（岩土工程专业论文）大理岩高温后力学性质及其细观试验研究.pdf

摘要 摘要 温度作用下的裂隙岩体是高放射性核废物的地层深埋处置、地热资源开发以及大 都市圈的大深度地下空间开发利用等工程中经常遇到的一类复杂岩体，高温后岩石的 强度、变形等特征，将直接关系着工程设计、施工和运营稳定性。 如何从岩体中微裂纹的细观损伤演化特征出发，对不同温度下的细观损伤机制加 以区分，并建立能够反映岩体细观结构演化特征的损伤力学模型是目前国内外本学科 领域研究的热点与前沿问题之一。 本文以锦屏水电站的大理岩微主要研究对象，从加热后裂隙岩体的微裂纹扩展机 理研究入手，研究的主要工作如下： ( 1 ) 对经历不同温度后的岩石进行单轴压缩试验，获得了岩石力学性质，研究 表明，大理岩经过高温后单轴抗压强度和弹性模量都大幅度降低，大理岩的阈值温度 在1 0 0 左右，分析了单轴压缩条件下试样的破坏模式及原因。 ( 2 ) 采用s e m 仪器进行了各温度下大理岩断口细观结构试验，从细观层次分析 了岩石断口形貌及微裂纹类型，对微观断裂模式进行了划分，可分为穿晶、沿晶和穿 晶与沿晶耦合模式。 ( 3 ) 基于统计学理论，对不同温度及循环次数下的岩石断口微裂纹参数数据统 计分析，得到了岩石微裂纹几何参数在不同温度下的分布概型，并运用m o n t e c a r l o 随机模拟的方法，再现微裂纹在工程岩体中的分布。 ( 4 ) 进行了二维裂隙网络模型的分形计算，分析不同温度条件下岩石细观损伤 的分维数及其演化的分形特征，建立了分维数与温度的关系，分维数与损伤变量及宏 观试验力学量之间的关系，为从传统的力学方法来探索岩石内部介质的微观变化提供 了理论依据和参考。 关键字：裂隙岩体大理岩细观结构穿晶与沿晶耦合随机模拟分形维数 a b s t r a c t a b s t r a c t h e a t e df r a c t u r er o c km a s si so n eo ft h ec o m m o na n dc o m p l e xr o c km a s s e s e n c o u n t e r e di nn u c l e a rw a s t eb u r y , g e o t h e r m i ce x p l o i t a t i o na n du n d e r g r o u n dd e v e l o p m e n t i nb i gc i t y 1 1 1 es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r a c t u r er o c km a s sa r e c r i t i c a lt ot h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no f t h er e l e v a n tp r o j e c t s i nt h ef i e l do fm i c r o s c o p i cr o c km e c h a n i c s s t u d y , o n eo ft h e h o t t e s ta n dm o s t i m p o r t a n tt o p i c si st h ep r o p o s a lo ft h em i c r o s c o p i cd a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e l ，i nw h i c h d i f f e r e n tm e s o s c o p i cd a m a g em e c h a n i s m su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sc a i la l s ob ef i g u r e d o u t ，t or e p r e s e n tt h em e s o s c o p i cd a m a g ee v o l u t i o no f r o c km a s ss t r u c t u r e i nt h i ss t u d y , m a r b l ef r o mj i n p i n gf i r s ts t a g eh y d r o p o w e rs t a t i o ns i t ew i l lb et e s t e d ； t h ee v o l u t i o nm e c h a n i s mo f m i c r o c r a c k si nh e a t e df r a c t u r er o c km a s sw i l lb ei n v e s t i g a t e d t h ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t sa r ec o n d u c t e dt os t u d yt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fh