0   前言

近年来, 损伤力学已发展成为固体力学的一个新的分支, 在复合材料科学、岩土工程等领域得到应用和发展, 并形成岩石力学新的研究热点。人们将材料与结构中微孔隙、微裂纹等微观缺陷的出现和扩展而引起的力学性质逐步劣化称为损伤^[1]。岩石是一种具有初始损伤的各向异性介质, 岩石损伤主要是岩石中微孔隙、微裂纹的萌生和扩展所致。从连续介质力学的观点而言, 岩石损伤是微细结构状态的一种不可逆的演化过程^[2]。实践证明, 岩石宏观断裂破坏与其内部微裂纹的发育聚集即损伤积累有着密切的联系。因此, 研究受荷岩石细观损伤演化特征, 对分析岩石断裂失效先兆、评价工程岩体的稳定性具有重要意义。

1   岩石细观损伤测量的实验

材料的损伤测量分为直接测试和间接测试^[1]。直接测试法是用金相学等观测方法直接测试材料中各种微细观缺陷的分布特征。在实验中, 用15t单轴压力机对岩石分别施加不同载荷值, 然后借助配制有摄影记录仪的XJQ-04金相显微镜(其最大倍率为1000倍)以及160X双目体视显微镜直接观测岩石微缺陷孕育和分布; 岩石试样选用尺寸分别为13mm×36mm×40mm、16mm×37mm×40mm的花岗岩和变质砂岩, 受压截面分别为13mm×36mm、16mm×37mm, 岩石表面经过抛光处理。损伤的间接测试是用光学、声学等方法测量位移场的变化来描述损伤场的分布。根据全息干涉原理, 用双曝光全息干涉法可以测量物体的微小变形^[3]。如果物体内部存在缺陷, 则通过不同的加载方法使存在于物体内部的缺陷表现为物体表面变形, 由此来判断变形的部位和性质。因此, 在研究过程中采用了双曝光(也称两次曝光)全息干涉法实时观测了连续单轴压缩载荷作用下变质砂岩损伤演化过程, 试样尺寸为20mm×40mm×50mm, 岩石受压截面为20mm×40mm; 光源是1m长的20mW氦-氖激光器, 光波波长为632.8nm; 为了获得光的良好干涉效果, 参考光和物光光程差控制在±20mm之内, 物光与参考光光强之比约为1:5;用油压千斤顶加压, 合理控制两次加压的压力差, 由传感器计量压力值。通过全息干板记录岩石变形信息, 然后经显影、定影、成像、制成干涉条纹图。

2   实验结果分析

2.1   岩石初始细观损伤特征

岩石是多种矿物颗粒的集合体, 不同成因的岩石由于其地质作用的差异导致初始细观特征的不同。花岗岩试样为肉红色, 粒状结构, 晶粒粒径大小不一, 块状构造, 其初始损伤明显, 主要表现为晶粒界面裂纹以及各种微裂纹。变质砂岩呈黑灰色, 变余砂粒结构, 晶粒粒径小, 其初始损伤程度明显弱于花岗岩, 初始微缺陷仅表现为颗粒间的连接薄弱面和极少量的微裂纹。

