岩石细观损伤力学基础

第1章　绪论 　　随着“十三五”规划的出台，建设综合交通运输体系，统筹能源与通信、交通等基础设施网络建设等措施相继提出，而岩土工程在水电站建设、能源体系建立、轨道交通完善等工程中都有着举足轻重的地位，发挥着重要作用。在这些复杂的实际工程(如地下隧洞开挖、边坡防护、矿山开采工程等)中，岩体裂隙在工程施工过程以及周围环境的影响下，原生裂纹逐渐扩展并贯穿岩体，*终导致岩体失稳破坏，会对工程产生非常大的影响，所以深入开展三维岩石裂纹起裂、扩展、贯通破坏过程以及含裂隙岩体断裂机制的研究不仅在理论层面对岩石力学、地质学等基础学科起到指导作用，同时还可为岩土工程中的资源开采、隧洞开挖、灾害防治等实际问题提供理论基础。 　　岩石作为长久地质运动的产物，是由多种矿物晶粒和胶结物组成的混杂体，在经过数亿年的地质演变及复杂构造运动后，由于各类岩石不同的地质形成过程，形成了不同数量、不同尺度上的微裂纹、微孔洞，致使岩石材料在化学成分和物理性质上均具有较为复杂的特性。其中，土木工程所关心的是岩石的力学属性，即多样性、非线性、各向异性及随时间变化的流变特性等。 　　由于大型岩体工程中地质条件的复杂性和不确定性，在施工及使用过程中，随岩体所受外荷载等因素的变化，往往会有大量宏观裂纹萌发、贯穿，导致岩体力学性质发生微妙变化，这不仅对围岩稳定性产生重大影响，而且有可能导致许多工程危害和自然灾害。例如，法国马尔帕塞大坝的失稳破坏工程事故是坝基片麻岩中出现大量弥散裂纹造成的；我国长江三峡奉节段的滑坡及意大利的瓦依昂边坡滑移等工程事故都与岩石内部裂纹萌生、扩展有关。可见，岩体工程中的许多工程事故均与其内部微裂纹的萌生、扩展息息相关。关于岩石微损伤的作用机理研究是当今国际土木工程学科的热门课题，所以深入开展岩石微损伤机理的研究具有重要的理论意义和现实意义。 　　然而，即使同一类岩石在不同的工程地质状况中也会表现出多种多样的工程特性和现象，岩石宏观力学性质的变化过程与岩石内部微损伤的变化过程有关，所以从定量角度研究岩石微损伤的特征参数与岩石宏观力学性质之间的关系，对研究同类岩石在不同工程地质状况中表现出的工程力学特性有重要作用。 　　1.1　问题的提出 　　岩石作为一种重要的土木工程材料，已经具有相当长的历史，是古今中外工程中修建城池、房屋、园林、桥梁、道路、军事工程、水利工程等经常使用的建筑材料。以岩石为主要建筑材料的土木工程实例不胜枚举，例如，被称为世界奇观之一的埃及吉萨金字塔，就是历经了5000余年沧桑的岩石结构体系，罗马古城、古希腊雅典卫城以及中国万里长城的主要建筑材料也是岩石，可见作为经典土木工程材料的岩石给人类留下了宝贵而丰富的物质文化遗产。 　　随着建筑业的发展，世界各国相继修建了一系列大型水利水电工程、地热开采工程、石油天然气工程、环境工程、核废料储存工程，以及大量铁路、公路、地铁隧道工程，使得岩石材料得到广泛应用，同时结构的稳定性及裂缝的产生也倍受关注。随着世界能源战略的演变，世界矿山和石油进入超深度开采期，工程规模和难度也日益增大。这些机遇和挑战，要求我们对复杂条件下岩石力学与工程的研究更加深入，研究的理论和分析方法有所突破，以保证与岩石有关的各项工程可以安全、经济、高效运行。岩石经过漫长地质年代的演化和多次复杂的构造运动，其成分复杂，并且有一系列随机分布的微孔隙和微裂纹(图?1.1)，这些不同数目、不同尺寸的微裂纹影响甚至决定着岩体的力学性质，如非线性、各向异性等，而这些正是岩石力学与工程所关注的。 　　图1.1　岩石内部的微裂纹 　　随着我国西部大开发进程的发展及大型水利水电工程的兴建，工程的安全性和稳定性成为研究人员关注的焦点。大理岩在全国分布的范围广泛，是西部水利水电工程*常见的一种岩石，大理岩中发育着大小不等、随机分布的微裂纹，由于这些微缺陷的存在，在力的作用下，岩体的强度特性和力学特性变得更加复杂。 　　