e a t e dr o c k i ti ss h o wt h a t , c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n de l a s t i cr a t i oo fh e a t e dr o c ka r e l o w e rt h a nt h a to f r o o m - t e m p e r a t u r er o c k , a n dt h et h r e s h o l dt e m p e r a t u r eo f m a r b l ei sa b o u t 1 0 0 ，t h ef a i l u r ep a t t e r na n dr e a s o no f r o c ks a m p l e sa r eg i v e n ( 2 ) u s i n gt h es c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，t h e f r a c t u r em e s o s t u c t u r e i n v e s t i g a t i o no fh e a t e dm a r b l ei sc o n d u c t e d t h ef r a c t u r ep a t t e r na n dm i c r o c r a c kt y p eo f r o c ka r ea n a l y z e di nt h em e s o s c o p i cs c a l e ，a n dt h em i c r o s c o p i cf r a c t u r em o d e lh a v e t r a n s c r y s t a l l i n ed a m a g e ， i n t e r c r y s t a l l i n ed a m a g e a n d c o u p l e dt r a n s c r y s t a l l i n e a n d i n t e r c r y s t a l l i n ed a m a g e ( 3 ) t h ed a t ao fm i c r o c r a c kp a r a m e t e r si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dc y c l et i m e si s p r o c e s s e db a s e do ns t a t i s t i c st h e o r ya n dt h er e g u l a r i t i e s o fd i s t r i b u t i o no fm i c r o c r a c k p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h em i c r o c r a c kd i s t r i b u t i o ni ne n g i n e e r i n gr o c ki sr e a p p e a r a n c e b ym e a n so f t h em o n t e c a r l os t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ( 4 ) t h ef r a c t a ld i m e n s i o na n dt h ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f h e a t e dr o c ki ss t u d i e db y t h ef r a c t a lc a l c u l a t i o nt ot h et w o d i m e n s i o nm i c r o c r a c kn e t w o r km o d e l s 1 1 1 er e l a t i o n s h i p o ff r a c t a ld i m e n s i o na n dt e m p e r a t u r e ，d a m a g ev a r i a b l e ，m e c h a n i c sp a r a m e t e r si sp r o p o s e d a n dt h i sc a nb eat h e o r ya n dr e f e r e n c ef o ra n a l y s i n gt h em i c r o s c o p i cc h a n g e so fi n n e r m e d i u mb ym e a n so fc o n v e n t i o n a lm e c h a n i c sm e t h o d k e yw o r d s ：f r a c t u r e dr o c km a s s ；m a r b l e ；m e s o s t r u c t u r e ；c o u p l e dt r a n s c r y s t a l l i n ea n d i n t e r c r y s t a l l i n e ；s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ；f r a c t a ld i m e n s i o n 河海大学研究生院硕士学位论文 大理岩高温后力学性质及其细观试验研究 本论文的研究工作得到了国家自然科学基金：渗透压作用下裂隙岩体损伤 断裂机理和宏微观力学理论研究( n o 5 0 4 7 9 0 2 1 ) 的资助。 