岩石应力应变的电镜观察

岩石应力应变的电镜观察

岩石破坏失稳定过程本质上是其在压力过程中诞生、扩大和连接的结果。这是岩石微结构破坏变形破坏的宏观反映。岩石中的初始微缺陷（孔、微裂隙、边界等）的无序分布导致受载时新裂缝的随机分布。在某种程度上，初始微缺陷的大小对岩石的详细观察裂纹的扩展和宏观破坏的失稳定起着重要作用。近年来，随着sem和ct在岩石实验中的应用，许多科学家能够细观岩石样品进行研究，并取得了一些成果。该项目计划应用于扫描电镜技术，观测不同类型岩石和预结构岩石样品的破坏特征，并分析不同负荷下的裂缝扩展特征的图像，重点阐明微缺陷对岩石破坏和失稳定的控制作用。1试样制备和规格设计本实验是在中科院力学所的扫描电镜室进行的,实验装置规格:S170型SEM及其附件(能谱仪,摄像系统和微观加载台等),分辨率60A,放大倍率为10～25000·置于真空室中的台钳式加载台,最大加载荷为2000N,测量误差为±1N,加载头的最大行程为5mm,位移测量误差为0.001mm·试样取材于北京房山细粒大理岩、粗粒红砂岩和花岗闪长岩·大理岩主要由碳酸盐矿物组成,部分重结晶程度差,石英碎屑含量不超过5%,呈细粒状变晶结构,矿物双晶发育,粒度均匀,均质度最好;花岗闪长岩次之,红砂岩天然缺陷较多,整体看来较前两种岩石均匀性都差·试样加工在北京大学进行,共加工大理石等各类试样40块,根据SEM的最大加载能力(电镜最大加载重2000N)和夹具尺寸,试样规格设计如下·①无预裂纹试样大理岩、砂岩和花岗闪长岩试样各10块,规格为20mm×4mm×2mm·②大理岩试样5个,20mm×10mm×1.5mm;在其中部预开一个5mm×0.5mm的裂纹,与两边夹角45°·③开圆孔的砂岩试样5个:20mm×10mm×2mm,中央小孔直径3mm·试验前先在试件中间或预置结构的端部先粘贴BXC120-1AD的电阻应变片,镀金后,在加载台上进行单轴加载,用传感器测量载荷大小·在实验中,应力、应变及相应载荷下裂纹发育情况的电镜照片,全部由计算机按需要采集记录·2结果与分析2.1岩石试样的破坏形态观测对上述试样分别进行单轴压缩实验,加载速度保持0.1mm/min以下·用扫描电镜进行观测,结果列于表1中,岩石试样的破坏形态如图1所示·2.2结果分析与讨论2.2.1宏观断裂发育特征不同种类岩石的初始损伤的程度和尺度都存在极大差别,这与岩石的组构和成岩过程有关·从表1中可以看出,单轴加载时,岩石由于组构不同造成的非均匀性,对其受载时的变形特征和最终破坏失稳起决定作用·图1给出了各类试样的宏观破坏描述·完整岩石试样,在临近破坏时宏观断裂特征受到加载头控制,试样系统的边界条件影响,因而多在角端部破坏·含有不同预制结构的平板试样破坏时,微裂纹首先出现在割缝或圆孔的周围的拉应力集中区域,并随着外载增加逐渐扩展、连通成与主压应力近平行宏观断裂带·从局部上看裂纹并无定向,无论细观还是宏观,裂纹都沿着曲线路径连接,但从整体上看,宏观断裂沿外加载荷方向贯通·从岩石的应力-应变曲线上看,岩样在受力后,随着载样增加,其变形破坏有一从渐变到突变的过程,总的变形过程可分为3个阶段·下面以预制裂纹大理岩试样为例,进行分析见图2·(1)裂缝压密步骤岩石中原生的微缺陷受力后闭合,组成岩石的矿物颗粒之间密接触,变形随着载荷呈线性变化·(2)局部应力集中—微裂纹的萌生和扩展阶段:随着外载荷的进一步增加,由于构成岩样的矿物的非