（岩土工程专业论文）南京红砂岩细观损伤演化特性及其本构模型试验研究.pdf

摘要 膨胀岩的工程灾害是个极为复杂且具有重大经济意义的课题，如何才能做 到经济有效地在这类岩石中建设工程并维持其稳定性，一直是困扰着广大岩石力 学和工程地质工作者的一个难题。当膨胀岩体受到扰动，特别是含水率发生变化 时，膨胀岩常发生显著的物理化学反应，严重影响着工程的稳定性。 本文以红山窑水利枢纽膨胀红砂岩地基处理为工程背景，通过不同含水率下 的红砂岩r m t 刚性伺服单轴压缩试验和光学细观单轴压缩试验，得到了不同含 水率下红砂岩全应力一应变曲线、宏观破坏形式、细观结构演化图像；运用岩石 力学、损伤力学和断裂力学理论对试验结果进行了分析，得到了以下一些结论： ( 1 ) 通过对红砂岩r m t 单轴压缩试验，分析了红砂岩抗压强度、弹性模 量和峰值变形等随含水率变化的关系；通过对红砂岩细观单轴压缩试验，依据 g e o i m a g e 程序对红砂岩细观结构图片量化处理信息，着重分析在不同含水率下 红砂岩微裂纹损伤演化与宏观力学响应之间的规律。 ( 2 ) 运用细观损伤力学理论，定义了孔隙面积比为损伤变量，推导了峰值 应变前的损伤本构方程，并且详细地阐述了红砂岩损伤演化的四个阶段：损伤弱 化阶段、弹性阶段、非线性强化阶段、峰后软化阶段。从宏观损伤力学理论出发， 依据红砂岩全应力一应变曲线，分析了红砂岩应变软化特性的内在原因，在前人 的基础上推导了峰值应变后的红砂岩损伤本构方程。 ( 3 ) 通过与r m t 试验结果、其他损伤本构模型的比较分析，验证了该本 构模型对红砂岩的拟合是正确的、合理的；并应用于工程实际，为新红山窑水利 枢纽工程地基处理的设计、施工、运行提供可靠的指导意义，同时也丰富和发展 了损伤力学理论的研究。 关键词：膨胀岩损伤力学损伤演化损伤变量本构模型 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gd i s a s t e ro fs w e l l i n gr o c ki sas u b j e c to fe x t r e m ec o m p l i c a t i o na n d m o m e n t o u s l ye c o n o m i ci m p l i c a t i o n s h o wt oc o n s t r u c tp r o j e c t sa n ds u s t a i ni t s s t a b i l i t ye c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l yi ns u c hr o c ki sa l w a y sap r o b l e mp u z z l i n gm a n y e x p e r t s i nr o c km e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gg e o l o g y o n c e s w e l l i n gr o c km a s si s d i s t u r b e de s p e c i a l l yw a t e rc o n t e n tc h a n g i n g ，a n e v i d e n t l yp h y s i c a l a n dc h e m i c a l r e a c t i o ni so c c u r r e di n s w e l l i n gr o c k ，w h i c hs e r i o u s l y i n f l u e n c e st h es t a b i l i t yo f e n g i n e e r i n g t a k i n gd i s p o s a l o fs w e l l i n gr e ds a n d s t o n e g r o u n d s i l l o f h o n g s h a ny a o h y d r o j u n c t i o n a s p r o j e c tg r o u n d i nt h i s p a p e r , t h e w h o l es t r e s s s t r a i n c u r v e s ， m a c r o s c o p i cf a i l u r es h a p e s ，p i c t u r e so fm e s o s t r u c t u r ed e v e l o p m e n to fr e ds a n d s t o n e a r ea c h i e v e dt h o u g hu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so fr m ta n dm e s o s t r u c t u r eo fr e d s a n d s t o n ei nd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t b ya p p l y i n gt