斷裂巖石細(xì)觀破壞機(jī)理及三維接觸損傷

王煜曦，王金安，牛升晟

（1.北京市地?zé)嵫芯吭?，北?102218；2.北京科技大學(xué)土木工程學(xué)院，北京100083）

0 引言

巖石蠕變機(jī)理的研究對(duì)巖體長期穩(wěn)定性有著重要意義，在國內(nèi)外研究活躍（孫鈞，2007）。目前關(guān)于巖石的蠕變研究大致分為三方面，第一大類研究完整巖石下的蠕變特性，如程有亮等（1996）對(duì)紅砂巖進(jìn)行流變斷裂試驗(yàn)研究，得到了該類巖石流變斷裂準(zhǔn)則, 并結(jié)合流變力學(xué)的理論對(duì)流變準(zhǔn)則中的有關(guān)斷裂參數(shù)作了進(jìn)一步說明：巖石材料存在3 個(gè)閥值K1C1, K1C2 , K1C3，分別稱為流變斷裂韌度的流變下限, 破壞下限, 破壞上限，利用初始強(qiáng)度因子K1在K1C1、K1C2、K1C3不同范圍之內(nèi)判斷巖石流變現(xiàn)象；如研究原狀、重塑和飽和黃土的蠕變特性（王松鶴等，2010），根據(jù)3種蠕變曲線形態(tài)特征，提出一種對(duì)數(shù)型蠕變模型，擬合出剪切模量和法向應(yīng)力、時(shí)間的關(guān)系，為確定剪切模量提供一條新途徑。第二大類是研究巖石弱結(jié)構(gòu)面的蠕剪特性，如典型紅層軟巖軟弱夾層剪切蠕變性質(zhì)研究一文（陳強(qiáng)等，2009），分析了軟巖弱夾層剪切蠕變特性，為勘探設(shè)計(jì)提供巖石蠕變剪切強(qiáng)度參數(shù)的選取參考；又如對(duì)含有軟弱結(jié)構(gòu)面的大理巖試樣進(jìn)行分級(jí)加載的剪切流變?cè)囼?yàn)（沈明榮等，2010），實(shí)驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)面剪切蠕變的破壞特征與結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度密切相關(guān)。第三大類是觀察巖石在蠕變過程中的裂紋擴(kuò)展。為了進(jìn)一步研究巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育、生長、蠕變失效細(xì)節(jié)，一些學(xué)者借助工業(yè)CT對(duì)蠕變巖石進(jìn)行研究。工業(yè)CT在20世紀(jì)90年代進(jìn)入了對(duì)巖石損傷特性研究的新階段（楊更社等，1996）?，F(xiàn)階段工業(yè)CT大致研究巖石的裂紋、缺陷演化（李文平等，2003）、巖石在不同載荷下的細(xì)觀力學(xué)（Westman，2004）以及巖石或混泥土CT的三維重構(gòu)技術(shù)（趙亮等，2011）。根據(jù)CT數(shù)的變化表征巖石材料的損傷破壞（楊更社等，1998），這些研究重點(diǎn)都是在工業(yè)CT基礎(chǔ)上對(duì)整塊巖石在蠕變過程中裂紋、缺陷發(fā)展進(jìn)行力學(xué)和幾何學(xué)的表述。眾所周知，工程巖體普遍存在受力情況下的各種斷裂面，受力情況下的斷裂面在工程應(yīng)用中成為控制巖體長期力學(xué)行為的主要因素。運(yùn)用CT探索斷裂巖體蠕剪前后上下兩翼接觸狀態(tài)在國內(nèi)外頗為少見，而斷裂巖石長期力學(xué)作用下的CT細(xì)觀接觸狀態(tài)、斷裂形式的研究是預(yù)測(cè)和減少山體滑坡的基礎(chǔ)。