2.2   岩石微裂纹萌生及其扩展

在加载初期, 岩石的初始微缺陷受力后闭合, 矿物颗粒间紧密接触, 这可以从岩石的双曝光全息干涉条纹图得到证实, 此时的干涉条纹完整连续, 走向稳定, 无分区现象, 只是条纹间距大小不一, 说明岩石产生不均匀变形但无缺陷传播。由于矿物组成、颗粒粒径的不同, 各矿物对力和波的传递速率及自身变形是不同的。当外力增加时, 紧密镶嵌的矿物之间必然相互牵动, 产生错动和滑移, 形成微裂纹。此时微裂纹呈无序分布状态, 并且主要是沿晶粒界面或初始缺陷部位萌生, 也有穿晶而过的, 见图 1(a) 所示。岩石破坏试验也表明, 岩石微观断裂破坏形貌特征普遍反映出沿晶、穿晶以及两者耦合断裂特征。此阶段岩石的损伤来源于大量的微裂纹。随着载荷的进一步增加, 微裂纹沿着岩石弱面稳定扩展, 裂纹长度和宽度逐渐增大, 岩石损伤加重。扩展裂纹端部局部张应力和剪应力的存在, 导致岩石内部出现局部高拉应力, 由于岩石的抗拉强度很低, 在微裂纹群中迅速衍生出一条或多条主裂纹, 主裂纹与外力作用方向近于平行或小角度相交。显然, 微裂纹的进一步演化汇合成有序的主裂纹控制着岩石的损伤断裂, 而主裂纹的形成又受到岩石初始损伤的诱导、限制和制约。根据实验观测, 对于初始损伤明显的花岗岩岩样, 其主裂纹形成过程中发育有许多次一级的分叉裂纹, 裂纹分布具有网络型分形特征, 岩石损伤变量大, 最终岩石沿轴向呈碎裂状断裂, 见图 1(b)所示。而初始损伤程度弱的变质砂岩岩样的裂纹分叉程度也较弱, 呈定向型分形分布, 岩石在沿轴向劈裂的同时存在一主破裂面贯穿整个岩样, 如图 2(a)所示。由脆性材料微观断裂力学机制的分析可知, 岩石微裂纹是由于微观局部受拉造成的, 主裂纹的形成除其贯通前的部分压剪机制外, 更多地是与局部拉应力集中所导致的张拉机制有关, 主裂纹形成后对岩石的剪切位移具有重要的意义。根据细观损伤力学理论, 岩石微裂纹起裂后, 在其尖端周围存在一个稳定扩展的过程区(发生连续的损伤), 损伤到一定程度将在某一方向上发生损伤的局部化, 裂纹将沿着损伤局部化的方向向前扩展贯通, 裂纹面的凹凸不平是由于岩石组成的不均匀导致裂纹扩展方向的暂时偏转。

图  1  岩石裂纹分布细观图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  变质砂岩双曝光全息干涉条纹图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   岩石应力应变曲线与损伤演化的关系

在考虑连续损伤应力应变关系下, 裂纹端部可根据损伤的程度不同分为3个区域:无损区、连续损伤区、损伤局部化带^[4]。微裂纹扩展区是指经过加载后发生扩展的所有微裂纹在取向空间中所占的范围, 由一个区域或多个区域的并集组成, 用此概念可以更准确地描述岩石的损伤状态。在追踪岩石的损伤演化过程中, 通过分析单轴受压变质砂岩变形断裂全过程的双曝光全息干涉条纹图得出:随着应力应变的增加, 岩石的特征干涉条纹出现规律性分区变化特征, 岩石损伤分区明显。由图 2可以看出, 干涉条纹呈两区分布, 右侧无损区条纹连续可辨、走向稳定, 而在左上侧的微裂纹扩展区内, 条纹畸变、走向偏折、间距密集甚至难以分辨。图 2(b)中不同走向条纹相交处形成损伤局部化带即裂纹扩展方向。图 3为变质砂岩应力应变关系曲线与微裂纹扩展区演化对应关系图, 图中曲线显示出岩石变形的非线性特征, 随着应力的增加, 岩石经由初始压密阶段转入非线性损伤阶段, 从曲线点号与分区图号对应关系可以看出, 微裂纹的扩展及其相互耦合作用使得扩展区自左上角的3条微裂纹(如图 3中的1所示)开始向右下角扩展延伸, 扩展区逐渐增大见图 3中1~8点所示。点4、6、7对应的微裂纹扩展区出现局部损伤化带, 并且自点4起, 随着应力的增加应变增幅明显加大。因此, 裂纹的汇合贯通对岩石损伤以及非线性变形有着显著地影响。当应力增至52.7MPa时, 岩样断裂破坏。

图  3  变质砂岩应力应变与损伤演化关系

1.微裂纹; 2~8.微裂纹扩展区逐渐增大

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3   结论

(1) 采用显微观测法和双曝光全息干涉法测量了单轴压力作用下岩石损伤演化过程, 得出变质砂岩应力应变曲线与损伤演化的关系。岩石的损伤演化实际上是岩石中微孔隙、微裂纹成核和扩展过程即微裂纹扩展区的演化。由于岩石组成、结构的不均匀性导致微裂纹首先沿晶界和初始缺陷部位萌生, 岩石的非线性损伤程度随微裂纹的扩展及其相互耦合作用而加剧, 出现局部损伤化带, 形成主裂纹。此外, 裂纹的分形分布特征受岩石组成、结构及初始损伤的影响。裂纹的汇合贯通在制约岩石损伤演化的同时也显著地影响着岩石的非线性变形。

(2) 单轴受压岩石的最终断裂大多数是沿轴向的劈裂, 或同时存在贯穿岩样的主破裂面, 其破裂机制是以张拉破坏为主, 局部剪切破坏。