专业名称：岩土工程 研究生：蒋志坚 指导教师：朱珍德 河海大学岩土工程科学研究所 二0 0 七年三月 学位论文独创性声明： 本人所呈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研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 藕妊! 丛 2 0 0 7 年3 月2 8 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：；巨毒舻 2 0 0 7 年3 月2 8 日 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 岩石是一种复杂的天然介质，在漫长的地质年代中经历了多次地质构造运动，赋 存在一定的应力和温度环境中，其内部孕育了从微观到细观以及到宏观的各种尺度的 缺陷( 断层、节理、层理等) ，岩石中形成了各种微裂隙和微孔洞( 图1 1 ) ，因此， 岩体在物理特性上表现为区域性、非连续性和非均质性，在力学特性上表现出强烈的 非线性、各向异性、流变性及尺度效应等”。 图1 , 1 岩石中的微裂纹和微孔洞 处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。高放射性核废物 的地层深埋处置、地热资源开发以及大都市圈的大深度地下空间开发利用等工程所处 的地质环境周围岩体均可能经历一定的高温，这就需要考虑岩石在高温作用下或 高温后的物理力学性质。另一方面，工程结构在高温后的强度与变形特性也成为工程 界关注的焦点。由于高温后岩石的力学性能劣化，导致岩体工程结构的安全性降低， 因此，需要对这类结构进行高温后的损伤评估，以制定合理的鉴定、加固、修复及评 价方案。为了进行鉴定和修复，首先，需要明确岩石在遭受不同温度作用后的力学性 能，这对于火灾损伤结构的全过程分析和提高岩体结构的安全性具有重要意义。 众所周知，温度是影响岩石力学性能的主要因素之一，国际岩石力学界近年来己 把温度作为影响岩石力学性质的一个重要因素加以考虑【2 】。温度对岩石力学性质的影 响与岩石矿物性质和内部结构有关，温度变化会影响岩石矿物成分和岩石的晶格，因 此，岩石在温度和载荷作用下其损伤细观破坏机理和常温卜- 有较大的区别【3 ，4 。 在寒区岩土工程中，由于季节更替，昼夜循环的温度差异，会对岩体的力学性质 产生重大影响。这种温度周期性( 季节性) 变化带来的大温差，会使岩体产生温度应 力，造成岩体裂隙的周期性扩张和收缩，从而对洞室围岩与洞口边坡的安全性带来不 利的影响。不仅如此，一些地区，随着岩洞埋深的增加，存在高地温、高渗透压作用 河海大学硕士学位论文 的岩石力学行为问题。资料显示，我国永久冻土与季节冻土区域面积占国土总面积的 6 0 以上，而这些寒区又多集中在我国的西部，西部寒区的铁路、公路、隧道、土木 建筑，以及水利与矿山建设与营运过程中，冻融问题一直困扰着广大岩土工程工作者 ”。尽管经过岩土工作者们的不断努力，也取得了一定的成绩，但这些研究多集中在 温度效应对岩石宏观力学性能方面影响的研究上，而岩石温度效应下细观力学特性方 面的研究更能揭示问题的本质。 岩体的破坏，通常是由于内部的微裂隙和微孔洞起裂、发展并最终相互贯通形成 宏观裂纹引起的。因此，研究岩体中的微裂隙和微孔洞的扩展、演化规律，弄清岩体 破坏失稳的机理，无疑是能否正确评价岩体稳定性的关键。近年来，随着损伤力学、 断裂力学、渗流力学的引入和应用，加快了裂隙岩体的研究进展，取得了大量研究成 果。然而，现有的裂隙岩体损伤模型原理主要侧重从唯象的角度建立损伤力学模型， 通过建立损伤演化方程，再基于等效原理建立损伤本构方程；而近年来得到迅速发展 的岩体细观损伤力学则强调从材料的细观结构出发，对不同的细观损伤机制加以区 分，研究材料在外载下内部细观结构的变化过程，并通过某种平均化的方法从细观分 析导出材料的宏观性质，细观损伤力学适用于对损伤机理的研究和认识，但目前离工 程应用还有一定距离。 大理岩是西部水利水电岩体工程中经常遇到的一种复杂介质，大理岩中发育有大 小不等的微裂隙和微孔洞，这些缺陷的存在都将与岩体的强度、变形、渗透性等密切 相关，使锝其力学行为显得更为复杂。大理岩经过高温后，其抗压、抗拉强度及弹性 模量均有所降低，这已为众多试验研究和理论研究所证实，然而对这些现象的物理的、 微观层次的认识方面尚欠深入，对其损伤演化的机理尚不甚清楚，有必要从试验和理 论方面进步去研究。深埋地下工程中，岩石多处于各种不同的温度状态下，因此研 究温度作用下岩石的细观损伤破坏机理具有重要的意义。 