（岩土工程专业论文）岩石ct尺度小裂纹扩展与渗流特性研究.pdf

摘要 _ _ _ - _ _ 墨_ _ 一i | 皇奠_ _ - 岩石c t 尺度小裂纹扩展与渗流特性研究 专业：岩土工程 作者：曹广祝 指导教师：仵彦卿教授 篓锦 签名； 辱a 摘要 岩石渗流与应力相互作用研究是岩土工程界、尤其是岩石力学学科研究的热点问 题，而岩石渗流与应力相互作用研究的两个难点问题是：受力岩石的起裂与扩展过程、 破裂过程中渗流与应力关系在固家自然科学基金项目“三轴条件下冻融岩石损伤 过程的c t 三维实时观测( 1 0 1 7 2 0 7 1 ) ”的资助下，运用岩石高压三轴加载装置和自 行设计的实时渗透压加载装置，对砂岩进行渗流与应力试验，并借助s o m a t o mp l u s 螺旋c t 扫描机进行实时观测，获得了一定量的实验数据。本文重点对不同应力条件 下砂岩的小裂纹起裂与扩展过程、破裂模型以及破裂过程中渗漉与应力关系进行研 究获得了如下重要结论： 1 ) 单轴压缩条件下砂岩几乎完全是弹脆性变形；三轴加渗透水压力条件下砂岩 主要以塑性变形为主，而只有三轴加载条件时的变形破坏介于以上两者之间。 2 ) 从c t 数差值图像中的方差值与应力关系曲线可以直观地看出：岩石小裂纹 的起裂门槛值因岩石强度差异而不同，即：软砂岩样小裂纹扩展的门槛值为岩石强 度的5 5 ，小裂纹的扩展强度占整个强度的7 3 硬砂岩小裂纹扩展的门槛值为岩石 强度的6 4 。5 ，小裂纹的疲劳强度占整个强度的7 9 ；在加载的初期岩石中小裂纹的 扩展速率缓慢增大。在小裂纹扩展的门槛值出现之前快速下降。小裂纹扩展的门槛 值出现之后又快速增加最后当裂纹长度达到一定值时与长裂纹扩展速率基本一致。 3 ) 依据砂岩渗流与应力试验结果分析，提出了基于c t 数的岩石空隙率公式； 分析了岩石小裂纹扩展过程中空隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率 等的变化规律结果发现：岩石的渗透参数的变化与岩石受力损伤一破裂过程密切相 关，在压密阶段，岩石的空隙率、渗透遗度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随 应力增大面减小 当岩石内部出现小裂纹后，岩石的空隙率、渗透速度、渗流速度、 西安理工大学博士学位论文 微孔隙直径、渗透率等随应力增大而增大，从宏观应力应变关系看，徽裂纹出现到 宏观破坏出现前岩石还处于弹性变形阶段l 当岩石宏观破坏时，岩石的空隙率、 渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等达到最大值。从渗流的减小到最低值 可以反映出岩石中裂纹( 即空隙) 扩展的应力门槛值，砂岩在围压为4 1 4 p a 、渗透压 为3 9 m p a 条件下的应力门槛值为9 3 m p a ( 小裂纹起裂时的应力) ，占岩石峰值强度 的4 1 5 也就是说，在岩石强度的4 5 时，岩石内部就有小裂纹出现，小裂纹的逐渐 扩展，导致岩石最终宏观破坏。没有渗透压条件下砂岩的小裂纹起裂时的应力占岩 石峰值强度的5 5 以上。这说明渗透水压力作用加速了岩石内部裂纹的出现与扩展。 岩石的渗透参数随渗透压力的增加而增大，渗透参数随渗透压力的变化呈对数 关系，这是由于渗透水压力使岩石内部空隙发生变形，这一变形为弹性变形。这一 现象从宏观尺度难以看出，这是因为宏观尺度上内部空隙微小变化被忽略了。而细 观尺度能报清楚地反应出这些微小的变化；同时发现渗流速度与渗透水压力呈线性 关系，符合宏观尺度渗流的达西定律。 4 ) 通过对砂岩内部破裂过程的理论分析，提出了压缩应力状态下砂岩内部裂纹 尖端应力场的分布模式，并结合c t 试验获得的小裂纹扩展规律。建立了岩石内部 裂纹的扩展破裂模型。岩石裂纹的扩展与岩石的空隙率的变化密切相关。空隙率越 大，分支裂纹就越长，分支裂纹越长裂纹就更加容易扩展破坏，符合断裂力学分 析中裂纹长度门槛值理论。在c t 分析条件下，用提出的裂纹扩展模型对裂纹进行 分析与前人建立的相关模型有几个明显的优势，不用测量岩石的断裂强度因子。也 不用求岩石的表面能数据。因而是一个非常有实际应用价值的岩石破裂模型。 关键词x 射线c t ，三轴试验，小裂纹起裂与扩展，破裂模型，溶流，应力应变 a b s t r a c t e x p e r i m e n t o nm i c r o f r a c t u r e si n i t i a t i o n a n d p r o p a g a t i o na n ds e e p a g ep r o p e r t i e s o fs a n d s t o n e s a m p l e sb yu s i n gx r a ys c a n s p e c i a l s q 灯t c d m i c a le 玎豇嘴i i n g c a n d i d a t e ：c a oa u a n g z h u s u p e r v i s o r ：w u y a n q i n g s i g n a t u r e - 眵铷学纵 山严氏 t i l e 蛔蛔氍由噼0 f 懈m d s m 答s 