斷裂巖石細觀破壞機理及三維接觸損傷

王煜曦，王金安，牛升晟

（1.北京市地熱研究院，北京 102218；2.北京科技大學土木工程學院，北京100083）

0 引言

巖石蠕變機理的研究對巖體長期穩定性有著重要意義，在國內外研究活躍（孫鈞，2007）。目前關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）對紅砂巖進行流變斷裂試驗研究，得到了該類巖石流變斷裂準則, 并結合流變力學的理論對流變準則中的有關斷裂參數作了進一步說明：巖石材料存在3 個閥值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，利用初始強度因子K1在K1C1、K1C2、K1C3不同范圍之內判斷巖石流變現象；如研究原狀、重塑和飽和黃土的蠕變特性（王松鶴等，2010），根據3種蠕變曲線形態特征，提出一種對數型蠕變模型，擬合出剪切模量和法向應力、時間的關系，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構面的蠕剪特性，如典型紅層軟巖軟弱夾層剪切蠕變性質研究一文（陳強等，2009），分析了軟巖弱夾層剪切蠕變特性，為勘探設計提供巖石蠕變剪切強度參數的選取參考；又如對含有軟弱結構面的大理巖試樣進行分級加載的剪切流變試驗（沈明榮等，2010），實驗表明結構面剪切蠕變的破壞特征與結構面的發育程度密切相關。第三大類是觀察巖石在蠕變過程中的裂紋擴展。為了進一步研究巖石內部裂紋發育、生長、蠕變失效細節，一些學者借助工業CT對蠕變巖石進行研究。工業CT在20世紀90年代進入了對巖石損傷特性研究的新階段（楊更社等，1996）?，F階段工業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觀力學（Westman，2004）以及巖石或混泥土CT的三維重構技術（趙亮等，2011）。根據CT數的變化表征巖石材料的損傷破壞（楊更社等，1998），這些研究重點都是在工業CT基礎上對整塊巖石在蠕變過程中裂紋、缺陷發展進行力學和幾何學的表述。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用中成為控制巖體長期力學行為的主要因素。運用CT探索斷裂巖體蠕剪前后上下兩翼接觸狀態在國內外頗為少見，而斷裂巖石長期力學作用下的CT細觀接觸狀態、斷裂形式的研究是預測和減少山體滑坡的基礎。

本文使用工業CT，對兩種斷裂巖石蠕剪前后的斷裂面進行掃描。通過巴西和壓剪實驗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CT圖片分析不同加載階段斷裂巖石的蠕剪破壞機理，得到巖石不同斷裂面接觸磨損演化，利用Mimics軟件對斷裂面三維接觸進行重構，找出剪切蠕變實驗后新生斷裂面形成規律。為斷裂巖體長期力學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據依據。

1 實驗內容

巖石選用山西某礦山細砂巖，其基本物理和力學參數如表1所示。

表1 砂巖基本物理力學參數表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制的巖樣，運用液壓式屏顯萬能實驗機對巖樣進行壓剪和巴西劈裂實驗，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。端面應垂直于試樣軸線，最大偏差不超過0.25°。并把巖樣的六個面磨平，保證蠕變實驗時巖樣受力均勻。

（2）將巖樣放在剪切角為20°的模具內，應用萬能試驗機對其加載獲得壓減斷裂面巖樣，選取3個壓減破壞強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承壓板中心，用萬能試驗機調整承壓板使試樣均勻受載。選取3個破壞后斷裂面較完整的試樣，如圖2。

圖1 壓剪實驗和原理圖Fig.1 The pictures of Compressive shear experiments

圖2 巴西劈裂實驗和原理圖Fig.2 The pictures of Brazil experiments and schematic

斷裂巖石原狀態嚙合好，進行蠕變前的第一次CT掃描，CT掃描儀全名為ACTIS300-320/225工業CT（ICT)，也叫X光射線掃描儀（中國礦業大學（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室），如圖3所示。實驗所用CT光源為320kV的射線源。每個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標準圖像為16 位灰度，1024 像素×1024 像素。

隨后采用RLJW-2000微機控制三軸剪切流變試驗機對掃描后的斷裂巖石進行蠕變實驗，在不同法向壓力條件下，分別對兩類斷裂巖石進行了切向載荷分級加載的實驗。待剪切荷載加到估算抗剪強度值的一半，保存蠕變試驗過程中的荷載和變形數據，標記斷裂巖樣上下兩翼相對位置，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。再把斷裂巖樣按標記好的相對位置放在蠕變實驗機上加載，直到巖石斷裂面有明顯的相對位移，蠕變實驗結束，使用CT再次記錄蠕變加載后斷裂巖樣兩翼的接觸狀態。

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

實驗分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，剪切蠕變實驗中法向力分別為12.5、25、37.5、12.5、25、37.5KN，剪力分級加載，每級剪力持續10～12h，直到試件破壞為止。第二組砂巖巖樣試樣2-B1、2-S1，巖石蠕變實驗中法向力為30kN，剪力分級加載，每級剪力持續24h，直到巖樣破壞為止，隨后將荷載卸下并保存蠕變試驗過程中的加載和變形數據。