正在筹建的雅砻江锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州境内，是雅砻江上 水头最高、装机规模最大的一座引水式地下电站。其引水隧洞埋深大、洞线长、洞径 大，引水隧洞的稳定性直接关系着电站的正常运行和安全。本次将通过室内宏细观试 验，研究引水隧洞段大理岩的在不同温度下的损伤演化机理，并力求建立能够反映其 力学性质的本构模型，从而服务于工程实践。 综上所述，本次开展循环高低温环境下岩石细观损伤特性的试验研究，无疑具有 十分重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩石温度效应研究进展及现状 岩石是由多种矿物颗粒组成的，广泛分布有原始的微细观缺陷和裂纹，在受热的 2 第一章绪论 条件下，由于组成矿物颗粒在热学上表现出的差异性( 如热膨胀的各向异性，热膨胀 的不均匀性等、，使岩石的内部发生了相应的变化，当这种变化超过了岩石本身的某 种限度，细观裂纹随着温度的升高而逐渐扩展、贯通，在一定程度上表现出材料受力 性能的劣化直至破坏，说明温度对岩石造成了损伤。早在1 9 6 4 年，l e b e d e v 和k h i t a r o r 就开始了对花岗岩的热物理特征研究。h o u p c r t 6 1 对花岗岩受不同温度热处理后的某些 力学性质进行了考察；w a i ”等( 1 9 8 2 ) 对岩体中热应力的非线性进行了分析；寇绍 全【8 研究了2 0 6 0 0 不同温度热处理对s t r i p a 花岗岩变形及破坏特性的影响，结果 表明：s t r i p a 花岗岩的力学性质特征量随热处理温度升高有非同寻常变化，产生这些 变化的机理尚不清楚，需要从内部细观结构损伤来解释；s i m p s o n 9 j g 寸花岗岩在高温 下的脆韧性转变行为进行了分析；张静华【1o 】、王靖涛 分别对花岗岩断裂韧度的高温 效应作了研究；李长春等【1 2 1 对考虑温度效应的岩石损伤本构关系作了研究；h e u e c k e l f 13 】研究了宏观唯象下的热塑性本构关系；o h n a k a 提出了岩石在脆韧性转变区的剪切 破坏准则；l a u 【】研究了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度随温度的 变化规律以及破坏准则；席道瑛 15 】等研究了温度对花岗岩、大理岩的模量和波速的影 响；刘泉声、许锡昌等【6 1 研究了温度作用下三峡花岗岩力学性质及损伤特性；刘亚晨、 吴玉山等【 研究了核废料贮存裂隙岩体水热耦合迁移及其与应力的耦合分析。 n i c h o l s o n 等陀o o o ) 对1 0 种不同的沉积岩进行了温度从一1 8 c ( 1 8 h ) 到+ 1 8 ( 6h ) 为一个循环的循环冻融试验，得到不同种类沉积岩破坏时所经历的冻融循环 次数，分析了冻融后岩石的质量损失，并提出岩石已有缺陷对岩石影响的4 种岩石劣 化模型，试验得到的结果可以用于为岩石耐久性试验挑选岩样，特别是强度较高的坚 硬岩石。 刘泉声、白世伟【峥】( 2 0 0 2 ) 研究了花岗岩的时温等效原理及其在核废料地下贮存 中的应用，运用热力学内变量理论对三峡花岗岩进行了分析，应用时温等效原理推导 了相应的方程，并建立了热粘弹特性的本构方程。 许锡引2 0 】( 2 0 0 2 ) 通过对花岗岩在2 0 6 0 0 范围内基本力学性质的研究，探 讨了弹性模量、单轴抗压强度以及泊松比随温度的变化规律，发现7 5 和2 0 0 分 别为花岗岩弹性模量和单轴抗压强度的门槛温度。以弹性模量为研究对象，提出了热 损伤的概念，并给出了热损伤本构方程的一般表达式；在l e m m t r e 损伤模型的基础上， 推导了一维t m 耦合弹脆性损伤本构方程和损伤能量释放率的表达式；参照经典塑性 力学的屈服面理论，引入了温度作用下应力空间中脆性岩石的损伤面模型，定性地讨 论了荷载和温度影响下损伤面时的演化规律。 杨更社等【2 1 1 ( 2 0 0 2 ) 通过取自陕西黄陵矿区的3 种不同类型初始损伤的岩石试样循 环冻融并进行c t 扫描试验，对岩石材料在循环冻融条件下的损伤扩展特性进行研究， 着重探讨了循环冻融次数对岩石材料损伤扩展的影响；并对循环冻融条件下岩石损伤 扩展本构关系进行了探讨。 河海人学硕士学位论文 夏小和等f 2 2 j ( 2 0 0 4 ) 对1 0 0 8 0 0 温度的大理岩在不同应力水平作用下进行超声 波传播特性的实验研究。采用分组单独加温后，利用压力超声探头在r m t 一1 5 0 b 型刚性 岩石实验机上直接测定声波特性参数的方法，取得了0 6 0 k n 荷载范围内的大理岩纵波 波速v p 随温度t 变化的有效实验数据。在统计分析的基础上，进一步探讨了大理岩的v p t 特性以及影响大理岩v p t 关系的主要力学及物理原因。 综上所述，中外的研究者们对在温度作用下的岩石力学特性研究方面都作出了许 多有益的工作，积累了丰富的经验。但以上研究大多从宏观角度出发，很少从微细观 方面研究岩石的损伤，从而无法了解岩石细观结构与其所受温度之问的确切关系。 