缸a 庀h y o b l 目璐i n 群啦h 迅e s l 】e d a l l y i nr o c k m l l a m 蓝t t 精e 辨t w od i m d d t 印d b 妇璐i nt h e 枷盥饕豳璐：t h e0 c 叫玎瞅越l d 珥呷昭芦衄o f n i m m a c m mhb 函瞰t u ：k ；a n dt h el 咄吐mo f 孵a n t is t r e s si nt h ec r a c k 珥嘲暖t o o k s l 韵倒b y 她瑚蝴m a 粗驼盥翳涮p 瓣碰w i 盘虹d e v i 淄面曲衄m l d 妇删 c t a n d t t a l t 妇b 啦m 笛l l 妇删鸳孵m 瞄岫与吐譬o t l m i m e m o n s 唧呼a n ds t r m s o f m c k h a s b o r n v 蝌k e d o u t r e t 6 s m m 剁蜩矗b k 曲l 埘垤b 蝴曲曲咀b y 觚d 咖慨甲叮j 碱艘h d a s o m e 缸甲删r e m l 虹a b o u tt h e 瞳删舱a n df 呷啦雕h 毽o fm i c t o f r a ：m 瞄i ns a n ds t o n e l l d 叮碰蠡豫t 曲嘟删孵m t m k m , a n dc r o c kr i 删a n d 恤r e l a t i o no f 孵a n dm e s s m 慨倒吐弘o 岛醒i 佻k t 瞄嘴慨1 w 啊i 西d 伽t 缸如i 虹譬 1 t i 譬d f ym m t m m sa a d 【i sb t i t t ku n d e ru n i s 瑚翻盯聊略西v cc o i t i o n w h e nt h e m 印蜘c o n d i t i o n s 蛳s e e p a g ep t m s 峨a n d 研岫lo o m l m 嫡v e , t h e 诎i sl t , x 崩t y w i t h 试岫i 嫡帕印e 鼹w 甜n 吐鹫e p a g 牟葛峨i t s c 瞌c k p a 啦m 毡b e m e 出e 州op 刁船啦a b a v 厶 z t w o 咖鹤o fs m d s t o h a v e 嘲ls c a n n e db y “峨s p i i a l c t q 蜘w i t h 嗡 托8 0 l i 垴m i m d 阿珊珂蒯a x 瑚x 曩；s i 鹎o o u d i t i m f r o m t h e t m m m m a n d a r 咖i s o f c t k n , a 蝇i t c a n b e 铷嘎酬吐i 缸t h ev m i , m m so ft h ed i 岱颦a fc t 泌鞠豁h a v e ；c l o s et e l a t l o m 讹虹 嗍曩鳓g 脯0 f 疵曲鼬啦脚t h e 曲轴矾酗嘞t h i s 椭a n d s t r e s s e s , i t b ei n d i c a t e d 蕊缸如i 概f i r s t l y , 岫t h r e s h o l dv a l u eo fr 疵r o f t a o m m 率呷叼芦堍i n 鲫鲥蜘 锄b 巴诤恻酶h 醴锄妇，t h e o o u u n e t t m 谢栅睡咖i s i n5 5 o f t h e p e e k s t t m $ t h , m l d 吐埒w 砧k 肛呷昭岫g 锄理啦1 0 f m 妇耐触珊嚣遗a b o m 7 3 暖凼e w 址m 弭留d 曲哪o f r e c k f o r t h e h 趣由鼬n d 她恤锄加瓣o f m k t o f m c a 煅a 豫缸6 4 5 o f t h e p 瞄k m e n g 氏a n d 出e w 蛔k 掣叩鸭p 豳g 姗曰| h 面m b n f h 血埘皓菌矗b 0 i 吐7 9 西血e w 略k m 印e 商他 s m m g t h o f m c k 硼b 曲t 印叩鸭叫唱l 螂a f 删b 磕翟嫡蛔缸l ，d s 蛔瞻c 弧b e f m m d 岫晦 b 她蛐啦豳萨q 耻嫡吗t h e 脚掣眦r a t e 瞳d 咖慨l i 罄h n 口s e s w y s l o w l y w i t h t h ei n c 嘲s e 硝伽棚乒嚣豳nw h e nt h e 衄弭瞄醯咂h n e a s e sb y 埘b e f l n 她e l t e s h 砌硼l h t so f m i a 删晒曲m 喀“臻舶l 嗨t h ep m p e g a t 迦t r e eo fm 蛔d t 咖嚣i sd e c l i n er a # d 1 3 la f t e rt h e 删口嘶錾啦跚嗽t h e 乒d p 唱岫唱r a t eo fm i a o f t a c e n 船i n c r e a s e st m t f lt h e 眦暇礴o f n 蛆。圊击暑匝憾 西安理工大学博士学位论文 3 b yn l y 出gt h et t s u l t so ft h i s 。