本文使用工業(yè)CT，對(duì)兩種斷裂巖石蠕剪前后的斷裂面進(jìn)行掃描。通過巴西和壓剪實(shí)驗(yàn)獲得不同類型的巖石斷裂面，并使用CT掃描蠕剪前后的巖石斷裂面，根據(jù)CT圖片分析不同加載階段斷裂巖石的蠕剪破壞機(jī)理，得到巖石不同斷裂面接觸磨損演化，利用Mimics軟件對(duì)斷裂面三維接觸進(jìn)行重構(gòu)，找出剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后新生斷裂面形成規(guī)律。為斷裂巖體長期力學(xué)行為下接觸面接觸演化和次生斷裂面的生長研究提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

巖石選用山西某礦山細(xì)砂巖，其基本物理和力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 砂巖基本物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physico-mechanical parameters for sandstone

巖石材料的張破裂及剪破裂是巖石材料在單軸壓縮及中低圍壓三軸壓縮狀態(tài)下的兩種主要破壞形式（曾亞武等，2002）。為了獲得巖石兩種主要破壞模式的斷裂面，本文分別用壓剪切破壞和巴西劈裂破壞得到兩種斷裂機(jī)制的巖樣，運(yùn)用液壓式屏顯萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)巖樣進(jìn)行壓剪和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，制取試樣的具體程序如下：

（1）將砂巖切割成尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的試件，兩端面的不平行度最大不超過0.05m。端面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不超過0.25°。并把巖樣的六個(gè)面磨平，保證蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)巖樣受力均勻。

（2）將巖樣放在剪切角為20°的模具內(nèi)，應(yīng)用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其加載獲得壓減斷裂面巖樣，選取3個(gè)壓減破壞強(qiáng)度差別較小的斷裂面試樣，如圖1。

（3）做巴西劈裂斷裂面：取直徑2mm的鋼絲，作為硬墊條，用914 膠粘于試樣加載面上，將試樣平置于壓力機(jī)承壓板中心，用萬能試驗(yàn)機(jī)調(diào)整承壓板使試樣均勻受載。選取3個(gè)破壞后斷裂面較完整的試樣，如圖2。

圖1 壓剪實(shí)驗(yàn)和原理圖Fig.1 The pictures of Compressive shear experiments

圖2 巴西劈裂實(shí)驗(yàn)和原理圖Fig.2 The pictures of Brazil experiments and schematic

斷裂巖石原狀態(tài)嚙合好，進(jìn)行蠕變前的第一次CT掃描，CT掃描儀全名為ACTIS300-320/225工業(yè)CT（ICT)，也叫X光射線掃描儀（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），如圖3所示。實(shí)驗(yàn)所用CT光源為320kV的射線源。每個(gè)斷裂巖樣的掃描切片厚度為0.1mm，掃描間隔約為0.3mm，每塊巖石約17張CT圖片，巖樣CT斷層圖像單位像素長度為0.236mm，掃描的圖片分辨率為500×280。ICT標(biāo)準(zhǔn)圖像為16 位灰度，1024 像素×1024 像素。

隨后采用RLJW-2000微機(jī)控制三軸剪切流變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)掃描后的斷裂巖石進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)，在不同法向壓力條件下，分別對(duì)兩類斷裂巖石進(jìn)行了切向載荷分級(jí)加載的實(shí)驗(yàn)。待剪切荷載加到估算抗剪強(qiáng)度值的一半，保存蠕變?cè)囼?yàn)過程中的荷載和變形數(shù)據(jù)，標(biāo)記斷裂巖樣上下兩翼相對(duì)位置，取下斷裂巖樣，用CT掃描斷裂巖石在蠕變中的損傷接觸狀態(tài)。再把斷裂巖樣按標(biāo)記好的相對(duì)位置放在蠕變實(shí)驗(yàn)機(jī)上加載，直到巖石斷裂面有明顯的相對(duì)位移，蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)束，使用CT再次記錄蠕變加載后斷裂巖樣兩翼的接觸狀態(tài)。