1 2 2 岩体损伤研究进展及现状 岩体损伤力学对从微裂纹萌生、扩展、演化到宏观裂纹的形成，断裂、破坏全过 程进行研究，把岩体中的微裂纹和微孔洞作为岩体的一种初始损伤，把裂隙张开、闭 合、滑移、扩展与贯通的过程看作是损伤的演化过程，通过引入损伤变量并建立损伤 变量演化方程，通过集合的或能量的方法结合到本构方程中，从而可以描述细观损伤 对岩体宏观力学行为的影响，进而分析裂隙岩体的稳定性。 损伤力学是4 0 年前发展起来的一门新的学科。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 2 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 过程中其性质劣化问题，随后r o b o t n o v ( 1 9 6 9 ) 2 4 】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 2 5 , 2 6 。 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 ) 【27 1 ，d r a g o n & m o r z ( 1 9 7 9 ) f 28 应用利用断裂面概念对岩石和混凝土的连续损伤进行了理论探讨。随后k r a j c i n o v i c ( 1 9 8 1 1 9 8 2 ) 2 9 , 3 0 ，k a c h a n o v ( 1 9 8 2 ) 【3 l 】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。 国内外对岩体断裂损伤力学的研究已极为广泛。国外h o e k 、b r o w n 、e i n s t e i n 、 c o o k 、k y o y a 、k a w a m o t o 等专家【3 2 0 5 】都在此领域做了系统深入的研究；国内在岩石 损伤力学研究方面起步相对较晚，许江等【36 于1 9 8 6 年采用带有加载装置的光学显微 镜对砂岩完成了不同加载阶段的裂纹损伤分析；谢和平f 3 7 - 3 9 ( 1 9 8 9 ) 首次引入分形 几何来研究岩石微损伤与宏观断裂，合理地定量描述了岩石的损伤；凌建明，孙钧【4 m 4 l j ( 1 9 9 3 ) 基于扫描电镜的细观损伤试验，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；徐靖 南、朱维申等【4 2 , 4 3 ( 1 9 9 4 ) 通过对多裂隙岩体受荷情况下裂隙开裂、演化的过程进行 4 第一章绪论 研究，将断裂力学与损伤力学结合起来建立了裂隙岩体的断裂损伤力学模型；周维垣 等1 ( 1 9 9 8 ) 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机理出发， 推导出一个弹脆性岩体损伤本构模型。周维垣、刘元高等【4 5 】( 2 0 0 3 ) 借鉴单晶体塑性 理论，将岩体中的非弹性行为归结为裂纹的发生和演化，使用多屈服面理论对含裂隙 组岩体局部化破坏进行分析，研究了硬化模量和临界局部化条带方向的变化规律，并 分析了不同破坏模式对临界硬化模量和临界局部化条带方向的影响；e k l e i n ， t r e u s c h l e 4 6 ( 2 0 0 4 ) 根据二维条件下椭圆形孔洞裂纹开裂的断裂力学研究成果，考 虑裂纹的扩展和相互影响，建立了多孔岩石孔洞裂隙模型；a l i a k b a r g o l s h a n i ，y o s h i a k i o k u i 【4 ”( 2 0 0 6 ) ，提出了一个基于细观的联系损伤本构模型，模型重点考虑了材料非 弹性阶段微裂纹长度和密度的变化，模型中考虑裂隙参数为特征长度和断裂强度；杨 强，陈新，周维垣【4 8 ( 2 0 0 5 ) 采用一个二阶损伤张量来描述节理岩体的连通率，根据 连通率的概念将完整岩体与完全裂隙的内摩擦系数与粘聚力加权平均得到节理岩体 的各向异性抗剪材料参数，从岩体的而抗剪强度准则( 莫尔一库仑条件) 出发，得到 节理岩体的各向异性屈服准则隐式表达式。 上述岩体损伤大致可以分为两类：宏观损伤和细观损伤。宏观损伤通常根据热力 学理论和弹塑性理论对损伤过程进行唯象分析，通过定义特定的损伤变量，建立损伤 演化方程，再基于等效原理( 应变等效、应力等效或能量等效) 建立损伤本构方程。 细观损伤作为宏观损伤的必要补充，是当前损伤理论研究的热点，不同于唯象的宏观 损伤，细观损伤从材料的具体细观结构出发，考察具体的损伤形式( 如微裂纹、微孔 洞、相界面等) ，定义具有真实物理背景的损伤变量，并最终借助某种平均化的方法 将细观r v e 模型的演化规律推广到整体宏观演化规律。 1 2 3 岩石裂隙扩展研究进展及现状 断裂理论最早是从g r i f f i t h 脆性断裂理论开始的，g r i f f i t h 在1 9 2 0 年、1 9 2 4 年相继发 表的两篇论文建立了脆性断裂力学理论的基本框架。在此以后，国内外学者在断裂理 论和试验方面进行了深入和广泛的研究。 