h et h e o r yo fr o c km e c h a n i c s 、 d a m a g e a n df r a c t u r e m e c h a n i c s ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r e a n a l y z e d a n ds o m e c o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h o u g h u n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so f r m t , t h er e l a t i o n so f w a t e rc o n t e n ta n d c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，e l a s t i cm o d u l e ，p e a ks t r a i n o fr e ds a n d s t o n ea r ea n a l y z e d t h o u g hu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so fm e s o s t r u c t u r e ，t h er ；l a t i o n so fm a c r o s c o p i c m e c h a n i c sr e s p o n s e sa n dm i c r o c r a c kd a m a g ed e v e l o p m e n to fr e ds a n d s t o n ea r e i m p o r t a n t l ya n a l y z e db y m e a n so f g e o i m a g ep r o g r a m m e ， ( 2 ) f r o mt h et h e o r yo fm e s o - d a m a g e ，c r a c ka r e ar a t i oi s d e f i n e da sd a m a g e v a r i a b l e ，a n dd a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e lo fp e a ks t r a i ni sd e d u c e d ，f u r t h e rf o u r p e r i o d so f d a m a g ed e v e l o p m e n t a r ee x p o u n d e d ：d a m a g e r e d u c i n g ，e l a s t i c i t y , n o n l i n e a r s t r e n g t h e n i n g ，s o f t e n i n g f r o mt h et h e o r yo f m a c r o - d a m a g e ，i n t r i n s i cr e a s o n so f s t r a i n s o f t e n i n gp r o p e r t y o f r e ds a n d s t o n ea r ea n a l y z e do nb a s i so f w h o l es l r e s s s t r a i nc u r v e s ， a n dd a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e lo fp o s ts t r a i ni sd e d u c e do nb a s i so fo t h e r s a c h i e v e m e n t s ( 3 ) t h r o u g h t h ec o m p a r i s o nw i t ha b o v em o d e la n dr e s u l t so f r m t , o t h e rm o d e l s ， t h ec o n s t i t u t i v em o d e lo fr e ds a n d s t o n ei sc o r r e c ta n dl o g i c a l f u r t h e rt h em o d e li s a p p l i e di nt h eh o n g s h a ny a op r o j e c t ，w h i c hn o to n l yh a sag u i d i n gm e a n sf o rt h e d e s i g n , c o n s t r u c t i o n ，r u n n i n go f t h ep r o j e c t ，b u ta l s oe n r i c h e sa n dd e v e l o p st h es t u d y o f d a m a g e m e c h a n i c s k e y w o r d ：s w e l l i n gr o c k ，d a m a g em e c h a n i c s ，d a m a g ed e v e l o p m e n t ，d a m a g ev a r i a b l e ， c o n s t i t u t i v em o d e 笙二兰堕堡 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 近十几年来， 随着水利水电、采矿、交通运输、建筑等领域大型工程迅速兴起， 极大地促进了岩土力学的发展，其中岩石类材料的宏细观裂纹扩展演化及其损伤力学特 性的研究愈来愈受到学术界和工程界的重视。