单轴压缩下脆性岩石损伤破坏能量演化规律试验研究.pdf

书书书 工程地质学报 （）刘冬桥，郭允朋，李杰宇，等 单轴压缩下脆性岩石损伤破坏能量演化规律试验研究 工程地质学报，（）：，（）：单轴压缩下脆性岩石损伤破坏能量演化规律试验研究刘冬桥郭允朋李杰宇凌凯葛嘉诚（中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 ，中国）（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 ，中国）摘要脆性对岩石破裂模式及损伤演化过程具有重要影响。本文对采自某铁路隧道群的 种不同岩性的脆性岩石开展单轴压缩试验，在分析其应力 应变过程、破坏模式和能量演化特征的基础上，综合考量峰前弹性能积聚率、峰后能量耗散程度及耗散速率，建立一种基于岩石应力 应变曲线全过程的脆性指数计算方法，进一步基于能量耗散表征损伤变量，分析了脆性岩石损伤演化过程，并探讨了从损伤演化角度建立脆性评价指标的可行性和合理性。结果表明：（）试验所采用的 种不同岩性岩石应力 应变曲线峰后段均表现出不同程度的脆性跌落现象。（）基于本文建立的脆性指标对 种岩石进行脆性定量评价和比较，脆性程度由大到小依次为：辉长岩、变质砂岩、石英片岩、粗粒花岗岩、板岩、大理岩。（）单轴压缩条件下，基于能量耗散表征的脆性岩石损伤演化过程整体呈“”型发展趋势，可分为初始损伤、损伤保持、损伤稳定发展、损伤加速发展以及损伤减缓至终止 个阶段，能够很好地反映岩石内部微裂纹压密闭合、萌生发育、扩展贯通直至宏观破坏的整个过程。关键词单轴压缩；脆性指数；能量；损伤演化中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（资助号：，）（，）第一（通讯）作者简介：刘冬桥（），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事岩石力学理论及工程方面的科研与教学工作 ：（，（），）（，（），），：（）（），（）“”，：，；引言岩石在复杂地质力学条件下损伤破坏实际上是由于能量在不断积聚、传递、交换等驱动其内部微裂纹孕育萌生、扩展与贯通的一种渐进性状态失稳现象（，；张超等，），而能量的耗散过程恰好代表并反映了岩石内部损伤程度和裂纹发展的演化规律（陈子全等，）。因此，从能量耗散角度分析受荷岩石损伤演化过程及破坏机理能够更深刻地揭示其复杂破裂过程，这对于实际岩体工程安全稳定性预测与评价具有重要的理论指导意义。目前，学者们开展了大量室内单、三轴或循环加卸载试验，研究各类型岩石在不同外界条件影响下的力学特性和能量演化特征（，），如饱水作用（柳万里等，）、温湿循环作用（叶四桥等，）、加载速率（李树刚等，）、层理倾角作用（陈子全等，）等。在充分认识不同试验条件下岩石能量演化特征的基础上，学者们又对岩石脆性评价和损伤演化进行了深入研究，并取得丰富的研究成果。在岩石脆性评价指标方面，大量学者从能量演化角度给出了各自的评价方法。张军等（）结合峰前耗散能和峰后断裂能建立了能够反映岩石破坏前 后 力 学 特 征 的 脆 性 评 价 指 数。陈 国 庆 等（）综合考虑岩石峰前弹性能的积聚特性和峰后弹性能的释放特性，建立一种基于弹性能演化全过程的岩石脆性评价指标。（）提出的脆性指标考虑了峰值强度前的弹性应变能和耗散能以及峰后应力降的影响。（）对泥岩、砂岩等共 种不同岩性试样开展单、三轴压缩试验，基于能量耗散演化提出损伤系数，并建立新的脆性评价指标。从能量角度建立考虑岩石试验过程中能量演化的脆性指标，能够更准确地反映岩石的脆性破坏程度。在岩石损伤演化特征方面，众多学者从弹性模量、声发射特征参数、能量耗散等不同角度揭示岩石损伤劣化过程。温韬（）对龙马溪组页岩开展单三轴试验，研究页岩能量演化规律、损伤演化规律和脆性特征，发现能量耗散与岩石损伤具有正相关性，基于能量耗散的损伤演化规律符合“”型曲线特征。熊绍真等（）考虑岩溶化裂隙岩体的初始损伤，发现初始损伤的存在对裂隙岩体也具有明显的劣化作用。