花岗岩受压宏-细观破坏特征及能量演化规律_马文强.pdf
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1、 :文章编号:()花岗岩受压宏细观破坏特征及能量演化规律马文强,王酒婷(信阳师范学院 建筑与土木工程学院,河南 信阳 )摘要:为揭示花岗岩单向受压时的破坏特征及能量演化规律,首先,通过偏光显微镜观察分析了花岗岩的矿物成分、含量及颗粒形貌;其次,开展了花岗岩的室内单轴压缩及巴西劈裂试验,得到了相关应力应变曲线及力学参数;然后分别从宏细观角度分析了花岗岩单轴压缩的破坏特征,并借助场发射扫描电子显微镜观察了破坏断口的形貌特征;最后,基于能量理论分析了花岗岩在单轴压缩过程中的能量演化特征。结果表明,花岗岩属于典型的非均质脆性岩石,其单轴压缩应力应变曲线几乎没有屈服阶段,弹性阶段应力达到峰值后瞬间爆裂,
2、且无残余强度;花岗岩单轴压缩破坏机制为剪、拉耦合破坏,且二者空间分布位置不同;花岗岩在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能,这是孕育岩爆的根本原因,而花岗岩单轴压缩过程中能量的演化不存在减速损伤阶段和残余损伤阶段,这是导致岩爆产生的主要原因。关键词:花岗岩;岩爆;破坏特征;能量演化中图分类号:文献标识码:开放科学(资源服务)标识码():,(,):,(),:;引言自然界的岩石多为非均质脆性材料,成岩矿物颗粒的成分、尺寸在空间上具有非均匀性,这种非均匀性导致岩石的物理力学特性具有宏观不连续性,其破裂机制也与均匀材料大为不同。传统的岩石力学理论建立在均匀模型的基础上,而面对细观非均匀岩石在破坏过程中
3、所表现出来的特殊力学响应,均匀模型并不能给出较为满意的解释。此外,在深部地下工程中,高应力作用下的非均质脆收稿日期:;修订日期:;通信联系人,:基金项目:国家自然科学基金项目();河南省科技计划项目(,);信阳师范学院“南湖学者”奖励计划青年项目;信阳师范学院研究生创新基金项目()作者简介:马文强(),男,河南渑池人,副教授,博士,主要从事岩石力学及隧洞围岩控制方面的研究。信阳师范学院学报(自然科学版)第 卷第期 年月 岩也有较大的岩爆发生率,而岩爆是岩石内部能量积聚和释放的结果。因此,研究非均质脆岩受压过程中的宏细观破坏特征及能量演化规律更具有实际意义。目前对非均质脆岩力学特性、裂纹扩展及能
4、量演化的研究主要以数值模拟和室内试验为主。通过数值方法来模拟非均质脆岩的破裂过程一直是岩石力学中的热点之一。因为数值模拟可以再现岩石在整个破坏过程中的裂纹起裂、扩展、贯通及分布,为从细观角度研究非均质脆岩破裂机制提供了优越条件。建立非均质脆岩数值模型的方法主要有以下几种:应用 分布函数,实现离散元或有限元数值模型中块体(球体)颗粒或单元力学参数的非均匀分布,模拟非均质岩石材料;应用离散元软件(以 和 为主)建立 模型,根据矿物组成及含量随机生成非均质模型;根据矿物组成及含量,借助离散元软件通过颗粒成簇算法随机生成非均质岩石材料;基于数字图像处理技术,将非均质岩石图像转化为数字矩阵,并导入数值软
5、件,建立具有真实细观结构的非均质岩石材料。国内外学者应用这种方法已建立了多种非均质岩石材料数值模型,开展了各种条件下的岩石破裂模拟工作,取得了丰硕的成果。但目前的建模方法仍存在不同程度的缺陷,比如方法、并未建立真实细观层面上的非均质模型,而方法仅能建立二维层面的非均质模型,这与实验室内的岩石材料在空间上并不匹配。因此,数值方法得到的非均质脆岩细观破裂特征方面的结果,无法从真实意义上揭示其破坏机制,只能对室内实验结果起到辅助解释和验证的作用。大量的室内试验结果表明,非均质脆性岩石的力学参数、破坏机制和能量演化与众多影响因素有关,包括尺寸效应、脆性指标、围压 和应力路径 等。除了这些外在因素,真正