中目矗i 鞠1 t h ep o , 鼬yf o m l d ao f r o c kr e p r e s e n t e db yc t m m 出盯w 罄印d 删i n 脚s c a l e b a s e d 0 1 1 t h e p 0 i 嘶向咖l a ，w e w o r l 刮o u t t h e t x 脚i t y , t h e r e a l f l o w i 疵i np o l 邺i d 氐t h e , p e c 趣m d m i 黔p , = 1 1 c , b n i 哼a n d t h ed i a m e t e r s o f 删四岬i n t h e 口s 瞄o f 蛐a n ds 啦t l no fr o c k t h er 敷t l t ss h o w e d 也耻l h ed 删唔h 坞r u l e so fs e e p a 辞 p a 例艘鳃l 啪d 划y 碥山醴b 妊弘鼬略醒出雌蝴a 篮垃罂缸t o o k a t t l 篱f i ms t a g e ( f f r o c k m p 曙曲w i l h 她如印葛o f a x l a l mp l i 露；i 0 i l ，岫p c 嘞t h er o l lf l o wl 撒hp o r o u s f 睡k t h e 单e d 石c d b 哪昂p m r m l ) d i t y a n d t h e d 妇m 幢堪0 f m b 0 1 p o 把妯f o c k 概1 s t a g e i s i n d o s e dp o l o u s l d 盯c o m p t l 画o , a t t e r t h e a m i o f 脚i c 帕丘雒咖o f f l o c ks a m p 】e , t h e m 1 0 s i t y , t h e 嘲lt l o wi 啦i np o r o u s 帕氐t h e 印e d 6 cd i l 嵴o w n m b i l i t ya n dt h ed i a r r l e l e t so f 删a 十p o 陀i r n 髓、融曲喀罄n d a n t o f a 蜮缸m p l 罄s i m l a 嘲渤g 惦吐l e 陀i a d h 翱艘l s 旺e 鹫 a n d 曲咖o fr o c k 缸n 瑚口d 辅a kt h ed e f o m l a f i o l lo f 岫l o c ki sd 疵b e f o l et h e ( i q ：l l t r e n o f 删o f r o c k i n t h i s 嘲t h e m _ 瞬d f h 血曲萼嘲a t 吐l e 嘲g e o f e i 碰c 出如m 幽 0 f d 【a n d l e s n e 罄醴蛐向四曲翟n i 吨o c p 蛔4 5 o f p e a k 髓j 蛐o f f b e i o c ka t d 呛p o i n t o fm 扯m 曲m l 鸭t h e 坤嘞妇r e a lt t o wr a t e 如p o r o u s 出t h e 印e 疏d i 蛔辑p e m m b i l i t y a n d 吐l e 击m m 妇s o f m i a 伽p o m n ：a d l t h e 汹v a l u e s b a s e d t h e 珥嗍如m 咄 w o r k e d o t l t n 世p c 峨t h er e a l f l o w l a t e 如p o r o u s f d 咄t h e 印e d 五cd i 箕崦弭硼蛐a r , dt h ed i a m e t e l so fm i a 廿p o i nt h ei m x ：e s s e so fi n c r e a s i n g e p a 簪p l 髑t n e t kl e 翻1 l t ss t a o w e dt h a tt h ep a m m 瞰so f 孵i n c r e a s ew i t ht h ea s c e n d a n to f s e e l g ep t e s s l m “蟹舶l e l a t i m a s m p 筠锄b e t w e e n 船p a r a m e t e r s o f s e e p a g ea n d 孵 l ：n s s u r e t h ei e m 妇t h ei o g a r i 山mn ! l a l j o l li st h a tt h ed a 或i cd e f o r m a t i o ni sh a p p e n e d t h e m k a o - l x 北s i nr o d 【l 曲3 e 孵瞄吼豫t h c l e l a 曲nb e 懈i t h e 印醯c 删i 瑚碧e a n d s e e p a 薛 p r s u r e i s l i n e a r a n d t a l l y w i t h t h e d s z e y l a w 4 i n t e g r a t e dt h et h e o r e t i c a