从细观尺度进行研究，认为岩石在细观尺度上同样为一结构体，即岩石细观尺度微结构体，对此结构体的力学性质和物理性质进行研究，从而获取岩石细观层面损伤破坏信息。以往通常使用扫描电子显微镜(scanning electronic microscope，SEM)来获取岩石细观尺度微结构损伤信息，主要是观测岩石在某类试验前后的细观尺度微结构变化，并说明细观尺度微结构变化的特点，其中存在两方面的问题：①未对细观尺度微结构损伤变化过程进行探究，阻碍了对岩石细观损伤机理的深入了解；②由于过去试验结果处理技术限制，大部分试验为定性层面描述。随着体视学理论和数字图像处理技术的迅猛发展，减少上述两方面对岩石细观尺度损伤研究的制约成为可能，在此基础上，进一步建立基于SEM损伤信息的损伤本构模型，从而能更好地反映、解释岩石的宏观物理力学特性。从量化损伤信息的角度研究岩石细观尺度微结构损伤变化过程，搭建岩石的宏观物理力学性质与细观尺度微结构损伤变化之间的量化桥梁，不仅对岩石力学理论在损伤力学阶段的进一步深入研究具有一定的科学意义，而且对分析和评价宏观岩石、岩体的工程性质也有着重要的现实意义。 　　目前在岩石细观损伤破坏过程的检测方面，光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜等广泛应用于岩石表面的分析测试中，随着电子显微镜技术的不断完善，可以在电子显微镜的观察下对岩石试样进行加载试验，进而对岩石试样在荷载条件下裂隙产生、发展，直至试样破坏的全过程进行更加详细的研究。运用计算机断层扫描(computed tomography，CT)技术对岩石内部细观尺度进行观测分析。此外，声发射(acoustic emission，AE)技术在岩石细观尺度损伤量测上也得到广泛使用。实践表明，应用较多的有效方法是SEM、CT技术以及AE技术。以往通过SEM获取岩石细观结构特征，主要是定性地观测岩石在试验中或试验前后的细观结构变化，大多没有提升到定量的层面，所以本书为了对岩石细观结构特征给出定量描述，依据体视学理论并结合损伤力学理论设计一套通过SEM获取岩石细观结构特征参数的试验方法。除通过SEM对岩石切片进行观察外，还必须对获取到的细观结构图像采用数字图像处理技术进行图像增强和图像分割，*后检出并量测图像特征。通过定量的岩石细观结构试验研究，将岩石细观结构量化理论引入损伤力学理论中，本质上能更好地反映岩石的变形特性，*终可运用于各种工程实际情况。定量分析研究岩石细观结构，建立岩石力学性质与细观结构的内在联系，不仅对岩石力学理论的深入研究具有一定的科学意义，而且对分析和评价岩石的工程性质及其对工程建设的适应性也有着重要的现实意义。 　　现实中的裂纹一般都是三维的，并且具有复杂的形状和任意扩展的路径，长期以来，岩体中裂纹沿曲线或曲折路径扩展是一个棘手的力学难题，传统断裂力学中对裂纹是平直的假设不再成立，因此理论的研究方法显得束手无策，对其研究大多是从试验方面展开，唯象的经验性结果占大多数，而且以平面裂纹为主。计算机的发展为数值模拟奠定了基础，近十年来，扩展有限元法逐渐成为一种处理非连续场、局部变形和断裂等复杂力学问题极具应用前景的新方法，其核心思想是用扩展的带有不连续性质的形函数来表示计算域内的间断，因此在计算过程中，不连续场的描述完全独立于网格边界，这使其在处理断裂问题上具有独*的优势。扩展有限元法的另一大优势是可以充分利用已知解析解来构造形函数，在较粗网格上就能得到较精确的解答。 　　综上所述，无论水利水电工程还是地下资源开采都会涉及岩体力学问题，即不可避免地会涉及岩石细观损伤的研究，也是一项具有理论研究和实际工程应用前景的重大课题。围绕上述问题，必须对裂隙岩体的微观损伤进行综合、系统、深入的研究，其涉及力学、结构、材料等多学科交叉，是应用基础研究中的前沿课题，对推动裂隙岩体的损伤演化等方面的发展具有重要意义，也是我国西部能源开发利用工程建设中迫切需要解决的重大工程关键技术问题，其研究成果具有广泛的应用前景。 　　