岩爆、地下洞室围岩的变形、矿山开采沉 陷、岩体基础稳定及滑坡等工程都与此有关【卜“。因此，如何正确而全面地认识岩石力 学损伤和变形的特性，对岩土工程发展具有重要的理论意义和工程意义。 众所周知，岩石类材料是含夹杂、孔洞、裂隙和微结构面的非均匀各向异性介质。 岩石类材料裂纹扩展和力学特性与材料的微观结构、受力状态和环境密切相关【7 】，当这 些缺陷存在且材料对缺陷敏感时往往容易发生意外事故。在岩土工程中，人们根据岩石 类材料变形的不同特征，把岩石分为脆性、半脆性、流变性、断裂与损伤劣化特性，研 究受荷情况下岩石微观结构的演化和宏观失效之间的联系，从而分析失效的先兆现象和 确定失效前的临界荷载。所谓脆性材料就是对缺陷十分敏感的材料，韧性材料就是对缺 陷不敏感的材料。材料是韧性还是脆性，可根据裂纹扩展前，裂纹尖端是否产生塑性区， 以及所产生塑性区的大小而定。脆性材料的裂纹扩展前，裂纹尖端不产生塑性区，脆性 材料的断裂表现为突发性，这是最危险的断裂形式。因此脆性材料在断裂前的微裂纹扩 展、汇合阶段所表现的力学行为是我们更关心，而岩石是明显的脆性材料。 对于没有宏观裂纹的岩石，岩石在加载后就会有微裂纹产生和发展，微裂纹尺寸大 约与晶粒尺寸是同等级的，有两种破坏形式：沿晶破坏发展和穿晶破坏发展。当材料内 的应力比较大后微裂纹的发展方向有一定的规律性，直至连通和岩石突发破坏；对于有 宏观裂纹的岩石，岩石在加载后微裂纹网络从现存的宏观裂纹尖端处发生、发展，并且 这些裂纹是大区域地扩展的而不是沿一条轨道，随着荷载的增加，微裂纹网络增大，微 裂纹的分叉也不断增加，直至突发破坏j r 踟。因此，鉴于岩石具有不连续、非均质性、各 向异性等特点，其物理、力学性质具有明显的离散性和随机性，远比一般材料复杂，目 前为止，虽然相关课题的研究已获得了不少有价值的成果，但整体还不成熟，岩石类固 体损伤理论的发展状况并不理想，像单轴压缩损伤劣化看似简单而又对以承压为主的岩 石固体十分主要的问题至今也还未能解决 g a o ) ，还未有一种模型能够较好的模拟大部分 岩石受压破坏过程的规律，尚有许多问题从理论到实践都还没有解决。 南京红山窑水利枢纽是一座中型水利工程，工程效益以灌溉排涝为主，兼有提高滁 河水位、保证船只通航功能。经过三十年的运行后，工程本身内部出现大量的缺陷和损 伤，已不能适应当地经济的发展，综合各种因素，决定在原址重建红山窑水利枢纽。为 河海大学硕士论文 了防止水利枢纽工程在开挖、施工、运行期间出现类似工程事故【“】，必须对工程地基基 岩一红砂岩进行全面而深入地力学损伤特性和裂隙演化规律的试验研究，该研究成果无 疑为红山窑水利枢纽工程的设计、施工、运行提供可靠的指导意义。同时，也为同类型 的研究提供了一些参考，对丰富和发展岩土力学起到一定的积极作用。 1 2 国内外研究现状 材料的损伤和破坏是一类极为普遍的现象，它与湍流并列，堪称力学中最复杂、最 困难的两大难题，也是非线性科学中两个重要范例。虽然对材料损伤和破坏已进行了多 年、广泛的研究，但大多数基本问题仍未找到令人满意的答案。钱学森在其“物理力学 讲义”中将其归入“连基本概念还不十分清楚的问题”。因此，要探索解决问题的途径， 就要从搞清基本概念开始，从了解材料的损伤和破坏过程中的特点入手。 1 2 1 损伤力学发展概述 损伤是材料结构组织在外界因素作用下发生的力学性能劣化并导致体积单元破坏 的现象。 损伤力学就是研究在各种加载和环境条件下，物体中损伤随着变形或时间而发展并 导致破坏的规律的科学。它是连续介质力学的一个分支。 损伤力学是4 0 年前发展起来的- ( 7 新的学科。它是材料与结构的变形与破坏理论 的重要组成部分。损伤的概念最早由k a u a h o b ( 1 9 5 8 ) ( 1 3 j 在研究金属蠕变断裂的过程中 提出的，他引用“连续性因子”和“有效应力”的概念，来描述金属在蠕变断裂过程中 的其性质劣化问题，随后p a 0 o t h o b ( 1 9 5 9 ) 0 4 1 又进一步引进“损伤因子”的概念。在 此基础上他们采用连续介质力学的唯象方法，研究了材料蠕变损伤过程。以后，r o b o t n o v ( 1 9 6 9 ) 【”1 引入了“损伤变量”的概念，在此以后很多研究人员对损伤进行了大量的研 究工作并扩展到多维损伤分析。但大部分工作集中于金属材料的损伤问题【l 6 ，1 ”。 