潘永亮等（）对三峡库区侏罗系泥质粉砂岩进行不同水压力状态下三轴压缩声发射试验，基于声发射振铃计数建立了水致初始损伤的损伤演化方程。研究表明，岩石损伤演化过程均可大致分为初始损伤、损伤开始、损伤加速及损伤变缓等阶段，这与岩石应力 应变过程相对应。由上述文献调研分析发现，针对岩石在不同条件下能量演化规律、脆性评价及损伤劣化过程已取得丰硕成果，但将岩石脆性特征与其损伤演化过程建立联系少有报道。因此，从损伤角度探讨岩石脆性或建立脆性评价指标对丰富岩石脆性评价体系具有重要理论意义。本文以取自某铁路隧道群的 种不同岩性试样为研究对象，开展室内单轴压缩试验，分析其应力应变过程、破坏模式及能量演化特征，综合考量峰前弹性能积聚率、峰后能量耗散程度及耗散速率，建立一种基于岩石应力 应变曲线全过程的脆性指数计算方法，进一步引入耗散能表征的损伤变量，分析脆性岩石单轴压缩过程中损伤演化规律，并探讨损伤与脆性之间的联系。岩样制备与试验方案 岩样制备按照国际岩石力学学会建议方法及岩石力学试样规范（，），将取自某铁路隧道群的 种不同岩性的脆性岩石，分别为辉长岩、变质砂岩、石英片岩、粗粒花岗岩、板岩及大理岩，制作成高 工程地质学报 度 、直径 的标准圆柱体试样，利用砂轮机将岩样两端面仔细研磨进行抛光处理，确保试样端面平行度和轴线与端面的垂直度控制在 以内，将制备好的试样放置在室温环境下自然风干两周以上。使用 非金属超声检测仪测试岩样纵向波速，并在每组样品中挑选出离散性较小的试样用来进行后续试验，如 图 所示。图 试验岩样 辉长岩；变质砂岩；石英片岩；粗粒花岗岩；板岩；大理岩 试验方案采用中国矿业大学（北京）深部国家重实验室自主研发的深部岩石非线性力学试验系统开展单轴压缩测试，该系统主要包括试验主机、液压源和伺服控制器 个部分（图 ），可施加最大轴向力为 。本次试验采用轴向位移控制加载，加载速率为 ，沿轴向施加荷载的同时，设备自动记录并实时显示试验曲线，加载直至试样最终破坏后停止试验。图 试验系统 试验结果与分析 单轴压缩试验结果图 为单轴加载下 种脆性岩石应力 应变曲线。由于试验机刚度难以达到绝对刚性，因此难以获得强脆性岩石峰后完整变形曲线。图 种不同岩性岩石的应力 应变曲线 由图 可知，不同岩性试样曲线在加载初期均表现出明显的非线性下凹状，随荷载增加曲线逐渐变为直线或近似直线，石英片岩、板岩、大理岩均出现应力略微突降又重新回升现象，除大理岩外，其余试样峰前塑性变形阶段均不明显，当荷载超过峰值强度时，不同试样曲线表现出程度各异脆性跌落特征，辉长岩和板岩峰值强度较高，且辉长岩峰后应力跌落程度及跌落速率明显大于其他试样；石英片岩和变质砂岩峰前应力 应变曲线基本重合，后者峰值点强度和应变值略高于前者，两者峰前应力上升速率明显高于粗粒花岗岩试验结果，但三者峰后曲线斜率相近，表现出较强的脆性特征；大理岩峰值强度最低，约为 ，峰后变形过程较长，同时表现出应力跌落和应力回升调整现象，其脆性程度最低。对试验曲线进行定性分析可知，辉长岩、变质砂岩、石英片岩、粗粒花岗岩及板岩峰后阶段均表现出陡落型特征，而大理岩表现为逐步跌落特征。单轴压缩下 种岩样破坏形态如图 所示。辉长岩和粗粒花岗岩破坏时存在较大块体弹射现象，且前者破裂程度最为剧烈，试样被剪切断裂成两部分，碎块较大，弹射距离较远，并伴随爆炸式声响，而后者碎块弹射力度较低，破坏时声响较沉闷。变质砂岩、石英片岩和大理岩表现出复合型劈裂剪切破坏模式，试样表面产生 条以上主要的贯通裂纹，且主裂纹附近亦产生多条二次裂纹。板岩表面产生多条沿板劈理方向的贯通型劈裂裂纹，表现为典型的张拉破坏。能量演化过程岩石在外荷载作用过程中伴随着能量输入、积聚、耗散与释放，试验装置通过施加轴向荷载进行能 （）刘冬桥等：单轴压缩下脆性岩石损伤破坏能量演化规律试验研究图 单轴压缩条件下 种岩样的破坏特征 辉长岩；变质砂岩；石英片岩；粗粒花岗岩；板岩；大理岩量输入，岩石以弹性应变能形式持续存储能量，并在初始裂纹压密、塑性变形、裂隙发育扩展和峰后应变软化过程中动态地耗散和释放能量。