la n a l y z i n go ft h ef r a e t u r i n gp r o c e s si ns a r t d y s t o n ea n dt h e d e d u c e ds t l e $ d i s t r i b u t i o nm o d e li nt h et i p7 0 n eo fm i c r o f r a c t u r eu n d e rc o m p r e s s i v e c o n d i t i o n ，t h em o d e lo ft h ep r o p a g a t i o no fm i c r o f r a c t u r ea n df a i l u r ew i t h r o c ki s p r e s e n t e d b ya n a l y z i n gt h em o d e l w ec a nf i n dt h a tt h cp r o p a g a t i o no ff r a c t u r i n gi s c l o s e l yr e l a t e dt ot h ee h a n g l n go fp o r o s i t y i ft h ep o r o s i t yi sb i g g e r , t h eo f f s e tf r a c t u r ei n t h et i p o fo r i g i n a lf r a e t u r ei sl o t a g e ra n dt h co f f s e tf a a e t t t r e sw i l lp r o p a g a t ee a s i e r t h ep r o p a g a t i n gr u l ef r o mt h er c s e a r e l ai st a l l yw i t ht h ee x i s t i n gt h e o r i e so ff r a c t u r e w i t h t h en l e a n $ o fc t , n l o l ta d v a n t a g e so fu s i n gt h i sm o d e la 坤t h a no t h e re x i s t i n gm o d e i s w l t hu s i n gt l a cm o d e l , t h es 讹n g t l af a c t o ro ff r a c t u r ea a dt h es u f f a e oe n e r g ya f en o t n e c e s s a r yf o re a l c u l a t h l gt h em o d e l k 印w 删式x - r a yc et r i a x i a l m 印蜘t e s t , m i a d l - 璃曲】憋i n 2 2 _ , ) l a t i 馐l 划牟呷吨a 豳l l ，f r a c t 曲g m o d d , s p e g e ；s t n m - d a m 岩石c t 尺度小裂纹扩展与渗流特性研究 e x p e r i m e n to nm i c r o f r a c t r u e si n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o na n d s e e p a g ep r o p e r t i e so fs a n d s t o n es a m p l e sb yu s i n gx - r a ys c a n b yc a og u a n g z h u ( 曹广祝) 本论文获国家自然科学基金资助( 批准号：1 0 1 7 2 0 7 1 ) s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 1 0 1 7 2 0 7 1 ) s u p e r v i s o r ：w uy a n q i n g ( 仵彦卿) 签名( s i g n a t u r e ) ： 二0 0 四年1 0 月 西安理工大学 x i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 独创性申明 秉承祖嘲优良道德传统和学校的严谨学风郑霞申明：本人所旱交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果尽我所知， 除特别期l 以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人n 勺研究成果一与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已往论文中作r 明确的 说明并已致谢。 本沦文及其相哭资料苫有不实之处，由本人承担一切桕关责侄 论文作者签名磊骣j j 媸d 月；日 保护知识产权申明 本人完全了解两安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理j = 大学所仃。