脆性巖石損傷及物理性質演化的實驗研究

王小瓊

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者電子信箱，王小瓊：wxq4526＠163.com）

地殼巖石均含有一定數量的缺陷損傷，是強非均質和各向異性材料，性質復雜，取決于其所處的構造和地質環境。實驗表明，裂紋對巖石的孔隙度貢獻不大，幾乎可以忽略，但卻是影響巖石有效彈性性質的主導因素而非孔隙。增加裂紋損傷會顯著地引起巖石物理性質，包括強度、彈性性質、力學性質以及各向異性等的變化。另外，大部分地殼巖石的裂紋和孔隙都處于流體飽和狀態，裂紋中的流體通過化學和力學作用顯著影響巖石性質的變化。因此理解脆性巖石受力變形過程中的損傷和物理性質的演化具有重要意義，是巖石力學的長期目標之一。

本文在國內外研究的基礎上，基于不考慮裂紋相互作用的有效彈性介質理論，對巖石介質進行了假設：一是均勻各向同性介質，對應實驗室中靜水壓狀態。二是橫向同性介質，對應于實驗室中的偏應力狀態（單軸和三軸狀態）。圍繞巖石損傷演化機理和過程，運用應變、彈性波速、滲透率、裂紋密度反演、聲發射定位和矩張量反演等技術，開展了脆性巖石在受力變形過程中損傷及物理性質演化的實驗研究。

（1）巖石的裂紋損傷，在微觀上表現為結合鍵發生位錯與破壞、原始微裂紋產生、擴展、貫通成核并引發最后的宏觀破裂；宏觀上表現為力學參數的降低，力學性能的惡化如應力應變性質、彈性波速性質。通過有效介質理論，將宏觀的彈性性質與微觀的裂紋密度結合在一起。裂紋密度演化的結果表明，由應力引起的垂直裂紋主要在巖石初始擴容之后才發生擴展，當應力達到巖石主擴容點的應力水平時，巖石中的裂紋顯著擴展并形成破裂帶。在初始擴容前，對于具有較多的初始隨機裂紋損傷的巖樣，隨機裂紋會隨應力的增加發生閉合。而對于初始損傷較低的巖樣則不經歷此過程。這個結果與應力應變曲線中的裂紋閉合階段、彈性階段、裂紋開始穩定擴展，非穩定擴展，峰值應力等階段是一致的。聲發射定位也表征了宏觀的破裂過程與裂紋擴展、貫通成核演化的關系。微損傷的矩張量分析表明，在加載的最初階段，裂紋是閉合機制。隨著應力的增加，當應力超過初始擴容以后，進入了裂紋穩定增長階段，此階段遠場應力對巖石內部閉合的裂紋尖端產生了拉應力，從而使原有的閉合裂紋開始滑動摩擦，損傷機制為Ⅰ型的拉伸裂紋。當應力進一步增加，超過主擴容點后，裂紋開始非穩定增長，生成大量的翼裂紋并局部成核，裂紋基本是剪切型損傷。當應力進一步增加，翼裂紋之間開始互相作用、貫通并形成宏觀破裂帶，這一階段受力復雜，剪切型的機制表明裂紋擴展方式為Ⅱ型和Ⅲ型裂紋。

（2）初始裂紋損傷程度對巖石變形破壞過程中的物理和力學性質具有重要影響。相比初始損傷較小的自然巖樣（未受損巖樣），初始損傷較大的巖樣（受損巖樣）的縱波波速減少了近1 000～3 000m/s，滲透率增加了4～5個量級，且明顯降低了變形過程中擴容對應的應力水平，而且使巖樣的各向異性更早出現在巖樣中。受損巖樣最終的破裂方向在初始擴容時就已經被決定了，而未受損巖樣最終的破裂方向直到應力達到主擴容點時才被決定，但受損巖樣與未受損巖樣在最終破裂時各向異性基本相同。AE的定位結果也表明，初始裂紋損傷越大，裂紋間越容易發生相互作用，從而越早形成局部剪切帶。而不受損巖樣的裂紋首先是均勻擴展在巖樣中。

（3）由于巖樣中增加的裂紋損傷，裂紋和孔隙中的流體對巖石脆性破壞過程中的物理力學性質也發揮著重要作用。流體的存在特別是難以壓縮的流體如水的存在，則會對裂紋起到一個硬化的作用，減少裂紋對柔度系數的貢獻，增加剛度系數即彈性模量，從而使巖石的彈性波速變大，可達2 600m/s（縱波）。實驗結果表明，裂紋縱橫比越低，水飽和模量比干燥模量增加就越大，說明了巖樣中微損傷的形狀對彈性性質具有重要影響，薄的狹長型裂紋比孔隙具有更顯著的流體效應。另外孔隙流體通過亞臨界裂紋擴展和應力腐蝕作用，影響巖石裂紋尖端的應力場強度因子，水弱化作用與加載的速率相關。蠕變的結果表明，包含流體的損傷巖樣對應力更敏感，裂紋更易擴展。裂紋密度演化的結果表明，干燥狀態的巖樣在破裂前的垂直裂紋密度接近于0.35，而水飽和狀態的巖樣的垂直裂紋密度可能為0.5左右。