圖3 ACTIS300-320/225工業(yè)CT掃描試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 ACTIS300-320/225 Industrial computed tomography(CT) scanning test system

實(shí)驗(yàn)分2組巖樣，每組巖樣加載方式不同（B為拉破壞巖樣，S為壓剪破壞巖樣）。第一組巖樣1-B1、1-B2、1-B3、1-S1、1-S2、1-S3，剪切蠕變實(shí)驗(yàn)中法向力分別為12.5、25、37.5、12.5、25、37.5KN，剪力分級(jí)加載，每級(jí)剪力持續(xù)10～12h，直到試件破壞為止。第二組砂巖巖樣試樣2-B1、2-S1，巖石蠕變實(shí)驗(yàn)中法向力為30kN，剪力分級(jí)加載，每級(jí)剪力持續(xù)24h，直到巖樣破壞為止，隨后將荷載卸下并保存蠕變?cè)囼?yàn)過程中的加載和變形數(shù)據(jù)。

隨后將荷載卸下并保存蠕變?cè)囼?yàn)過程中的加載和變形數(shù)據(jù)。表2為巖樣加載方式。

2 巖石斷裂面細(xì)觀破壞機(jī)理和和抗剪強(qiáng)度特征

2.1 巖石斷裂面損傷模式

為了便于研究，本文根據(jù)摩擦學(xué)原理把斷裂巖石表面凹凸形態(tài)劃分為粗糙度和起伏度，統(tǒng)稱為粗糙性。前者在較小尺度上表征斷裂面的光滑程度，后者是在較大尺度上描述斷裂面的平整程度。

如圖4(a)（圖中紅色箭頭表示法向加載和剪切加載）壓剪斷裂巖石斷裂面起伏度較大，在蠕變初始階段微凸體在法向力作用下被壓密，隨著剪力的加載斷裂面發(fā)生剪脹，隨著蠕變剪力的加載斷裂面周圍產(chǎn)生新的剪切破壞面，斷裂面附近橫向縱向裂隙幾乎同時(shí)出現(xiàn)，橫向裂隙引發(fā)縱向裂隙并引導(dǎo)其發(fā)展方向。

拉斷裂巖石由于斷裂面粗糙度較大，起伏度比壓剪斷裂巖石小，在蠕變實(shí)驗(yàn)中幾乎都沒有微裂隙的萌生，在剪切蠕變實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中斷裂面逐步被壓密，斷裂面的微凸體緊密嚙合。在剪力加載過程中，部分凹凸體被剪斷遷移，隨著剪力的繼續(xù)加載越來越多的凹凸體被剪斷、磨損，當(dāng)眾多凹凸體被剪斷、磨損后斷裂面發(fā)生剪切失穩(wěn)，由圖4(b)（圖中紅色箭頭表示法向加載和剪切加載）顯示拉破壞斷裂面失穩(wěn)后嚙合較緊密。

圖4 不同加載階段斷裂巖樣CT圖Fig.4 The different stages of loading of fractured rocks about CT images

通過CT掃描圖像的詳細(xì)觀察，剪切蠕變破碎巖石的失穩(wěn)模式總結(jié)如下：

（1）起伏面的剪斷。壓剪斷裂巖樣抗剪強(qiáng)度主要由斷裂面上較大起伏面所控制，剪切蠕變過程中較大起伏面受擠壓，在起伏面附近產(chǎn)生裂隙，隨著剪力的加載裂隙逐漸發(fā)展為裂紋并伴有部分起伏面的剪斷，最終導(dǎo)致巖樣失穩(wěn)，如圖5(a)所示。