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为i l e 安理工大 学，无论何时十地术经学校许可决不转移或扩散与之棚关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原什或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上中明同样适用) 论文作者签名纽导师签名：输叩n 月6 r 1 绪论 1 绪论 当前面对一系列复杂地质条件下岩石高边坡、深基坑、大跨度地下洞 室、大型水工隧洞等工程岩体变形量和稳定性评价问题，一方面在理论上 提出地质工程的新概念，强调地质体作为一种建筑材料和结构的重要性【l 捌； 另一方蔼发现采用数值方法模拟各种工程荷载作用下岩体变形、破坏动态 过程时，必须采用不同的本构关系。因为岩石单轴压缩、单轴拉伸、常规 三轴、剪切、卸荷、孀变条件下变形和破坏过程的细观机理差别很大。这 些不同的破坏过程对岩石的力学性质的影响是很大的，囡而解抉这些问题 的关键是：要对在不同加载条件下岩石的内部的破裂过程进行研究。 1 1 岩石内部小裂纹扩展过程的研究意义 二十一世纪对于我国来说，是一个建设飞速发展的世纪，各种各样的 工程项目都在建设当中，这其中有许多工程涉及到裂隙岩体的问题，许多 复杂的裂隙网络都形成于非常特殊的地质条件下的，使得其力学性质具有 极强的非均质性和各向异性：有些地下工程的埋深很大，有着很高的地应 力，而且这些高地应力的分布也很复杂，导致了岩体产生各种不同的变形 和破坏。岩体在不同受力条件下发生的不同的变形和破坏对地质工程的影 响是显而易见的。然而当前对这些岩体发生变形破坏时其内部的变化过程 和变化机理并没有弄清楚，一般普遍的看法认为：岩体之所以发生变形破 坏的主要原因是岩体内部的原始小裂纹和微缺陷在各种不同的应力的作用 下发生了一系列的积累性变化而导致最后的质变( 断裂破坏) ，但对原始小裂 纹发展成破坏性贯穿裂纹的过程以及扩展机理不能完整地进行解释。尤其 是对岩石与水压力共同作用下岩石内部裂纹的扩展过程之间的联系更是当 前的研究热点之一。因而用c t 方法对岩石内部小裂纹的破坏过程及破坏机 理进行研究以及对不同条件下岩石中小裂纹的扩展过程和机理进行研究对 所有与岩石有关的地质工程具有非常重要的意义， 长期以来，人们对岩石的研究主要集中在岩石宏观性质等方面的研究， 长期以来。人们对岩石的研究主要集中在岩石宏观性质等方面的研究， 西安理工大学博士学位论文 对岩石微观变化机理的研究由于受到信息探测手段的限制而不能真正地结 合岩石内部变化的实际来进行，很多研究都带有一定的假定和理想化的模 式，然而在真正的天然岩体中这些假定和理想化的模式是不存在的，因而 其研究结果都不能真正地反应岩石作为天然材料的变化特性。对岩石在不 同压力状态下内部的变化情况不能很好地进行描述分析和正确地判断，对 小裂纹在不同受力条件下以及与水相互作用下的扩展过程和扩展机理都没 有得出规律性的结论，因而这方面存在着有待研究的问题。对这些问题进 行研究，从理论和实践上都有着重大的意义。然而由于受到试验手段和研 究方法的局限，对岩石内部裂纹扩展过程的研究一直以来都是岩石力学中 的难点和热点问题。c t 技术是一门新兴的研究岩石力学的实验技术，其在 岩石无损探测以及实时探测岩石在不同受载条件下内部裂纹的变化状况有 着不可比拟的优点。运用c t 观测方法，对岩石内部裂纹的变化扩展过程进 行研究分析，并得出规律性成果将对岩石力学的其他领域也具有重要的基 础性意义。 岩石内部小裂纹扩展过程的研究意义：1 ) 岩体工程，如地下工程、核 废料和垃圾深埋处置工程、水利工程、矿山工程、公路工程以及铁路工程 等，人类工程的稳定性研究，需要研究岩石内部破裂过程，为工程设计施 工提供重要的技术基础；2 ) 地质灾害，如滑坡、崩塌、地震的发生机理与 防治对策研究，需要分析天然地应力作用下岩石内部裂纹起裂和扩展规律： 3 ) 地热和油藏开发工程，为增加地下流体的储存空间和渗透性，需要人工 爆破致裂，要研究岩石内部破裂规律。天然岩石在各种应力作用下的内部 破裂过程难以观测，而室内岩石c t 试验，可以实时观测到岩石裂纹的起裂、 裂纹扩展过程，为揭示滑坡、地震和工程破坏发生机理，提供重要的理论 基础。 1 2 岩石破裂过程的研究现状 岩石不但是经历了漫长的地质构造作用的记忆地球介质，也是由多种 2 l 绪论 矿物晶粒、胶结物及孔隙组成的复杂的混合体，除了存在裂纹、裂沟、断 裂面、节理和断层等缺陷，也存在孔隙和孔穴等缺陷。另外，从岩石本身 细观结构讲也存在许多缺陷，如在花岗岩中，黑云母与其它石英、长石等 晶粒的边界经常出现孔状的裂隙。可见这些空隙的存在是岩石材料本身固 有的结构特点，这些天然缺点使真实岩石结构呈现非连续、非均匀、各向 异性和非弹性等特征，h u d s o n 3 1 将这种材料叫做d i a n e 材料( d i s c o n t i n u o u s i n h o m o g e n c o u s ，a n i s o t r o p i c ，a n d n o te l a s t i c ) 。