最早提出岩石类材料损伤力学研究的是d o u g i l l ( 1 9 7 6 ) 【i ，d r a g o n & m o r z ( 1 9 7 9 ) 【1 9 1 应用损伤概念提出了能反映应变软化的岩石与混凝土的弹性本构关系，并且认为塑性 膨胀率与损伤直接相关，并建立了相应连续介质损伤力学模型。m a z a r s ( 1 9 8 6 ) 【2 0 】等人 将其运用于混凝土的损伤，使混凝土的力学模型更符合实际。随后k r a j c i n o v i c ( 1 9 8 1 ， 1 9 8 2 ) 2 1 0 2 1 ，k a c h a n o v ( 1 9 8 2 ) 【2 3 1 等分别从不同的角度将损伤力学应用于岩石材料，同 时从岩石本身的组构特征出发，探讨其损伤的机理，建立相应的模型和理论，并将有关 结论进一步推广到一般的脆性损伤问题。l e m a i t r e ( 1 9 8 5 ) 【2 4 】采用等效应变概念提出一 个应力应变关系，并且认为只须将本构关系中的应力用有效应力代替，这个本构关系就 能描述其应变性能。 国内在岩石损伤力学研究方面起步较早的是谢和平，他于1 9 9 0 出版了我国第一部 这方面的专著岩石、混凝土损伤力学，并且首次在联系岩石微损伤与宏观断裂方面 翌二里竺鲨 引入了分形几何，更合理地定量描述了岩石的损l 务【2 5 , 2 6 , 2 7 1 。凌建明，孙钧【2 8 2 9 1 基于在扫 描电镜加载台上进行的细观损伤试验，研究了细观裂纹的形成、发展及其损伤效应，探 讨了断裂过程区的细观裂纹损伤特性，并将细观裂纹的几何参数与岩石的宏观力学参量 联系起来，建立了脆性岩石在单调加载和蠕变条件下的细观裂纹损伤模型( 1 9 9 3 ) ：在 分析岩体细观和宏观损伤特征及其与岩体非弹性变形之问关系的基础上，应用损伤表面 的概念描述损伤状态和过程，定义弹性一损伤准则，进而建立了应变空间表述的岩体损 伤本构关系( 1 9 9 4 ) 。周维垣等( 1 9 9 8 ) f 3 q 进行岩石材料切片的扫描电镜下断裂试验， 应用连续介质损伤力学理论，从岩体内部微裂纹产生和扩展的损伤机理出发，推导出应 变空间表示的坚硬岩体的弹性损伤耦合的各向异性弹脆性损伤本构模型。赵永红 ( 1 9 9 7 ) 3 1 l 对岩石试件在受载过程中表面裂纹发育做了系统的实时观测研究及分维统计 分析，定义岩石构元中破裂面的分维值为各向同性损伤变量，而各个方向上裂纹面的累 加量定义为各向异性损伤变量，并根据裂纹发育特征提出了损伤变量演化方程，从而建 立起岩石脆性变形破坏过程的分维损伤本构方程。李广平( 1 9 9 5 ) p 2 j 建立了压缩荷载作 用下岩石类材料的二维和轴对称微裂纹损伤的有效场模型及三维微裂纹损伤的t a y l o r 模型，分析了微裂纹随外加应力而发生扩展的运动过程，根据扭转型裂纹模型建立了损 伤柔度的求解公式。谢定义、杨更社( 1 9 9 5 ) p 3 l 首先采用了c t 识别技术对岩石中的微 孔隙和微裂隙及加载过程中损伤的扩展规律进行了无扰动检测，建立了c t 数分布规律 的数学模型，定义了用c t 数表示的岩石损伤变量，为岩石损伤研究开了新的途径。 从目前的研究现状来看，虽然岩石损伤特性研究取得了一定的成就，但由于岩石本 身的复杂性以及试验条件的限制，且研究时间比较短，岩石损伤理论研究和应用尚不够 成熟，尤其体现在缺少本构方程的统一性和理论运用到实践的可行性。 1 2 2 损伤力学研究内容和若干假设 从损伤力学发展的过程来看，可将损伤力学分为两个重要分支：宏观损伤力学和细 观损伤力学。 宏观损伤力学，即通常所说的连续介质损伤力学c d m ，基于连续介质力学与不可 逆热力学理论，认为包含各类缺陷、结构的介质是一种连续体。损伤作为一种匀变量在 其中连续分布，损伤状态由损伤变量进行描述，然后在满足力学、热力学基本公设和定 理的条件下，唯象地推求损伤体的本构方程和损伤演化方程。目前，c d m 理论基本上 都用张量形成的损伤张量进行表述；理论上讲，损伤张量阶次的增加可以更多地考虑损 伤的影响因素，损伤分析自然也就越来越细。但损伤本构模型中的损伤变量不具有任意 性，最高为八价，另外还可以是四价、二价或零价【3 舢。c d m 中引入损伤变量的最大优 点是可以方便地处理各向同性或各向异性材料的各向异性损伤。近年来，各向异性损伤 理论及各类模型的建立以成为c d m 的核心和前沿。采用c d m 建模的缺点是所建议的 自由比能函数和损伤势函数缺乏力学依据，为j 比现力学界开始探讨在引进细观力学基础 河海大学硕士论文 上提出考虑各向异性的自由比能函数和损伤势函数，但对塑性的考虑还是很少见到。在 c d m 建模过程中，由自由比能函数确定损伤本构关系，由损伤势函数确定损伤演化方 程，因此自由比能函数和损伤势函数的确定是最关键的两步。 细观损伤力学，从颗粒、晶体、孔洞等细观结构层次研究各类损伤的形态、分布及 其演化特征。从而预测物体的宏观力学特征。细观损伤力学的一方面主要是研究细观损 伤结构与力学之间的定量关系。