均匀性(强度不同的矿物颗粒和各种缺陷的随机分布导致),岩样中产生局部应力集中,以平行主压应力方向为主,在应力集中部位微裂纹开始萌生并向前扩展·应力-应变曲线明显变缓,当荷载达到峰值强度80%～90%时裂纹扩展速度较快,主裂纹开始形成·(3)第12阶段此时的荷载已达峰值强度,瞬间发生突然性的压剪破坏,岩样抖动强烈,稍带有响声,曲线急剧下降·上述的由渐变到突变有一时间和能量的积累过程,在第1,2阶段,随着压力的增加,岩样累积能量速率大于微裂纹萌生和扩展消耗能量速率,其变形能缓慢积累,当其达到某一临界值时弹性能突然释放,使主裂纹形成,岩体突然破坏·2.2.2裂缝的起源、起源和连接性质(1)微裂纹发育特点图3给出了无预结构砂岩和花岗闪长岩试样受力时的裂纹发育不同放大比例照片·图3可见,加载时,砂岩和花岗闪长岩试样中产生微裂纹有的沿晶界扩展,有的沿节理面分岔扩展·裂纹扩展方向不一,分散性强·无预结构试样受力时,岩石材料的裂纹发育受原始微缺陷分布的影响和控制,这是由于材料细观上的不均匀引起了局部应力场不断调整所致·产生的微裂纹基本上是张性的·由于边界影响,一般试样端部出现应力集中现象,裂纹大多集中在端部萌生扩展·(2)平板面为单一结构的平板为了研究不同尺寸缺陷的相互作用和对宏观破坏形式的影响,用含预制结构的试样做了单轴压缩试验·预制结构有两种,其一为中间开一小圆孔,另一为中间割与压缩方向成45°角的细缝·通过观测发现,含有不同预制结构的平板试样受单轴压缩时,微裂纹首先出现在割缝或圆孔的周围的拉应力集中区域,并随着外载增加逐渐扩展、连通最后形成与主压应力近平行方向宏观断裂带·割缝微裂纹的形成图4中给出了大理岩试样的裂纹萌生、扩展和贯通过程·在大理岩中预割一个长5mm,宽0.5mm的小缝,方向与长边成45°角·大理岩的平均粒径为0.05～0.35mm,割缝的最小尺寸与最大颗粒为同一数量级·加载过程中,当达到峰值强度的46.19%时割缝端部开始出现微裂纹,呈岔状;当载荷达到峰值强度的69.29%时,分岔状裂纹已交汇成一条较粗裂纹,同时在割缝顶端又萌生一组微裂纹,方向近与试件长边成15°角·当载荷继续增加到峰值强度的91.52%时,后产生的一组微裂纹迅速扩展,临近试样边界,方向与加载方向近平行·继续加载,裂纹不再继续扩展,而是沿割缝端部未萌生微裂纹处剪断·(见图1)微裂纹的生长图5给出了中间预开小圆孔砂岩试样的裂纹发育情况,加载后,微裂纹首先在圆孔两边靠近长边处对称萌生,其随着加载的生长与大理岩试样的相似,最后沿与主压应力近平行方向贯通·胶结最弱部位微裂纹产生机理不同类型岩石由具有不同力学性质的颗粒和胶结物组成,其内部所含缺陷(孔洞、微裂隙和颗粒边界等)随机分布,当受加载时,由于各矿物对力的传递速度和自身变形不同,必然引起在岩石内部应力场的不均匀分布,产生局部应力集中,导致胶结最弱部位微裂纹产生·对比预制结构和无预结构岩样的破坏过程发现,不同尺寸的缺陷(把预开的小孔等也看作缺陷)对微裂纹的萌生、扩展和贯通具有不同的贡献·当原生缺陷相差几个数量级时,较大的缺陷对岩样最终的发育起控制作用,这可能是由于在较大缺陷附近造成的应力集中程度较高所致·3宏观破坏特征2.在宏观受载时,各有特(1)SEM为研究岩石细观变形破坏机理和损伤特征提供了有效手段·(2)从获得的应力-应变曲线,可得出不同应力状态下的变形破坏特征,同时也表征了非均匀性对宏观破坏特征的影响·(3)