岩石的力学行为在结构和时间 上呈现不连续性、不确定性、不规则性和复杂的流变体等特征。 导致岩石的不稳定主要原因之一就是因为岩石发生了破坏，岩石无论 发生剪切( s h e a rb a n d ) 的局部破坏还是整体破坏，其造成破坏的根源就是岩 石材料中包含有各种尺度不同的缺陷。这些缺陷不论大小，尺度都能使材 料的强度降低，从而导致材料弱化。由裂纹、孔洞等缺陷导致的岩石破坏 通常伴随着新微裂纹的萌生、扩展、相互汇合贯通和相互作用【4 6 】。 对岩石材料的研究有很多的指导理论和方法，针对不同的目的和要求 对岩石的性能研究又有很多不同的手段和侧重点。但基本上来说，对岩石 的研究都集中在对岩石材料的宏观性质研究上，其中有很多是对岩体的稳 定性要求上进行研究，如对岩石单轴压缩、单轴拉伸、常规三轴、剪切、 卸荷、蠕变条件下的性质研究进行得非常多，而且在应用上也比较成熟。 用数值方法对岩石进行模拟研究也比较多，但绝大多数的模拟研究的依据 都是以常规的实验数据为基础的。在此基础上，有很多学者根据不同的目 的要求提出了很多不同的模拟模型。如数值模型，损伤模型等。对于岩石 的破裂的模拟目前的研究还不是很成熟，然而许多岩体工程的致命点就是 在其破裂产生的时候。尽管岩石的破裂是由于损伤积累而造成的，但损伤 模型很难反映出损伤最终导致的危害，造成了设计上的保守和工程建设的 大量浪费a 因而研究套科学合理的岩石破坏模型对实际工程的建设有着 重要的理论指导和应用价值。反映岩石中裂纹和孔洞缺陷，及各种不同尺 度缺陷引起的裂纹的相互作用对岩石宏观力学行为、岩石或岩体峰值强度 西安理工大学博士学位论文 的影响，一直是当今岩石力学研究的难点和热点。解决这些复杂的问题， 国内外学者用不同的材料、不同的方法、从不同角度做了大量的互补性的 研究工作。针对岩石破裂研究的侧重不同，分两个部分对岩石破裂的国内 外研究做一综述，首先对岩体裂隙有关方面的应用研究作一些论述。 1 2 1 裂隙渗流场与应力场 裂隙地下水渗流场与裂隙围岩应力场之间有着相互联系、相互影响， 产生耦合作用。前人从不同的方面对岩体与水流之间的关系进行了研究， 其中考虑裂隙含水介质渗透的非均质性和各向异性。以及裂隙地下水渗流 场与岩体应力场耦合作用进行研究的历史并不很长。国内对该研究的进行 起始于二十世纪8 0 年代，该领域的研究主要有仵彦卿【7 l 、杨立中【8 】、胡伏 生等【9 】学者对裂隙地下水的分布、裂隙含水介质渗透张量的理论及应用，以 及边坡中裂隙地下水水位预测等方面进行了深入研究。 裂隙岩体从成生及地质历史发展过程来说，处于一定的应力环境之中， 即具有特定的应力场分布；另一方面，储存并运移于其中的地下水的存在， 又使得裂隙岩体存在于一定的地下水渗流场环境之中。对隧道裂隙岩体中 所存在的渗流场与应力场之间的相互影响可以称为耦合作用，其主要表现 在以下两方面：a 、当裂隙岩体中有渗流发生( 存在渗流场) 时，地下水渗流 在裂隙岩体中引起的渗流作用力( 包括静水压力和动水压力) 将改变岩体中 原始存在的应力状态( 即裂隙岩体赋存的应力场环境) ：b 、裂隙岩体中应力 状态的改变，又将影响岩体结构，进而改变裂隙岩体的渗透性能，表现为 裂隙岩体中地下水渗流场的改变。以上两方面的相互作用是通过裂隙岩体 的渗透性能及其改变而联系起来的，当有渗流发生时，这两种作用将通过 反复耦合而达到一种动态稳定状态。 裂踪岩体渗流场与应力场耦舍的研究冒际上起始于上世纪6 0 年代后 期，主要是考虑了应力场的改变对裂隙岩体渗流特性的影响作用，并得出 了一系列表述岩体渗透系数k 随法向正应力。发生变化的经验关系式。 s n o w ( 1 9 6 5 ) 1 1 0 1 通过试验得出一组平行裂隙在应力作用下的k 值表达 l 绪论 式： 巧= 砰+ k ( 2 6 ) 2 s p c r o ) j 式中，足：为盯= o 0 时的渗透系数( i r l ) ；j 0 为裂隙面法向刚度：b 为 裂隙隙宽皿) ；s 为裂隙隙间距a l ) 。 l o u i s ( 1 9 7 4 ) i l l l 根据某坝址钻孔抽水试验资料分析，提出了渗透系数k f 与有效正应力0 的经验关系式： k ，= 鬈；e x p ( - 口口) 式中，k ：为o = o 时的渗透系数( u 1 ) ，a 为待定系数。 此外，g a n g i ( 1 9 7 8 ) ，w a l s ha n dg r o s e n b a u g h ( 1 9 7 9 ) ，w i t h e r s p o o ne ta 1 ( 1 9 8 0 ) ，w a l s h ( 1 9 8 1 ) ，t s a n ga n dw i t h e r s p o o n ( 1 9 8 1 ) ，r a v e na n dg a l e ( 1 9 8 5 ) ， b r o w na n ds c h o l z ( 1 9 8 5 ) ，b r o w n ( 1 9 8 7 ) ，p y r a k - n 6 1 t ea n dc o o k ( 1 9 8 8 ) ，a n d c o o k ( 1 9 8 8 ) 等人也研究了正应力与裂隙岩体渗透性之间的关系 1 2 - 2 1 】。