其中：弹性应变能在特定条件下具有可逆性，而耗散能在任何条件下都是单向不可逆的。单轴压缩下岩石内部能量计算过程如下（谢和平等，）：（）（）（）（）式中：、分别为岩石总吸收能量、储存弹性应变能和耗散释放能量（）；、分别为轴向应力和轴向应变；为弹性模量。根据式（）、式（）和式（）计算得到 种不同岩性岩石单轴压缩过程中的能量演化过程，如图 所示。可以看出，弹性应变能演化过程与应力 应变曲线类似，总吸收能量和耗散能演化曲线总体呈“”型增加。结合其应力 应变曲线，可将能量演化过程大致分为 个阶段：（）原生微裂隙压密闭合阶段：试验机施加荷载做功输入的能量一部分以弹性能形式储存起来，但由于岩样内部原生缺陷或裂隙之间的压密闭合及固体颗粒摩擦作用，导致一部分能量被消耗释放，因此耗散能曲线表现出缓慢增加的趋势。（）线弹性变形阶段：总能量演化曲线与弹性能演化曲线几乎保持同步状态持续增加，而耗散能演化曲线近乎处于同一水平状态下保持不变，表明此阶段岩石吸收的能量以弹性应变能形式储存，原因是该阶段几乎没有新微裂纹产生或原生裂纹扩展，因此几乎没有能量的释放和耗散。（）微裂隙不稳定扩展阶段：随轴向应变增加，弹性能演化曲线与总能量演化曲线不再保持同步发展状态，弹性能演化曲线不再呈线性方式持续发展，其曲线斜率开始有所减小，而耗散能演化曲线也不再保持平稳发展状态，其曲线斜率开始逐渐增大，且所占比重也逐渐增加，这是由于新的微裂纹逐渐萌生、扩展并交汇贯通以及裂纹间摩擦作用增多，消耗了更多的能量。由于辉长岩、变质砂岩、粗粒花岗岩和板岩塑性变形不明显，因此耗散能曲线依旧继续平稳发展。（）峰后破坏阶段：弹性应变能演化曲线发生转折并急速下降，耗散能曲线急速上升，这是由于外界荷载超过峰值应力后岩石突然发生脆性破坏，内部大量微裂纹相互连接贯通形成宏观裂缝，弹性应变能被大量急剧地释放。表 为不同岩性岩石峰值强度处对应的各能量值。岩石达到峰值强度时储存的弹性应变能量值与外力做功总输入能量的比值称为峰值储能系数，由表可知，种不同岩性岩石中，辉长岩和变质砂岩峰值储能系数最高，对应其破裂程度及峰后能量释放程度最为剧烈，脆性程度最强；大理岩峰值储能系数最低，其破坏后依旧保持较完整状态，峰后能量释放速率较其余试样缓慢，脆性程度最弱。脆性评价脆性是岩石重要力学性质之一，是指在外力作用下发生很小变形就突然破坏并丧失承载力的性质，定量评价岩石脆性程度为预测深埋高地应力隧道岩爆发生及判断岩爆倾向性提供了重要参考依据。迄今为止，国内外学者针对各种工程实践借助不同研究方法和手段建立了近百种岩石脆性评价指标，主要手段包括基于岩石强度参数、变形参数、矿物组成成分、应力 应变曲线形态、能量演化过程等。为评价分析 种试验岩样的脆性程度，借助 种具有代表性的脆性评价指标进行描述分析，见表。各指标详细构建过程及物理意义可参考原文。本节在分析岩石变形破坏过程中能量演化特征的基础上，综合考量峰前弹性能积聚率、峰后能量耗散程度及耗散速率，建立一种基于岩石应力 应变曲线全过程的脆性指数计算方法。对于均质完整、硬度高的岩块来说，其初始非线性变形不明显，受载后即进入弹性变形阶段，初始微裂纹压密闭合耗散的能量可以忽略不计。然而工程实践中经历各种扰 工程地质学报 图 岩石变形破坏过程中能量变化曲线 辉长岩；变质砂岩；石英片岩；粗粒花岗岩；板岩；大理岩表 不同岩性岩石峰值储能系数 岩样类型总吸收能 弹性应变能 耗散能 辉长岩 变质砂岩 石英片岩 粗粒花岗岩 板岩 大理岩 动作用后的岩体内部或多或少会含有微裂纹、微裂隙等初始损伤，从而引起岩石受压变形过程中的裂纹闭合效应（彭俊等，）。（）引表 种代表性脆性评价指标 文献来源计算公式周辉等（）（）夏英杰等（）（）（）陈国庆等（）()入裂纹闭合能来评价岩石内部初始微裂纹损伤程度，即微裂纹压密闭合所耗散的能量，即 图 中 表示的面积。笔者认为，在借助应力 应变曲线建立脆性指标时应舍去岩石初始压密阶段产生的非线性变形和裂纹闭合摩擦作用耗散的能量，当初 （）刘冬桥等：单轴压缩下脆性岩石损伤破坏能量演化规律试验研究图 岩石峰前脆性指标确定