进入损伤平静期。故可将弹性应变能与耗散能曲线的第一个相交点 作为初始损伤期和稳定损伤平静期的分界点。（）损伤平静期（段），当弹性应变能与耗散能曲线首次相交后，花岗岩试件进入损伤平静期。该阶段内岩石内部的原生裂隙及孔隙已完全闭合，总能量和弹性应变能呈直线性增加，且增加速率不断增大；而耗散能曲线在该阶段保持平稳或有小幅下降，基本没有新的耗散能产生，耗散能曲线呈水平状，其斜率（增长速率）趋近于。故该阶段内能量的演化以弹性应变能的积聚为主，耗散能几乎没有新的增长。该阶段后期，耗散能曲线出现突变，由平稳趋势突变为急增，同时弹性应变能在突变点达到峰值，点后耗散能开始剧增，而弹性应变能急速释放，因此可将该拐点 作为损伤平静期和损伤加速期的分界点。（）损伤加速期（段），耗散能曲线经过突变点（应力应变曲线和弹性应变能曲线峰值点）时，岩石已达到破坏强度，内部积聚的弹性应变能也达到极限。此后，随着变形的增加，弹性应变能急剧释放转化为岩石裂纹扩展贯通及形成新的破裂面所耗散的能量，岩石进入损伤加速期，耗散能剧增而弹性应变能突减，二者曲线再次出现交点。该阶段内岩样先出现局部掉渣、发出噼啪声；随后噼啪声增大，有片状碎块鼓出；最后砰的一声脆响，岩块瞬间炸裂，小碎块及岩屑向外飞溅，试件完全破坏。该阶段内总能量继续增大直到岩石峰后残余强度跌至（点）后趋于稳定，同时弹性应变能全部释放，减小到，而耗散能增加到最大值（与总能量峰值相等）。花岗岩单轴压缩过程中具有极高的储能极限，岩石在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能，并在强度极限后瞬间释放，积聚的弹性应变能以极快的速度转化为岩石爆裂所需的表面能和弹射动能，爆裂瞬间发出“砰”的声响，并产生浑浊气浪，是典型脆性岩石岩爆的伴生现象。结论（）宏细观角度下花岗岩具有典型的非均质性，主要表现在矿物成分、矿物颗粒形状及大小的非均匀分布。本试验中的花岗岩的单轴压缩应力应变曲线几乎没有屈服阶段，弹性阶段应力达到峰值后瞬间爆裂，伴有浑浊气浪及碎块弹射现象，峰后没有残余强度，在工程中具有岩爆倾向性。（）宏观视角下花岗岩单轴压缩呈状共轭斜面剪切破坏模式（锥形破坏），其破坏机制为剪拉耦合破坏。其中拉破坏分布在试件四周，表现为试件侧面横向鼓出和剥离；剪破坏分布在试件上下两个锥形区，表现为斜面剪切滑移，产生大量岩石碎屑及粉末。细观视角下剪切面断口相对平整，有剪切滑移擦痕，断面上布满岩屑及粉末；而拉裂断口表面则有较大的台阶状起伏，为沿解理面的拉破坏，断口相对光滑，无岩屑及粉末附着。（）花岗岩单轴压缩过程中具有极高的储能极限，在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能，这是孕育岩爆的根本原因。此外，花岗岩单轴压缩过程中量的演化不存在减速损伤阶段和残余损伤阶段，这是导致岩爆产生的主要原因。压缩过程中积聚的大量弹性应变能在加速损伤阶段瞬间释放，以极快的速度转化为岩石爆裂所需的表面能和弹马文强，王酒婷 花岗岩受压宏细观破坏特征及能量演化规律射动能，试件爆裂瞬间发出“砰”的声响，并产生浑浊气浪，是典型的脆性岩石岩爆现象。参考文献：，（）：，（），：马文强，王振慧均质度对脆岩压缩破坏及裂纹扩展的影响规律信阳师范学院学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：赵菲，王洪建，何满潮，等不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征岩土力学，（）：，（）：曹洋兵，陈玉华，黄真萍，等不同含水率条件下花岗岩脆性特征评价指标研究工程地质学报，（）：，（）：，：，（）：陈炳瑞，魏凡博，王睿，等 西南地区某深埋隧道花岗岩破坏机制与前兆特征研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：刘黎旺，李海波，李晓锋，等 基于矿物晶体模型非均质岩石单轴压缩力学特性研究 岩土工程学报，（）：，（）：责任编辑：郭红建第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月