圖5 不同斷裂巖樣剪切失穩(wěn)破壞圖Fig.5 The different fractured rocks of shear failure

圖6 斷裂巖樣典型破壞模式圖Fig.6 The typical damage patterns of fractured rock samples

（2）微凸體的剪斷磨損。如圖5(b)所示在剪力加載過程中，緊密嚙合的微凸體被剪斷，在蠕變實(shí)驗(yàn)后上下兩翼斷裂面的較小凹凸體磨損遷移。

（3）粗糙表面的接觸摩擦。如圖6(a)壓剪斷裂巖樣1-S1斷裂表面較平坦，當(dāng)法向力較低時(shí)兩斷裂面隨剪切力的加載產(chǎn)生摩擦滑移。

（4）裂紋二次發(fā)育：當(dāng)斷裂巖樣在剪切蠕變中法向力較大時(shí)，在斷裂面附近容易產(chǎn)生二次裂紋的生長發(fā)育，如圖6(b)，圖6(c)。有的二次裂紋垂直斷裂面為縱向裂紋，有的二次裂紋是在凹凸體剪斷附近出現(xiàn)縱向或類似45°斜裂紋，這些斜裂紋貫穿巖樣導(dǎo)致斷裂巖樣破碎。

（5）裂紋愈合：如圖7（圖中紅色箭頭表示法向加載和剪切加載），壓剪斷裂巖樣在初始加載階段存在一些翼狀裂紋，在剪切加載過程中翼狀裂紋愈合，在這種情況下翼狀裂紋不會(huì)隨斷裂面微凸體或起伏面的磨損而再一次生長發(fā)育，斷裂巖石的剪切破壞機(jī)理不受翼狀裂紋的影響。

圖7 壓剪斷裂巖樣1-S1裂紋愈合CT圖Fig.7 the rock sample of compressive shear 1-S1 CT image of crack regrowth

通過圖可以發(fā)現(xiàn)并不是所有微裂隙都會(huì)發(fā)育成裂紋或形成新斷裂面，在剪切蠕變過程中，微裂隙變化多端：①微裂隙可以隨加載過程愈合，②斷裂面附近的微裂隙在剪切蠕變中有可能成為新的凹凸體，③微裂隙可以發(fā)育成新斷面或新裂紋。

以上可以總結(jié)出兩類斷裂巖石剪切蠕變破壞模式主要有以下幾點(diǎn)：較小凹凸體的磨損、剪斷、遷移；兩斷裂面之間的摩擦（兩斷裂面之間的剪切摩擦引導(dǎo)凹凸體的磨損遷移）；豎向裂隙（或裂紋）和斜裂隙（或裂紋）的發(fā)育等。這幾種破壞模式共同存在于巖石斷裂面的剪切蠕變過程中，并在斷裂面不同位置交替出現(xiàn)。

2.2 斷裂巖石抗剪強(qiáng)度特征

圖8是不同破斷機(jī)制的巖樣形成的剪切強(qiáng)度曲線，其剪切蠕變強(qiáng)度特征為：隨著法向力的增高，斷裂巖石的剪切強(qiáng)度總體呈增長趨勢(shì)，但拉破壞巖樣的抗剪強(qiáng)度明顯大于壓剪破裂巖樣，且隨法向力的增大，剪切強(qiáng)度的增加呈上升趨勢(shì)。

構(gòu)成斷裂巖石抗剪強(qiáng)度機(jī)理的復(fù)雜性與斷裂表面形態(tài)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于不同斷裂機(jī)制的巖石表面，起伏度和粗糙度的大小影響巖石的抗剪強(qiáng)度。拉破壞巖樣表面相對(duì)平坦，微凸體分布均勻密集，抗剪強(qiáng)度主要由微凸體的嚙合所控制；壓剪破壞巖樣表面起伏較大，抗剪強(qiáng)度既有粗糙表面微凸體的摩擦，又伴有起伏面相互接觸剪切過程中產(chǎn)生的剪脹，在剪切蠕變過程中這兩者相互交織、轉(zhuǎn)化。

圖8 斷裂巖石抗剪強(qiáng)度曲線Fig.8 Shear strength curves of fractured rocks

3 巖石斷裂面三維接觸損傷重構(gòu)