应用较普遍的一种方法是，用数值方法或者分析方法去 分析一个确定的体积v ，确定体积内含有一个或几个孔洞或者裂纹，然后假设损伤材料 是由这样的确定体积堆筑而成，g u r s o n ( 1 9 7 7 ) l ”】等假设基体为刚塑性体对确定体积中 有孔洞情况采用分析方法进行了比较系统的研究，n e m a t - n a s s e r ( 1 9 8 3 ，1 9 8 8 ) 【3 6 l ”1 等 假设基质为各向同性弹性体对确定体积中有裂纹情况采用分析方法进行了研究建模，t u ( 1 9 9 1 ) 3 8 , 3 9 等对裂纹处于各向异性脆弹性体情况采用分析方法进行了研究建模；比较 热门的另一种方法是b a z a n t ( 1 9 8 8 ，1 9 9 0 ) 【4 0 m 等把微平面理论应用于损伤材料建模， 微平面法的思路为假设可通过材料中一个任意倾向的平面上的应力应变关系来表征其 非弹性行为，这个平面称为微平面，微平面的体积应变和体积应力、偏应变和偏应力及 剪应变和剪应力为各自一一非线性对应关系而和其他应力应变无关，而材料的弹性张量 可通过假设对任一应变率用宏观应力和应变表示的能量耗散率和用微观应力和应变表 示的必须相等的方法求得。细观损伤力学的另一个方面主要是研究细观损伤结构的演化 和发展，其中比较热门的是用统计物理数学理论研究细观损伤的演化和发展，俗称统计 细观损伤力学。对大多数材料，其脆性断裂强度因不同的样品可有很大的变化。这种差 异起源于材料内部的无序性，针对此情况w e i b u l l 和s a h i m i 等人提出和研究了材料的最 弱链强度理论及w j i b l l l l 统计假设理论1 4 2 , 4 3 1 。c u r r a n 等人基于对动态破坏试样的显微 观察指出，材料的损伤状态依赖于其内部微缺陷的统计分布规律及演化规律，提出了成 核与扩展( n a g ) 模型。目前，细观力学的发展面临两个难题，其一是材料的细观结构 ( 各种组构的形态、方向核分布) 和细观损伤的数学描述；其二是细观结构演变及损伤 演化的运动学与力学之间的定量关系。 总的来说，损伤力学研究总的的内容可以简化为图1 1 4 5 】所示。 在岩石损伤力学的研究过程中，基于损伤力学的假设如下： n斤 ( 1 ) 有效应力概念：在单轴拉伸下，o - o = 了羔= 二式中吒相当于无损伤截 o l l u ，吵 面上的应力假定，一为静应力，d 为损伤变量，y 为受载试件断面的实际面积与表观面 积的比值，p 为轴向压( 拉) 应力，4 为无损伤截面面积。仅仅由实际应力引起的损伤 来修正物体的应变响应，同样假定损伤扩展率也由实际应力水平确定j 。 ( 2 ) l e m a i t r e 等效应变假设h 7 】：应力盯作用在受损岩石上引起的应变与有效应力 4 第一章绪论 作用在无损岩石上引起的应变等效。在岩石损伤力学研究中这一假设为有关损伤因素的 力学研究带来了极大的方便，根据这一假设，受损岩石的本构关系可以通过无损岩石的 本构关系得到，只要将应力换为有效应力即可。 ( 3 ) 对于脆性损伤情况，由此基本假设：( a ) 岩体是由基体( 无裂纹部分) 和损 伤体( 微裂纹部分) 两部分组成的；( b ) 岩体的基体为各向同性的弹性介质；( c ) 岩体 的损伤体为无屈服强度刚塑性体：( d ) 弹性变形不会引起岩体的损伤；( e ) 静水压力不 会引起岩体的损伤；( f ) 岩体中的基体及损伤部分的变形是协调的( 即它们的应变是相 等的) 。 ( 4 ) b e t t i 能量互易定理：多裂纹各向异性的固体等效弹性应变能等于相应无裂纹 各向同性固体的应变能与固体中多裂纹生的附加应交能之和。由b e t t i 定理得到： 纪= 吼+ 纯 ( 1 1 ) 式中僻多裂纹岩体的等效弹性损伤应变能密度： 无损岩体的弹性应变能密度； 识单位体中节理裂纹存在产生的附加应变能。 ( 5 ) 损伤是不可逆热力学过程，损伤状态方程满足不可逆过程的约束条件和基本 定律。 图1 1损伤力学研究的内容 河海大学硕士论文 1 2 3 损伤变量及检测方法 在损伤力学中迄今为止一直存在争议的问题，便是什么是损伤的表征? 什么样的变 量可作为损伤的变量? 损伤变量是物质结构某种不可逆变化的种定量表示，作为热力 学内变量的损伤变量，它不能像弹性或塑性变形那样可以直接测量，一般要由中间量确 定。因此，如何选择这直接变量，采用什么方法来有效而准确地对其进行检测，就成 为损伤力学研究的一个很重要、也很关键的问题。 目前在岩石损伤研究中所采用的损伤检测方法主要有以下几种： 1 密度改变检测法 岩体的损伤演化主要表现为岩体内初始损失( 孔隙、裂纹) 的扩展与新裂纹的萌生， 并导致体积增加。在质量不变的情况下，因体积增加而使密度下降，因而可用密度的下 降来换算损伤变量。 近似假设球形空洞的缺陷，考虑一圆半径为r ，质量为m 的球形体元。变形时，球 形体元内发展一半径为r 的球形空洞。若以( 声一p ) p 表示无损状态时密度p 和损伤状 态时密度乃之间的相对变化，则表面损伤d 可由下式导出： 。= 蒜= c 南) 2 3 = o 一妒 z ， 密度的下降可用阿基米德定理以仪器测定。 2 弹性模量检测法 采用等效应变概念， ： ! ：呈( 1 3 ) e ( 1 一d 、e 其中， d 1 e ( 1 4 ) e 式中s 8 为弹性应交，言为有损材料的弹性模量，占为无损材料的弹性模量。若测得弹性 模量的变化，即可计算出材料的损伤程度。本方法适用性很好，只要在所测区域内的变 形是均匀的就可以。当进入大变形后，应变的测量应能充分真实地反映这种非线性性质。 