近年 来相关方面的研究主要有o t s s o n ( 1 9 9 2 ) ，o l s s o na n db r o w n ( 1 9 9 3 ) ，n ga n d s m a l l ( 1 9 9 7 ) ，o r o na n db e r k o w i t z ( 1 9 9 8 ) ，p o w e ra n dd u r h a m ( 1 9 9 7 ) , n i c h o l le t a 1 ( 1 9 9 9 ) ，y e oe ta 1 ( 1 9 9 8 ) ，i n d r a r a t n ae ta 1 ( 1 9 9 9 ) ，p y r a k - n o l t ea n dm o r r i s ( 2 0 0 0 ) ，a n do l s s o na n d b a r t o n ( 2 0 0 1 ) 2 2 - 3 1 以上正应力与裂隙岩体渗透性关系的研究反映了裂隙岩体中渗流场与 应力场耦合作用研究的发展过程。此间，美国学者n o o r i s h a d ( 1 9 8 2 ) 对应力 场与渗流场耦合作用概念的正式提1 3 2 1 ，使这一领域的研究得以深入。之 后，o d a ( 1 9 8 6 ) t 3 3 1 应用统计分析方法由裂隙几何张量来统一表述岩体渗流与 变形之间的关系。n o l t e 3 4 】用与裂隙压缩量有关的指数公式表述裂隙渗流与 应力之间的关系。n b a r t o n 等【3 5 】( 1 9 8 5 ) 在综合研究裂隙力学性质模型( 包括 法向闭合模型和剪切扩容模型) 的基础上。提出了有效应力与裂隙变形及岩 体渗透率之间的耦合关系，其中有：乱正应力一闭合度一渗透率的耦合关系； b 剪应力扩容渗透率的耦合关系。o l s s o n ( 1 9 9 3 ) 2 3 1 把旋转剪切试验与 几何径向流结合起来，通过试验研究，得到了噩缩剪切条件下岩体裂隙的 法向变形与裂隙中的流体流速同为剪切位移量的函数。 5 西安理工大学博士学位论文 上世纪8 0 年代中期，刘继山( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 3 6 , 3 7 1 通过对单条裂隙和正交裂 隙受正应力作用的渗流规律进行了试验研究，得出了相应的渗透系数与正 应力关系表达式。同时，在总结前入资料的基础上，提出了对各向异性裂 隙岩体，可假定应力主方向与渗透主方向一致，每个主渗透系数单独受其 它两个方向上的主应力影响，即： 耻乱南+ 南j ，l 彳一 1 如2 互【丽+ 丽j 弘乱南+ 南j 式中，a 、n 、t 为试验参数，取决于岩石类型。 李世平( 1 9 9 4 ) 3 8 】通过对对砂岩全应力应变过程中渗透率变化规律的大 规模系统试验研究，得到了岩石渗透系数与全应力应变过程的函数关系式。 伍法权( 1 9 9 3 ) t 3 明应用统计岩体力学研究方法，分别给出了单条裂隙及裂隙网 络中任一条裂隙在不同法向应力和埋深条件下的隙宽变化关系式，并以自 重应力场为例，建立了岩体渗透张量随深度变化的负指数关系式。仵彦卿 ( 1 9 9 5 ) 1 4 0 l 在系统总结国内外有关渗流场与应力场耦合研究成果基础上，通过 试验研究，分别给出了单条裂隙受压应力、剪应力及剪应力与压应力合力 作用时地下水的渗流计算式。 在渗流场与应力场耦合作用的研究中，由于渗流场对应力场的影响作 用是一个非线性高度复杂的动态过程，具体表现为地下水运动的非稳定性， 导致其所引起的作用于裂隙岩体的静水压力和动水压力极为复杂；同时地 下水对裂隙岩体的化学溶蚀、机械破坏是一个长期的缓慢过程，从而这一 方面的研究还处于一个很低的水平。我国学者对此做了一定的工作，许学 汉( 1 9 9 1 ) t 4 1 在煤矿突水预报研究中，对地下水渗流引起地质结构面扩展的作 用机制进行了较为详尽的研究探讨，得出了有益的结果。赵阳升等( 1 9 9 9 ) 1 绪论 对三维应力作用下岩石裂缝渗流物性规律进行了实验研究，他认为s n o w 和 j o n e s 的渗流物性规律公式仅反映一维应力的作用，不能反映三维应力的影 响，并在实验基础上反映了三维应力和空隙压作用的岩石裂缝渗流物性规 律的方程 1 2 2 裂隙岩体渗流场与岩石应力损伤的关系 裂隙岩体水力学的发展大致可以分为3 个阶段：( 1 ) 不考虑渗流场和应 力场之间的相互作用； ( 2 ) 考虑两场之间的耦合作用，但不考虑裂隙的损 伤演化行为对岩体渗透性及力学特性的影响；( 3 ) 裂隙岩体渗流场与损伤场 耦舍问题的研究。裂隙岩体在开挖卸荷作用下，原有裂隙产生损伤扩展连 通，其作用除降低岩体的整体强度、增大变形外，还有可能形成新的渗流 裂隙网络，显著改变渗流场，从而改变岩体的压力场。这种渗透与岩体损 伤的相互作用是互为关联的，称之为裂隙岩体渗流场与损伤场之间的耦台 效应。这种耦合效应对于岩土工程，特别是高边坡及隧道工程而言，是造 成失稳的重要因素。从国内外发展现状来看，裂隙岩体水力学模型的研究 目前主要处于第2 阶段，并取得了一系列成果 4 2 , 4 4 ：而渗流场和损伤场的 耦合问题研究则刚刚起步【4 5 - 4 6 】。郑少河等在已有研究成果的基础上，深 入研究了拉剪、压剪等复杂应力状态下裂隙岩体渗流场与损伤场的相互作 用机理及耦合机制，建立了两场的耦合分析模型。 