1 9 6 6 年，b r a c e 4 9 l 提出二维裂隙滑移丌例模型，认为滑动裂隙端部生成的弯折型张 性裂纹是在压剪型荷载作用下新裂纹生成的主要机制，并根据该模型对岩石破坏前的 扩容现象进行了微观解释。该模型对解释岩石中微裂纹的延性开裂机制是适宜的，但 该模型没有考虑裂隙问的相互作用，因而也只适用于裂隙密度较小和裂隙扩容前期的 情况。 朱维申、陈卫中等口0 】( 1 9 9 8 ) 通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷 作用下闭合雁形裂隙的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下不 同方位雁形裂隙的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力 学参数。 河海大学硕士学位论文 任伟中、白世伟等【5 1 , 5 2 】( 1 9 9 9 ，2 0 0 3 ) 通过直剪试验条件下的模型试验，研究了 不同节理连通率、节理排列方式、正应力条件下同时包含闭合节理和岩桥的剪切面的 变形和强度特性及其相应的变化规律，探讨了节理、岩桥变形和破坏机理。并建立起 表征岩桥初裂强度和不同破坏模式下的贯通强度计算公式。 香港大学黄凯珠等人在岩石裂纹扩展方面进行了大量的研究1 5 3 , 5 4 】。黄凯珠、林鹏 通过物理实验和数值模拟，研究双轴作用下不同几何分布和不同围压的断续预置三裂 纹的萌生、扩展和贯通机制，结果显示裂纹贯通模式主要受加载条件与预置裂纹几何 分布的影响，裂纹在双轴加载条件下有拉、剪、压和混和贯通等模式。研究认为，压 裂纹是在侧压下产生的次生裂纹，起贯通受制于两非共线的重叠裂纹问的岩距。 yn a r ae tk k a n e k o 【5 5 j 在花岗岩试验上预置裂纹，利用预置裂纹分布的不同形成试 样的各向异性，考虑了不同温度和不同蒸气压力的影响，进行了双剪试验，重点观察 次生裂纹扩展速率和扩展方向，试验发现次生裂纹的扩展受预置裂纹的影响，次生裂 纹沿预置裂纹密度最大方向扩展时其扩展速率最大，由于受试样各向异性的影响，裂 纹面是起伏的，裂纹扩展路径也不是一条直线。 目前，在岩石裂纹扩展的研究方面，较多的是采用模拟材料、玻璃、树脂( p m m a ) 、 水泥砂浆等，研究也主要集中在二维裂纹的扩展机理方面，由于在制取岩石三维裂纹 方面还有困难，因此，对岩石三维裂纹的试验和研究还比较少。 1 2 4 岩体断裂损伤试验研究进展及现状 岩土损伤力学更侧重于从微细观角度对岩土介质进行研究，重点研究微裂纹从萌 生、扩展、演化到宏观裂纹形成、断裂、破坏的过程，旨在通过建立岩土损伤本构模 型和损伤演化方程，评价岩土体的损伤程度，进而评估其稳定性。岩体的断裂损伤试 验无疑是研究的出发点和根本。在岩体断裂损伤试验研究方面，主要有模型试验、声 发射技术、c t 技术和扫描电镜技术等。 在模型试验方面，国内外学者进行了众多研究。自从1 9 6 7 年举行的第九届国际大 坝会议及同年举行的国家岩石力学会议上提出了用材料的块体组合来模拟多裂隙岩体 介质的设想以后，国内外对裂隙岩体的力学性质做了许多研究。 g o l d s t e i n m ，h a y a s h i m ，l a m a r d ，k a w a m o t o t ，m u l l e rl ，e i n s t e i nh h ，b r w o n e ，t 等许多学者利用模型试验，对裂隙岩体进行了单压、单拉、纯剪的试验，同时也进 行了二维及三维的压缩试验，对影响裂隙岩体强度特性、变形特性、破坏方式等因素 作了分析研究。 国内学者在裂隙岩体的模型试验方面进行了广泛而深入的研究。清华大学周维垣 等【5 6 】从上世纪6 0 年代就开始，进行了众多水电站的地厦力学模型试验，得到了大量的 经验和成果。他们在出来裂隙岩体中数量众多的节理裂隙时，认为必须对其作适当的 简化，但在各个方向节理裂隙出现的频度，原型与模型应保持相似，即原型岩体内各 6 第一章绪论 个方向单位长度内缝隙数之比，应与模型相同：刘东燕，朱可善 5 7 】( 1 9 9 4 ) 通过含中 心裂纹砂浆试件的单轴压缩模型试验，测试并分析了裂纹扩展过程中的声发射特征和 裂纹面的相对位移，试验证明岩石类脆性材料的压剪断裂破坏机理与拉剪断裂有着本 质的区别，裂纹面相对位移变化与轴压荷载和声发射具有一定的同步性；陈卫忠，朱 维申掣5 8 l ( 1 9 9 7 ) 通过相似材料模型试验研究了脆性材料雁形裂纹单轴、双轴压缩条 件下的断裂机制，并研究了断续节理面和岩桥的共同作用原理，建立了裂纹起裂、扩 展和贯通的计算方法；黎立云，刘大安等口9 】( 2 0 0 2 ) 采用类岩石材料自水泥模拟多裂 纹岩体，进行了双向加压试验，对裂纹开裂角。初始开裂荷载的理论计算值和试验值 进行了对比分析；郭少华m 1 ( 2 0 0 3 ) 进行了含中心裂纹的矩形石膏试件单轴、双轴压 缩条件下的破坏试验，对裂纹起裂位置、起裂角、应力集中、断开模式进行了研究。 