6、决定非均质脆岩力学特性及破坏过程的内在因素是其自身的矿物组成和微观结构。因为非均质脆岩的破坏往往起始于矿物颗粒内部或之间微裂纹的出现,微裂纹的不断扩展和贯通最终形成宏观断裂面。因此,需从细观角度出发对破裂前后非均质脆岩的矿物组分及微观结构开展研究。偏光显微镜、激光扫描显微镜和扫描电子显微镜也逐渐被用来发现和鉴定 非 均 质 岩 石 的 矿 物 组 成、含 量 及 细 观 形貌,。但如何将观察到的细观成分像及形貌像与非均质脆岩的宏观破裂面及破坏形态联系起来,从宏细观角度揭示岩石的破坏机制,仍是值得探索和研究的课题。此外,一切材料的破坏都可从能量演化的角度进行分析和解释,高压下的脆性岩石易出现爆裂
7、现象,这是其内部能量积聚并瞬间释放的表现,这与软岩及其他延性材料是不同的,因此,研究非均质脆岩受压过程中能量的演化规律对揭示其岩爆的孕育和发生具有重要意义。本文以花岗岩(非均质脆岩)为例,拟通过偏光显微镜观察确定其矿物颗粒的形貌、成分及含量;其次通过室内单轴及巴西劈裂试验得到花岗岩的应力应变曲线及力学参数,然后借助场发射扫描电子显微镜从宏细观角度分析花岗岩的破坏特征及机制;最后分析压缩过程中花岗岩的能量演化特征,揭示非均质脆岩发生岩爆的能量驱动机制。花岗岩矿物组分及微观结构微观试验样品制备为开展微观试验,将取来的岩石样品切割打磨成薄片标本并编号(见图)。标本肉眼观察呈灰白肉红色,花 岗 结 构
8、(半 自 形 粒 状 结 构),块 状构造。图花岗岩显微薄片 矿物成分及含量微观鉴定试验岩样为中粗粒黑云母二长花岗岩,取自山东日照。本 试 验 应 用 徕 卡 偏 光 显 微 镜(型 号:)对制备的花岗岩薄片样本进行观察鉴定。薄片中岩石具花岗结构(半自形粒状结构,见 图),块 状 构 造。主 要 矿 物 成 分 为 石 英()、钾长石()、斜长石()、黑云母()等。其中,石英含量约为 ,半自形粒状,粒径在 之间。钾长石含量约为,半自形粒状,粒径 不等,呈淡褐红色。斜长石含量约,半自形粒状,粒径多 不等。黑云母含量约,多呈鳞片状,多数粒径。花岗岩薄片标本在显微镜下的照片见图。马文强,王酒婷 花岗
9、岩受压宏细观破坏特征及能量演化规律图正交偏光显微薄片图 花岗岩基础力学试验岩样制备大块的岩样取回后经过切割打磨,制备出 的长方体花岗岩试件和 的圆盘试件(见图),试件两端面的不平整度小于。图加工完成的花岗岩试件 单轴压缩试验试验 采 用 微 机 控 制 电 液 伺 服 万 能 试 验 机()对加工后的花岗岩试件进行单轴压缩试验。为获取试验过程中试件的动态裂纹扩展及破坏情况,采用高清数码摄像机配合补光灯进行全程录像。单轴压缩的应力应变曲线见图。各个试件的单轴抗压强度和弹性模量见表(表中 和分别代表单轴抗压强度和弹性模量),所选用花岗岩试件的 均值为 ,均值为 。巴西劈裂试验巴西劈裂的力位移曲线见
10、图,抗拉强度参数见表(表中 代表巴西劈裂抗拉强度),所选用花岗岩试件的 均值为 ,压拉比为。图单轴压缩应力应变曲线 表花岗岩力学参数 试件编号 试件编号 均值 均值 图巴西劈裂力位移曲线 花岗岩单轴压缩宏细观破坏特征花岗岩单轴压缩宏观破坏特征由图可知,花岗岩单轴压缩条件下的应力应变曲线可分为个阶段:第阶段是原始裂隙压密阶段,随着应变的增加应力增速逐渐提高;第阶段是线弹性变形阶段,应力随应变匀速升高,在此阶段后期试件表面局部开始掉渣(碎屑和小碎块),接近应力峰值时试件发出“噼啪”声,是试件局部微裂纹贯通形成宏观裂纹的现象;第阶段是峰后破第 卷第期信阳师范学院学报(自然科学版):年月坏阶段,应力达
11、到峰值点后试件发出更加密集、更大的“噼啪”声,试件表面有片状岩块鼓出、剥离随后可听到“砰”的脆响,试件瞬间炸裂,产生浑浊气浪并伴有破碎岩块弹出(见图),应力瞬间跌至。本试验中的花岗岩样品几乎没有屈服阶段,弹性阶段应力达到峰值后瞬间破坏,试件破坏后没有残余强度。图花岗岩试件爆裂瞬间产生的浑浊气浪及碎块弹射 花岗岩的宏观破坏形态见图,为 状共轭斜面剪切破坏模式(锥形破坏),其破坏机制为剪拉破坏。试件与承压板接触的上下两个锥形区域受压应力,产生剪切破坏,主要表现为斜面剪切滑移,产生大量岩石碎屑及粉末(见图);其他区域(试件四周)则受拉应力,产生拉破坏,主要表现为试件侧表面横向鼓出和剥离。图花岗岩试件
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