测量时，e 和豆的计算方法要完全一样。 3 超声波检测法 在各向同性线弹性柱体中频率大于2 0 k h z 的超声波，其纵波速匕和横波速q 分别 为 塑= 童堑堡 ，e1 一v，e1 v i = 一一v ：= 一 p ( 1 + y ) ( 1 2 v )。p2 ( 1 + v ) 对于损伤材料，纵波速为 ( 1 5 ) 哇= 万e 而而1 - v ( 1 ，6 ) p ( 1 + 矿) ( 1 2 v ) 。 式中丘和声分别为损伤弹性模量和密度。如为各向同性弹性损伤，且泊松比不随损伤而 变，于是 d ：1 一= e ：1 一萼 ( 1 。7 ) e 尸v i 当d 值较小时，旦。1 ，于是 p d ：l 一善( 1 8 ) 呓 本检测方法要求所测体元内的损伤时均匀的。如不均匀，就要把物体分割成小块来 检测。 4 扫描电镜检测法 扫描电镜己被众多学者用于岩石损伤的微细观研究，其优势在于可在放大2 0 0 0 0 倍 的条件下观察试件中微裂纹的分布特征，利用带有微型加载装置的扫描电镜，还可在加 载过程中观察试件表面微裂纹的萌生与扩展规律，因而是研究材料微细观损伤机理的行 之有效的工具。但扫描电镜最大只能观察的试样范围有限，因此要在加载过程中作即时 观察，就必须将岩石切割成很小尺寸的试样。也有将标准试件分别加载至不同应力水平， 卸载后再切片进行观察，以分析不同应力水平下微细观损伤程度及演化规律，这样除切 片时的扰动外，一些裂纹还会因卸载而闭合，使得观察结果与受载时有较大的出入。所 以，扫描电镜的损伤检测目前还不完善，目前只用于定性分析。但随着计算机图像处理 技术的发展，扫描电镜和计算机图像处理技术的结合，就有可能使得岩石损伤的电镜分析 从定性向定量方向发展“8 1 。 5 c t 检测法 c t 技术被公认为2 0 世纪后期最伟大的科技成果之一。c t 技术本质上也是一种射 线成像技术，与射线照像、实时成像有一些共同之处，但与常规射线检测技术相比，c t 有其独特的优点。常规射线检测技术时将三维物体投影到二维平面上，图像信息是叠加 的结果，图像评定要有一定的经验，难以对目标细节进行深度定位和定量。而c t 设备 可对检测物体的某一部分的薄层进行扫描，给出高分辨率断层图像，从图像上可以直观 河海大学硕士论文 看到目标细节的空间位置、形状、大小，图像容易识别和理解。基于以上优点，8 0 年代 末c t 技术应用与岩体工程，推导了c t 数表示的岩石损伤变量公式，为c t 检测在岩 石损伤力学研究中的应用打下了良好的基础。 1 3 本文主要研究内容 多年来制约损伤理论领域发展的主要问题在于：岩石类材料的多相性带来的细观结 构的复杂性和宏观响应的离散性，使试验的难度大大增加。缺乏细观损伤和裂纹扩展的 定量试验而难以对损伤特征进行真实描述，无法建立起微观结构变化与宏观力学响应之 间联系。 针对损伤力学研究中遇到的问题，本文拟傲以下几方面工作对损伤研究加以完善和 改进： ( 1 ) 通过对红砂岩r m t 单轴压缩试验、红砂岩单轴细观损伤演化试验研究，分析 在不同含水率下红砂岩强度和变形随含水率变化的关系。周且寸着重分析在不同含水率下 红砂岩微裂纹损伤演化与宏观力学响应之间的规律。 ( 2 ) 应用断裂力学理论、细观损伤力学理论，依据g e o i m a g e 程序对红砂岩细观结 构图片量化处理信息，定义损伤变量，推导出峰值应变前的红砂岩损伤本构方程。 ( 3 ) 从宏观损伤力学理论出发，依据红砂岩全应力一应变曲线，分析红砂岩应变软 化特性的内在原因，在前人的基础上推导出峰值应变后的红砂岩损伤本构方程。 ( 4 ) 通过与r m t 试验结果、其他本构模型的比较分析，来验证该本构方程的正确 性、合理性和先进性i 并应用于工程实际，为红山窑水利枢纽工程的设计、施工、运行 提供可靠的指导意义。 一 塑三茎垒壁堂塑型塑笪塑些塑壁型塑 第二章 红砂岩细观损伤演化试验研究 为了全面深入地分析红砂岩的损伤力学特性，试验分宏观和细观两个部分进行；第 一部分利用r m t 试验机在不同含水率下进行单轴压缩试验，以分析红砂岩单轴压缩条 件下的含水率对破坏形式和变形、强度特性影响；第二部分利用岩土微细结构光学测试 系统对红砂岩在不同含水率下进行单轴压缩试验，对不同含水率的红砂岩变形与破坏进 行细观机理研究，旨在分析红砂岩细观损伤演化的基本规律。所有的试验是在河海大学 国家重点学科岩土工程实验室进行的。 2 1 试验简介 2 1 1 试件的制备 试验制样所用岩石取自红山窑水利枢纽基岩部分，采用机械和手工台的办法加工成 型，加工时避免着水。制成两种试件：( 1 ) 圆柱体形巾7 0 r m m 1 4 0 m m ，用于r m t 试验 机单轴抗压；( 2 ) 先制成圆柱体形由5 0 m m l o o m m ，然后沿径向对半切割，制成半圆 柱体，切割面打薄磨光，用于微细结构光学测试系统单轴抗压，尺寸误差控制在o 5 m m 以内。为了研究不同含水率下红砂岩宏细观损伤演化特性，根据此试验目的两种试样都 配置为干燥、3 、6 、9 、1 2 和饱和六种不同状态，然后再进行加载试验。 2 1 2 试验仪器 r m 卜1 5 0 b 多功能全自动刚性岩石伺服试验机( 见图2 1 ) 上完成的。该岩石力学 试验系统专为岩石和混凝土一类的工程材料进行力学性能试验而设计。