在声发射试验方面，t s u y o s h ii s h i d a 6 1 】( 2 0 0 1 ) 对四种不同粒度花岗岩试样进行了 水压致裂声发射测试，研究了粒度和不同粘度液体作用下试样的破坏机制，研究表明， 当粒度较大时，以剪切破坏机制占主导，当粒度较小时，以张拉破坏机制占主导：当 裂隙中注入高压水后，以剪切破坏机制占主导，当注入粘度较高的油时，以张拉破坏 机制占主导；李银平，王元汉等 6 2 3 】( 2 0 0 4 、2 0 0 5 ) 采用含预制裂纹大理岩试件，对 压剪应力场忠试件破坏过程声发射特征进行研究，根据试验的不同声发射特征，分析 材料损伤断裂过程的不同机制；s h c h a n g a ，c i l e e l 6 4 1 ( 2 0 0 4 ) 采用声发射技术研究 了h w a n g d e u n g 花岗岩和y e o s a n 大理岩试样的微裂纹汇合问题，分析其断裂损伤的微观 机理，研究表明三周压缩荷载下岩石的破坏机制以剪切破坏为主导，并随着围压的增 加，剪切破坏的主导性增强。 在c t 技术方面，1 9 8 6 年日本首先研制成功室内受压岩样弹性波c t 机，并用该机对 受压岩样内部裂纹发展过程进行了研究，取得了丰硕成果，这标志着c t 技术被引入了 岩石力学领域，成为岩石力学c t 技术研究和应用的开端；1 9 8 9 1 9 9 1 年，r a y n a u d 、 f a b r e 和v i n e g a r d 等分别利用c t 机研究受轴对称荷载的岩石，研究显示初始非均匀性和 局部密度变化是出岩石内部破坏机理引起的；v e r h e l s t 等于1 9 9 5 年利用 x 射线c t 机研究了岩样的微裂纹和不均一机构；杨更社等【6 5 , 6 6 】在国内最早应用医用x 射 线c t 机重点对岩石的初始损伤特性进行了研究，给出了c t 数表示的岩石损伤变量公式 并对单轴压缩荷载作用下砂岩的损伤扩展机理进行了c t 实时初步试验研究；葛修润等 【6 7 ，“】利用自己研制成功的岩土c t 专用三轴加载装置进行了三轴和单轴压缩下煤岩试件 细观损伤扩展情况的c t 动态即时扫描试验，实现了不卸载扫描，首次获得了实时c t 图 像，使试验技术由了新的突破。丁卫华等【6 9 1 提出了c t 尺度裂纹的概念，其含义是基于 x 射线c t 设备分辨率水平，通过图像处理后，能够从c t 图像中识别的特定物质或结构 的最小尺度，尤其是图像中的线状或环状影像的尺度。 目前，在岩土工程领域，采用c t 无损检测技术可以直接检测的项目有：试样内各 质点的距离、位移，敏感区域的截面积和体积，试样密度及密度分布离散程度，试样 河海火学硕士学位论文 内裂隙的长度、宽度等。由于以上优点，c t 检测技术在岩土材料的细观试验研究方面 受到众多学者和专家的关注。当然，将c t 技术应用到岩土工程领域，还有不少方面尚 待完善和发展。 扫描电子显微镜，自1 9 3 5 年由德国科学家诺尔研制成功后，经过长期的发展，已 成为人们观察和检测非均匀相有机材料、无机材料及在其微米、亚微米局部范围内表 面特征的强有力工具在科研和生产中，扫描电镜的分析报告对成果的评价占有十分 重要的地位它的设计制造是现代技术的综合，对它的研究和使用，不论在理论上或 实践上都是很有意义的。1 9 9 0 1 9 9 3 年，卢应发等7 叫和张梅英等7 1 l 完成了大理岩静态和 循环荷载试件的电镜分析；周维垣，剡公瑞 7 2 l ( 1 9 9 7 ) 采用黑色大理石试样，进行了 岩石材料切片的扫描电镜( s e m ) 下的断裂试验及宏观试件的三点弯曲断裂试验，研 究试样细观破坏的机理及宏观断裂破坏形成的过程，并采用局部化理论和分数维重正 化理论相结合的近似方法，即用细观网格代替局部的不均一性，建立了岩石、混凝土 材料细观开裂网格模型；肖洪天，强天弛等【_ 7 3 ( 1 9 9 9 ) 采用扫描电镜，即时记录了裂 纹尖端的微裂纹发育和演化过程，并应用双扭试件，对三峡船闸花岗岩进行了亚临界 裂纹扩展试验，得到了花岗岩的断裂力学参数；朱珍德，徐卫亚等i ”j 选取三峡船闸 高边坡花岗岩和山西万家寨水电站灰岩进行不同应力状态的全应力一应变过程渗透性 对比试验，然后将其岩石破坏断裂断口进行微观扫描电镜试验，分析了脆性岩石的微 观断裂形式，认为脆性岩石的断裂机理有两种，即剪切破坏和翼裂纹扩展破坏；赵永 红【7 6 】( 2 0 0 4 ) 对房山大理岩进行了单轴压缩条件下大理岩填充割缝周围微裂纹生长的 扫描电镜实时观测研究，微裂纹首先呈剪切破裂带状发育，随外载的增加而连通形成 断裂带，割缝填充后微裂纹萌生所需的荷载水平明显提高。 近些年来，随着声发射技术的发展、c t 试验机以及高倍扫描电子显微镜的出现， 岩体损伤的试验研究得到了较快发展。在岩石微细观损伤机理和损伤模型研究方面， 尚有大量工作需要完成。 1 3 本文主要研究内容 本文将采取室内宏观试验、室内细观试验、理论分析、统计分析和分形损伤分析 相结合的方法，以四川锦屏大理岩为主要研究对象，从细观层次研究岩石高温下微裂 纹的扩展分布规律和岩石的损伤演化机理。根据分析损伤力学理论，研究微观分形与 宏观损伤之间的关系。 本文研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 在液压伺服岩石力学试验机上进行高温后大理岩的单轴压缩试验，研究不同 温度及不同高低温循环次数对岩石峰值强度、峰值应变、弹性模量、破坏模式等的影 响。 