1.2　国内外研究现状 　　20世纪20年代，Griffith通过对玻璃陶瓷等脆性材料的破坏试验，*早从理论和试验研究中取得了重要突破，奠定了脆性材料断裂力学的基础，由此推动了岩石损伤力学的发展。到了20世纪80～90年代，以断裂力学为基础发展的岩石微裂隙损伤研究已经有了很大发展。近年来，岩石力学研究趋势逐渐向更细致的微观裂隙扩展方面转变，特别是岩体微观裂隙损伤方面，研究人员可以通过理论与试验相结合来解决大部分工程问题。岩石微细结构的量化试验就是研究岩体内的微裂隙和微孔洞的三维形状参数。基于微裂隙的长度、方位角、间距和面积等形状参数，得到岩石的初始细观结构损伤张量，将细观结构损伤张量引入损伤理论，从而得到岩石的本构模型。我们在前人的研究成果基础上进行总结，对岩体裂隙的演化、损伤进行量化、系统、深入的研究。 　　1.2.1　基于数字图像处理技术的岩石细观量化试验研究 　　在地质环境下，岩石表现出的众多复杂的工程特性和现象均与其内部微细结构的形态和变化有关，所以定量给出岩石细观结构特征参数并研究其与宏观力学作用之间的关系，能够进一步了解岩石的力学变形特性。从国内外岩石微细结构研究的情况来看，主要是研究岩石微细结构体与其宏观力学行为之间的关系，进而用特定的结构模型来表征岩土体的工程性质。过去，已有诸多学者在岩石微细结构方面做了大量的定性研究，同时在定量研究方面也有较大进展。 　　Howarth等[1]通过对岩石切片图像进行分析，建立了岩石微细颗粒参数量化(形状、方位角和相对比例等)的方法，并与岩样的力学强度进行比较，得到两者间的相互关系。Mehta等[2]讨论了利用光学显微镜对岩石、砖和水泥等材料微观进行量化的可行性，并与X射线衍射方法进行了比较。Wong等[3]研究了初始微裂隙密度和岩石微颗粒尺寸对Yuen Long大理岩单轴抗压强度的影响。Hatzor等[4]研究了白云石的细观结构与微裂隙起裂的初始应力和试样*终强度之间的关系，发现岩石微观结构对其强度极限的影响较大。Wu等[5]利用光学显微镜和SEM研究了Darley Dale砂岩在压缩破坏过程中各向异性损伤的微观力学演化过程，得到了微裂隙密度与应变之间的关系。Prikryl[6]利用岩相图像分析在单轴压缩下表现出不同力学性质的相同岩性岩样的微观结构，发现颗粒尺寸对岩样的强度影响*大，而且岩样的各向异性越大，其颗粒形状越呈现方向性。Menéndez等[7]探讨了运用激光共焦点扫描显微镜来研究岩石中微裂隙和微孔洞网络的方法。 　　国内学者也对裂隙的图像量化处理进行了大量研究。1995年，赵永红[8]对大理岩单轴压缩下裂纹随外荷载增加的变化过程进行了扫描电子显微镜实时观测研究。1998年，张梅英等[9]利用带有*大荷载为2000N的台钳式加载装置的S-570扫描电子显微镜完成了单轴压缩过程中岩石变形破坏机理的研究。同年，吴立新等[10]完成了煤岩损伤扩展规律的实时压缩扫描电子显微镜研究。上述研究有力地推动了岩石损伤检测技术的发展，对岩石破坏机理的研究起到了积极的推动作用。 　　1.2.2　大理岩细观结构损伤与量化统计分析研究 　　对岩体裂隙进行定量、定性描述需要成熟的数字图像处理(digital image processing)技术，其是利用计算机对各种数字图像进行处理以获取数字信息的技术[11]，根据数字图像及所需信息的特点，编制相应的图像处理算法，进一步突出所需的信息，屏蔽干扰信息；可结合统计学理论，对图像进行数字重构等操作，进而丰富了由数字图像获取的信息量。然而，图像处理的原始数据需要借助现代试验设备进行室内试验，岩石的细观损伤研究离不开细观试验与检测技术。岩石断裂损伤方面研究所用的试验有模型材料试验、AE试验、SEM试验和CT试验。 　　国内外众多学者都对模型试验下的岩石破坏过程进行了深入研究，取得了许多研究成果。Wong等[12]利用内含两条平行预制裂纹的类岩石材料进行单轴压缩