其试验功能齐全 ( 可迸行水平剪切试验、单轴压缩试验、三轴压缩试验及直接、间接拉伸试验等) ，操 作简便、自动化程度高，完全在计算机控制下进行。试验过程中，操作者可以进行干预， 转换控制方式和试验参数；也可以预先设置试验步骤，由计算机自动完成。试验结束后， 系统可自动退回到初始状态，并能方便地给出试验结果。 该试验机通过液压缸由活塞控制加载，试验控制模式分为“手动”和“自动”两种， 加载系统由应变速率控制，轴向输出力为1 0 0 1 0 0 0 k n ，活塞的行程为5 5 0 m m 一。 岩士微缅结构光学测试系统5 0 1 ( 见图2 2 ) 是河海大学岩土重点实验室特别设计研 制而成的，主要由加载系统、图像采集系统和图像处理系统三部分组成。该系统可以在 试验过程中控制加载装置，在镜下对试样进行单轴和三轴加载试验，并可实时、动态地 原位观测和记录加载过程中试件发生的微细观结构变化，精确地测量试样轴向荷载和变 形量。该系统轴向荷载为0 5 k n ，侧向压力为o i m p a ，轴向位移范围0 5 5 m m ；长 距离显微镜o u e s t a r - q m l 0 0 型的最大分辨率为1 i p m ，工作范围1 5 3 5 c m 。 9 河海大学硕士论文 1 一底板2 一定位块3 一安装底座4 一承力座5 一下垫块6 一传感器固定板7 一横向位移传感器 安装座8 一试样9 一横向位移传感器l o 一轴向位移传感器夹持榘1 l 一轴向位移传感撩1 2 一上垫块 图2 1r m t 1 5 0 b 多功能全自动刚性岩石伺服试验机 图2 ，2 微细结构光学测试系统 2 2 红砂岩r m t 单轴压缩试验 为了研究红砂岩在不同含水率下宏观损伤力学特性演化规律，设置了6 组不同含水 率的试验工况，每组5 个试样。试样在r m t 试验机上单轴加载，具体试验过程如下： ( 1 ) 准备工作 ( 2 ) 安放试样 ( 3 ) 调整位移传感器 ( 4 ) 试验参数的选择( 5 ) 单轴加载操作 ( 6 ) 结束试验： 以上操作过程中，( 4 ) 、( 5 ) 两步是最为关键的，它关系到试验的成功完美与否。 o 一墨里竺型量型塑塑堡塑些堕墼翌塑 由于红砂岩属于软岩，所以试验控制模式为手动，控制方式选择位移控制方式，设定变 形速率为o o l m m s 。 通过以上实验过程对6 组试样进行试验，得到了各组试样全应力应变曲线以及系 列力学特性参数：弹性模量、变形模量、单轴抗压强度等，详见本章第四节。 2 3 红砂岩单轴压缩细观损伤试验 2 3 1 微细结构光学测试系统组成与原理 岩土微细结构光学测试系统主要由加载系统、图像采集系统和图像处理系统三部分 组成。 ( 1 ) 加载系统：三轴加载装置是报据试验要求研制，加载舱采用半圆柱体形状，观 测面采用高强度和高透明的玻璃板。轴向压力通过蜗轮蜗杆施加，在蜗杆与轴压加载压 头间安装轴向压力传感器、轴向位移传感器；围压通过半圆筒状橡胶囊从试样周围旄加， 围压充气口处安装有铡旬压力传感器，试样观测断面上的围压出玻璃板的反力提供，根 据半圆柱体的对称性可知观测断面上盯= 毋。施加的轴向荷载范围：0 - - s k n ，精度1 n ； 侧向压力范围：0 - - 1 m p a ，精度0 0 0 5m p a ；侧向位移范围：0 5 5 m m ，精度0 0 1 r a m 。 轴向压力传感器、轴向位移传感器和侧向压力传感器分别通过光缆与微型计算机相连， 将采集到的荷载和位移信息直接传入计算机。 ( 2 ) 数据采集系统：图像采集系统由长距离显微镜、三轴位移平台、c c d 摄影仪 和视频监视器组成。将长距离显微镜周定在三轴位移平台上，正对加载舱的观测断面( 玻 璃板面) 进行观测，长距离显微镜后接c c d 摄像头，经c c d 摄像头拍摄到的微细结构 图像分别由光缆传入到视频监视器和微机中，通过分析视频监视器和计算机中的微细结 构图像来观察、跟踪目标区域。 长距离显微镜采用美国科视达公司生产的q u e s t a r - q m l 0 0 型，工作范围1 5 3 5 c m ， 1 5 c m 处分辨率为1 1 9 i n ：三轴位移平台可在x ，y ，z 三个方向上精确调节位移大小，精 确度可达0 0 1 r a m ，通过调节三轴位移平台可达到调节焦距和跟踪观察同一区域的目的； c c d 信嗓比：3 0 d h ，分辨率5 0 0 l 。视频监视器采用松下1 9 寸监视器，分辨率8 5 0 l 。 ( 3 ) 数据处理系统：由c c d 摄像仪拍摄微细结构图像传入计算机后经图像采集卡 处理后转化为数字图像，利用微细结构处理程序o e o i m a g e 可以实现加载过程中按要求 实时对微细结构图像进行自动捕捉、自动存盘，并对所得到的微细结构图像进行分析处 理，提取微细结构量化信息。 该程序选用的是功能强大、灵活性高、可移植性强的v i s u a lc “6 0 作为开发工具， 具有以下几点功能： ( a ) 能够迸行前期的图像处理工作，包括图像的平滑、去噪增强，亮度调整，对比 同坶丈学帧士论文 度调整，直方图规定化等，以便于图像量化信息的真实有效提取。 ( b ) 能够根据试样中的控制点在不同微细结构图像中的坐标，确定位移转化模式， 建立微细结构图像序列的前后对应关系，利用模板匹配技术保证所分析的微小区域为同 一区域。 ( c ) 能够应用几种供选择的图像分割计算方法对微细结构图像进行二值化或三值化 处理，并经过对二值或三值化图像的统计计算，迅速得出孔隙总面积、孔隙率、孔隙数 目、平均面积、平均周长、颗粒定向度等微缅结构量化信息。( 详见第三章第一节对应 用程序具体功能的概述) 岩土微细结构光学测试系统的基本工作原理可以概括为：利用特别研制的三轴加载 设备对试样施加荷载( 本试验中只施加了轴向荷载围压未加) ，加载的同时由c c d 摄像 仪连续拍摄经长距离显微镜放大的岩土体微细结构照片，将得到的视频图像分别传输到 视频监视器和计算机中，利用图像采集卡将传入计算机的视频图像转化为数字图像，试 样承受的荷载信息及轴向位移采用压力传感器和位移传感器测读，并同时传入计算机 中。利用岩土微细结构分析程序g e o i m a g e 对微细结构图片序列进行分析处理，获得微 细结构的孔隙总面积、孔隙率、孔隙数目、位移、孔径分布、粒度分布、平均面积、平 均周长、颗粒定向度等量化信息。 2 3 2 红砂岩细勰损伤演化试验 红砂岩细观损伤演化试验也按含水率不同的6 个 工况进行试验，每个工况3 个试样。为了全谣准确地 反映红砂岩受荷时细观结构的演化规律，在试样的观 测面设置了9 个观察点，试样各观察点的尺寸分布距 离详见图2 3 。 试验前当调好长距离显微镜与试样闻距离以及显 微镜的焦距后，必须对试验放大倍数进行标定。放大 倍数标定完后，将试件安装在三轴如载舱内，接上位 移传感器的传感头，调节蜗轮使加载压头与试样顶面 刚好接触( 暂不施加轴压) ，运行图像分析软件保存试 样的初始状态的九个观察点的微细结构照片，转动蜗 匠五一 p 叶“i ooo 。 。 doo c 单位，m m 图2 3 试样观察点详图 杆施加轴向压力，调节三轴位移平台，运行图形采集软件实时捕捉并保存试样的九个观 察点微细结构照片，至于对不清晰的图像，可通过微调键操作，以期获得最佳效果的微 观图片。同时运行传感器数据采集程序得到试样在相应荷载位移下的微细结构连续动态 变化的图像序列。 由于该微细结构光学测试系统的加载装置是柔性加载装置，对与峰值以后的应力应 变曲线无法准确得到。当试样到达应力峰值并伴随试件出现破坏后，不再拍摄九个观察 第二章红砂岩细观损伤演化试验石) | 究 点，而对局部出现的宏观裂缝、崩解等破坏形式也进行了细观图片的拍摄；同时用4 0 0 万像素的c a n n o n 数码像机对试样进行宏观破坏形态的拍摄，细观试验得到应力应变曲 线、宏细观图像详见下一节。 2 4 试验成果 2 4 1 水对红砂岩宏观力学特性的影响 按照以上实验步骤，通过一系列的r m t - 1 5 0 b 单轴压缩试验，得到了大量红砂岩全 应力一应变曲线。通过对曲线的分析和总结，下面给出了红砂岩在不同含水率下具有代 表性的单轴压缩曲线，见图2 4 。 1d0 芑 6 1 1 ： 6 - 日 采 证 z0 1 口 苫 0 , b r i l 6 采 伽9 4 n z 压缩试验 ( a ) 干燥状态 ( c ) 含水率6 5 , 0 手 王 o p 3 , 0 r 进z d 1 m d 0 1 0 i 三 0 , 8 p 0 瞄 最 愠0 日g 压缩试验 ( b ) 含水率3 压缩试验 ( d ) 含水率9 河海大学硕士论文 10 三 o ： 6 1 r 氇a g 2 压缩试验 一1 , d 堇 t # ： n 6 r 键 g 2 压缩试验 ( e ) 含水率1 2 ( f ) 饱和状态 图2 4 不同含水率的红砂岩全应力- 应变曲线 通过分析以上各组不同含水率下的曲线不难发现，红砂岩的应力一应变全过程曲线 宏观上具有下述4 个区段：( 1 ) 压密阶段，曲线稍微向上弯曲，此阶段是由于细微裂隙 的闭合造成的；( 2 ) 弹性阶段，轴向和侧向应力一应变关系是线形，形状很接近于直线； ( 3 ) 塑性变形阶段，岩石应力应变关系偏离直线，呈现非线形变形，曲线向下弯曲， 直到最大值，应力一应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零；( 4 ) 破坏阶段， 此时的荷载已达到峰值强度，岩石破坏，破坏后的岩石仍具有一定的承载能力，仃一s 曲 线的斜率为负值。 另外由于不同含水率的存 在曲线也体现了显著的不同之处 一1 0 o ( 见图2 5 ) ：( 1 ) 整体的应力应塞 变醢线形状几乎一致，特别是峰 日m 值以前，都经历了压密阶段、弹 性阶段和塑性阶段，即总的变化 。6 o 趋势是相同的；但随着含水率的r 增大压密段越来越长，曲线越来。o 越缓；( 2 ) 当含水率增大时，直 线段的斜率降低，直观地说明了 。 弹性模量，随着含水率的增大丽 降低，见表2 1 ；( 3 ) 含水率超过 5 以后，峰值强度已明显减小，0 o 说明含水率对强度的影响很大； 压缩试验 罂2 5 不同含水率的红砂岩单轴压缩曲线比较 1 4 第二章红砂岩细观损伤演化试验研究 ( 4 ) 峰值应变、最终应变都随着含水率的增大呈现出增大的趋势，比较图2 4 ( a 、b ) 和( c 、d 、e 、f ) ，当含水率较小时，试样的压缩曲线离散性较大，究其原因是红砂岩