1 2 3 渗透水压力与裂隙扩展关系 岩石的力学性质与渗流关系非常密切，自然界岩石中的应力场与渗流 场总是同时存在的。对于渗透压力对岩石变形破坏的影响的研究最初起于 h u b b e r t 和w i l l i s 在1 9 5 7 年首次提出的水压致裂技术1 4 引，并提出了水压致使井 壁发生破裂的最小压力公式为：pr = 3 0 r 2 一盯l + t ，其中p r 为最小致裂水 压力；q 、c r 2 分别为最大、最小主应力：丁为岩石的抗拉强度。此后，水 压致裂技术在很多方面得到了应用。为了使储油砂岩中的渗流通道能很好 地贯通，水压致裂技术在油气开采工程中应用广泛，其目的主要是尽可能 提高岩石的渗透性能，在低渗透岩层中产生更多的裂缝，从而提高油气田 西安理工大学博士学位论文 l _ ii 黑_ 置_ 的回采率和地热的开发效益【4 叭。1 9 8 1 年，黄荣搏对渗透压力对裂缝的起裂 和扩展进行了研究【5 0 l ，陈治喜等( 1 9 9 7 ) 5 1 】通过对岩样破裂面和声发射曲线 的分析，对水力压裂过程中岩石破裂的有关机理进行了探讨，在对c l i f t o n 等 5 2 1 提出的受内压厚壁空心圆柱形岩样测定断裂韧性的方法进行改进的基础 上测试了岩石断裂韧度。刘允芳( 1 9 9 1 ，1 9 9 8 ) t 5 3 , 5 4 1 应用水压致裂法对三维地应 力的测量进行了研究。水压致裂技术近年来被引进到环境保护领域，李方 全等( 1 9 9 3 ) s s 描述了水压致裂方法在核废料场地评价中的应用；t r u b ye t a 1 ( 1 9 9 4 ) 、l i ( 1 9 9 5 ) 1 5 6 , 5 7 1 提出用水压致裂方法将地下深部夹杂在低渗透性岩 层中间的软弱岩体中产生很多裂纹系，这些裂纹系可形成巨大的地下储存 库，可将地表一些污染的废物储存至其中，从而减轻地表的污染压力。 由于渗透水压力对岩石破坏的影响难以直接观测，因而有许多研究者用 不同的方法对这一现象进行了研究。李应平( 1 9 9 6 ) 【5 引通过分析微震的时空分 布变化来分析水压致裂的破坏过程。1 9 8 5 年，n i i t s u m ae ta 1 【5 9 1 用声发射方法 对水压致裂过程进行了监测研究。吴景浓( 1 9 8 6 ) i 】在室内通过三轴试验对岩 石的水压致裂过程进行了研究。冷雪峰，杨天鸿，唐春安等1 4 9 , 6 1 , 6 2 谰数值试验 及数值模拟方法对水压致裂过程进行了深入的研究，取得了有益的成果。但 y a l edp 等哪l 认为在研究水压致裂模型中流动和变形的相互关系时，不考虑 损伤对渗透率的影响将导致一定程度的计算误差。 对砂岩在渗透水压力作用下其内部细观变化过程进行观测，结合不同渗 流状态下流量的变化，定量地研究砂岩内部空隙率及渗透率随渗透水压力 的变化规律具有重要的意义。 1 2 4 裂纹缺陷的研究 在加载或卸载作用下岩石的破裂与失稳，通常是由于岩石中预先存在 的缺陷造成的。裂纹的萌生、扩展直至最后的贯通是这类脆性材料破坏的 主要表现形式人们对裂纹缺陷的研究是从单裂纹模型开始的，最早从理 论和实验方面开始研究的是c n i f f i t h ，他在1 9 2 1 年就提出了从单裂纹扩展导 致材料破坏的条件，并且从能量的角度出发得出了物体强度与材料性质及 1 绪论 裂纹长度之间的表达式( 州。之后到6 0 年代c o o k ，b r a c e ，h o c k ，m c c l i n t o c k ， s a l a m o n 等学者1 6 5 删研究了岩石在受压情况下，裂纹的扩展情况，这个时候 的研究热衷于基于断裂力学理论的裂纹扩展的理论研究。从7 0 年代起，许 多平面条件下的实验研究开始兴起，这些实验大部分用含预制倾斜裂纹 ( p r e - e x i s t i n gi n c l i n i n gf l a w s ) 的模拟材料来研究裂纹的萌生、演化和破坏过 程，使用的仪器主要是显微镜，如n o l e n - h o c k s e m a 等人【7 0 1 用光学显微镜观 测了受载大理岩裂纹尖端的破裂扩展模式，发现裂纹的扩展具有非对称性， 他们检测了试样表面与内部裂纹呢的分布特征，指出表面裂纹的发育能够 很好地代表内部情况；在之后也有很多学者用显微镜进行不同的研究，如 w o n g 7 1 1 研究了w e t e r l y 花岗岩的微观破坏机制；h u d s o n 和p r i e s t 等也用计 算机对节理缺陷岩体进行了几何统计特征的分析研究 7 2 , 7 3 。 8 0 年代以来，人们对裂纹缺陷的研究更注重理论与实验相结合，但偏 重理论模型的建立。下面专门就裂纹研究的理论方面做叙述。 1 2 5 岩石损伤和破坏模型的研究 近年来，岩石领域的研究十分活跃，因为岩土材料的变形和强度关系 是岩土工程界一直十分重视的问题。然而由于岩石材料是复杂的地质材料， 研究的难度很大，尤其对岩石损伤机理、岩石损伤与其本身固有的力学特 性之间的关系以及如何用损伤理论对岩石力学行为进行评判等还缺乏深入 的研究；损伤值与断裂行为之间的关系还存在大量的工作有待研究，即使 是对损伤值