隨后將荷載卸下并保存蠕變試驗過程中的加載和變形數據。表2為巖樣加載方式。

2 巖石斷裂面細觀破壞機理和和抗剪強度特征

2.1 巖石斷裂面損傷模式

為了便于研究，本文根據摩擦學原理把斷裂巖石表面凹凸形態劃分為粗糙度和起伏度，統稱為粗糙性。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生剪脹，隨著蠕變剪力的加載斷裂面周圍產生新的剪切破壞面，斷裂面附近橫向縱向裂隙幾乎同時出現，橫向裂隙引發縱向裂隙并引導其發展方向。

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，在蠕變實驗中幾乎都沒有微裂隙的萌生，在剪切蠕變實驗進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，隨著剪力的繼續加載越來越多的凹凸體被剪斷、磨損，當眾多凹凸體被剪斷、磨損后斷裂面發生剪切失穩，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掃描圖像的詳細觀察，剪切蠕變破碎巖石的失穩模式總結如下：

（1）起伏面的剪斷。壓剪斷裂巖樣抗剪強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，在起伏面附近產生裂隙，隨著剪力的加載裂隙逐漸發展為裂紋并伴有部分起伏面的剪斷，最終導致巖樣失穩，如圖5(a)所示。

圖5 不同斷裂巖樣剪切失穩破壞圖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，在蠕變實驗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，當法向力較低時兩斷裂面隨剪切力的加載產生摩擦滑移。

（4）裂紋二次發育：當斷裂巖樣在剪切蠕變中法向力較大時，在斷裂面附近容易產生二次裂紋的生長發育，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縱向或類似45°斜裂紋，這些斜裂紋貫穿巖樣導致斷裂巖樣破碎。

（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隨斷裂面微凸體或起伏面的磨損而再一次生長發育，斷裂巖石的剪切破壞機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

通過圖可以發現并不是所有微裂隙都會發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微裂隙可以發育成新斷面或新裂紋。

以上可以總結出兩類斷裂巖石剪切蠕變破壞模式主要有以下幾點：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凹凸體的磨損遷移）；豎向裂隙（或裂紋）和斜裂隙（或裂紋）的發育等。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。

2.2 斷裂巖石抗剪強度特征

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

構成斷裂巖石抗剪強度機理的復雜性與斷裂表面形態和細觀結構有關，對于不同斷裂機制的巖石表面，起伏度和粗糙度的大小影響巖石的抗剪強度。拉破壞巖樣表面相對平坦，微凸體分布均勻密集，抗剪強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生的剪脹，在剪切蠕變過程中這兩者相互交織、轉化。

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

3 巖石斷裂面三維接觸損傷重構

圖9 拉破壞巖樣2-B1剪切蠕變實驗前斷裂面三維形態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剪切蠕變實驗后斷裂面三維形態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剪切蠕變實驗后CT斷裂面三維圖。由圖(a)和圖(b)可以看出斷裂巖樣經過剪切蠕變實驗后斷裂面上萌生了兩個翼狀斷裂面，新生斷裂面彎曲延伸貫穿半個巖樣。較小新生斷裂面并沒有發育完全可以看到三維新生斷面上有空洞和網狀裂紋。

圖11是壓剪斷裂巖樣2-S1剪切蠕變實驗前CT三維重構圖，由圖11 (c)可以發現壓剪斷裂面起伏較大。

圖11 壓剪破壞巖樣2-S1剪切蠕變實驗前斷裂面三維形態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剪切蠕變實驗破壞后的CT三維重構圖，巖樣2-S1剪切蠕變實驗后破壞嚴重，由圖可看出剪切蠕變失效后斷裂面接觸嚙合區域增多，圖12 (a)和(b)可以發現上下巖樣翼狀斷裂面發展方向相似，巖樣內部斷裂面空間發育充分，幾乎擴展到巖樣表面，也有部分懸空斷裂面在巖樣內部。

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

剪切蠕變實驗后新生斷裂面形成規律：①原主斷裂面巖石晶狀體（微凸體）在剪切蠕變實驗中容易被剪斷或破壞并在其附近產生空洞或微裂隙；②隨著剪力加載，大量空洞聚集發展成裂隙，裂隙交錯生長連成裂紋網絡，裂紋網絡發育成新斷裂面。

4 結論

本文通過CT揭示斷裂巖樣雙翼表面細觀接觸狀態、接觸損傷演特征，結合CT掃描的斷層圖片和三維重構模型，詳細表述斷裂巖石剪切蠕變前后巖石內部細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、微孔洞發展等表面接觸損傷演化規律。

兩類斷裂巖石剪切蠕變破壞模式主要有以下幾點：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凹凸體的磨損遷移）；豎向裂隙（或裂紋）和斜裂隙（或裂紋）的發育等。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。

CT重構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：斷裂面在剪切蠕變過程中微凸體附近容易產生損傷破壞，形成空洞或初始裂隙，隨著剪力的加載大量空洞和裂隙發展形成裂紋網絡，裂紋網絡貫通形成新斷裂面。

參考文獻