圖9 拉破壞巖樣2-B1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)前斷裂面三維形態(tài)Fig.9 the Brazil rock (2-B1) about three-dimensional of fractured surfaces before creep shear

圖10 拉破壞巖樣2-B1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后斷裂面三維形態(tài)Fig.10 the Brazil rock (2-B1) about three-dimensional of fractured surfaces after creep shear

圖10為拉破壞巖樣2-B1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后CT斷裂面三維圖。由圖(a)和圖(b)可以看出斷裂巖樣經(jīng)過剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后斷裂面上萌生了兩個(gè)翼狀斷裂面，新生斷裂面彎曲延伸貫穿半個(gè)巖樣。較小新生斷裂面并沒有發(fā)育完全可以看到三維新生斷面上有空洞和網(wǎng)狀裂紋。

圖11是壓剪斷裂巖樣2-S1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)前CT三維重構(gòu)圖，由圖11 (c)可以發(fā)現(xiàn)壓剪斷裂面起伏較大。

圖11 壓剪破壞巖樣2-S1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)前斷裂面三維形態(tài)Fig.11 the rock of compressive shear (2-S1) about threedimensional of fractured surfaces before creep shear

圖12是壓剪巖樣2-S1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)破壞后的CT三維重構(gòu)圖，巖樣2-S1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后破壞嚴(yán)重，由圖可看出剪切蠕變失效后斷裂面接觸嚙合區(qū)域增多，圖12 (a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)上下巖樣翼狀斷裂面發(fā)展方向相似，巖樣內(nèi)部斷裂面空間發(fā)育充分，幾乎擴(kuò)展到巖樣表面，也有部分懸空斷裂面在巖樣內(nèi)部。

圖12 壓剪破壞巖樣2-S1剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后斷裂面三維形態(tài)Fig.12 the rock of compressive shear (2-S1) about threedimensional of fractured surfaces after creep shear

剪切蠕變實(shí)驗(yàn)后新生斷裂面形成規(guī)律：①原主斷裂面巖石晶狀體（微凸體）在剪切蠕變實(shí)驗(yàn)中容易被剪斷或破壞并在其附近產(chǎn)生空洞或微裂隙；②隨著剪力加載，大量空洞聚集發(fā)展成裂隙，裂隙交錯(cuò)生長連成裂紋網(wǎng)絡(luò)，裂紋網(wǎng)絡(luò)發(fā)育成新斷裂面。

4 結(jié)論

本文通過CT揭示斷裂巖樣雙翼表面細(xì)觀接觸狀態(tài)、接觸損傷演特征，結(jié)合CT掃描的斷層圖片和三維重構(gòu)模型，詳細(xì)表述斷裂巖石剪切蠕變前后巖石內(nèi)部細(xì)觀破壞模式以及斷裂巖石蠕變過程中粗糙表面凹凸體磨損及亞表面微裂紋、微孔洞發(fā)展等表面接觸損傷演化規(guī)律。

兩類斷裂巖石剪切蠕變破壞模式主要有以下幾點(diǎn)：較小凹凸體的磨損、剪斷、遷移；兩斷裂面之間的摩擦（兩斷裂面之間的剪切摩擦引導(dǎo)凹凸體的磨損遷移）；豎向裂隙（或裂紋）和斜裂隙（或裂紋）的發(fā)育等。這幾種破壞模式共同存在于巖石斷裂面的剪切蠕變過程中，并在斷裂面不同位置交替出現(xiàn)。

CT重構(gòu)巖石斷裂面加載前后的三維接觸形貌圖，初步了解斷裂面在剪切蠕變過程中的接觸損傷狀態(tài)：斷裂面在剪切蠕變過程中微凸體附近容易產(chǎn)生損傷破壞，形成空洞或初始裂隙，隨著剪力的加載大量空洞和裂隙發(fā)展形成裂紋網(wǎng)絡(luò)，裂紋網(wǎng)絡(luò)貫通形成新斷裂面。

參考文獻(xiàn)