第一章绪论 ( 2 ) 对压缩后的大理岩断口进行扫描电镜试验，获取大量细观结构图像，从图像 中分析岩石断1 ：3 形貌特征、微裂纹类型及微观断裂模型。 ( 3 ) 应用图像处理程序对s e m 图像进行图像处理并提取细观结构参数，对大量数 据进行统计分析，研究不同温度下断口微裂纹各参数( 长度、方位角、间距等) 的分 布。 ( 4 ) 根据细观结构参数的分布规律，运用m o n t e c a r l o 理论模拟各温度下岩石断口 裂隙网络。 ( 5 ) 利用分形几何的基本理论，对二维裂隙网络模型进行分形计算，分析不同温 度条件下岩石细观损伤演化的分形特征及其局部化特性，并建立微观分形与宏观损伤 之间的关系。 第二章高温后大理岩力学特性试验研究 第二章高温后大理岩力学特性试验研究 在能源、地质、土木等众多工程领域中，地热的开发与利用、高温核废料处理、 地下矿山煤和瓦斯爆炸、岩石地下工程灾后重建等都不可避免地涉及到高温下岩石的 强度及变形特性，其相关力学参数是岩石地下工程开挖、支护设计、围岩稳定性分析 不可或缺的基本依据。长期以来，国内外许多学者在高温岩体基本物理力学参数实验 测定、变形机理研究、岩石破坏准则、本构关系、热裂化及岩石损伤破坏机理研究等 方面做了大量研究，并取得了有理论意义和实用价值的研究成果。但由于岩石中矿物 成分、结构不同，即内部微裂纹的发育程度、分布形式和产状要素的差异，故岩石的 强度及变形特性受温度的响应极其复杂。不同岩石的强度、变形表现出不同的温度特 性，即使同一种岩石在不同的地质及赋存条件下，其温度响应特性也会存在巨大的差 异。 本章将通过大理岩的单轴压缩实验，研究大理岩在常温2 0 6 0 0 高温下各温 度段的强度及变形特性，探讨高温对大理岩的刚度、峰值强度、峰值应变、弹性模量 等的影响，并从岩石内部的微观结构变化讨论大理岩在高温作用下强度及变形特性的 演化机理。 2 1 岩性特征及试样制备 试验所用试件采自雅砻江锦屏二级水电站工程现场的大理岩，该岩石呈白色、块 状、粒状变晶结构，均匀性好，其主要矿物成分有方解石、少量镁榄石和磁铁矿等， 主要化学成分为c a 和m g 。为了保证试样性质的均一性，严格密集采样，岩样严格按 照国际岩石力学学会( i s r m ) 试验规程来加工，试样呈圆柱形，尺寸为 5 0 m m 1 0 0 m m 。结合试验目的，共加工了1 2 个岩样，按温度不同分为5 组( 2 0 、 1 0 0 、3 0 0 、4 5 0 。c 、6 0 0 ) ，每一温度级别下按高温循环次数分3 种( 1 次循环， 1 0 次循环，2 0 次循环) 。试样编号见表2 1 所示。 表2 1 岩石试样编号 2 2 试验设备及试验过程 河海大学硕士学位论文 试验分两步，一是试样加温，二是对加温后的试样做单轴压缩试验。 试样循环加温设备有d g g ，9 0 7 0 b 型电热恒温鼓风干燥箱，温度量程为：室温+ 1 0 3 0 0 ，温度波动度+ 1 ；s x 2 4 1 0 箱式电阻炉( 图2 2 a ) ，额定温度为1 0 0 0 。c 。 加1 0 0 时采用d g g 9 0 7 0 b 型电热恒温鼓风干燥箱，加其它温度时采用s x 2 4 1 0 箱式电阻炉。加温过程见图2 1 所示。 区巫日臣圃日 循环 匪困。匝三习臼 图2 1 加温过程示意图 单轴压缩试验采用r m t 一1 5 0 b 型多功能全自动刚性岩石伺服试验机( 见图2 2 b ) 进行。该试验机是由中科院武汉岩士力学研究所研制成功，是一套多功能试验机系统， 即可以做单轴和三轴压缩试验，也可以做直接、间接拉伸试验及剪切试验，操作简便、 自动化程度高，完全在计算机控制下进行，可以采用三种不同的控制模式：荷载控制、 纵向变形率控制、剪切位移率和横向变形率控制。该试验机后处理软件丰富，试验结 束后可立即给出各种整理好的试验曲线和数据。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 。 图2 2 ( a ) s x 2 4 1 0 箱式电阻炉( b ) r i 、_ t r - 1 5 0 b 多功能全自动刚性岩石伺服试验机 试验过程中，轴向采用5 m m 的位移传感器，测试岩样的轴向位移；采用1 0 0 0 k n 的力传感器，测试岩样的轴向荷载。试验时，在试样两端涂抹滑石粉以减少断面摩擦， 采取位移控制模式进行静态加载，位移速率控制为0 0 0 5 m m s ，直至试样完全破坏或 达到位移限值。 第二章高温斤大理岩力学特性试验研究 2 3 试验结果及岩石损伤分析 2 3 1 试验结果 试验得到了各试样完整的应力一应变曲线( 见下节) ，单轴压缩试验结果见表2 2 所示。 表2 2 单轴压缩试验结果 2 3 2 岩石应力应变全过程曲线 试验得到了各试样完整的应力一应变曲线，见图2 3 。 山 盏 b r 越 00 0 0 20 0 0 4 00 0 600 0 80 0 10 0 1 20 0 1 4 应变 图2 3 不同温度大理岩单轴压缩应力应变曲线 从图中可以看出，经历不同温度作用后大理岩的应力一应变曲线变化规律大致经 历了4 个阶段：(