断裂岩石细观破坏机理及三维接触损伤

王煜曦，王金安，牛升晟

（1.北京市地热研究院，北京 102218；2.北京科技大学土木工程学院，北京100083）

0 引言

岩石蠕变机理的研究对岩体长期稳定性有着重要意义，在国内外研究活跃（孙钧，2007）。目前关于岩石的蠕变研究大致分为三方面，第一大类研究完整岩石下的蠕变特性，如程有亮等（1996）对红砂岩进行流变断裂试验研究，得到了该类岩石流变断裂准则, 并结合流变力学的理论对流变准则中的有关断裂参数作了进一步说明：岩石材料存在3 个阀值K1C1, K1C2 , K1C3，分别称为流变断裂韧度的流变下限, 破坏下限, 破坏上限，利用初始强度因子K1在K1C1、K1C2、K1C3不同范围之内判断岩石流变现象；如研究原状、重塑和饱和黄土的蠕变特性（王松鹤等，2010），根据3种蠕变曲线形态特征，提出一种对数型蠕变模型，拟合出剪切模量和法向应力、时间的关系，为确定剪切模量提供一条新途径。第二大类是研究岩石弱结构面的蠕剪特性，如典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究一文（陈强等，2009），分析了软岩弱夹层剪切蠕变特性，为勘探设计提供岩石蠕变剪切强度参数的选取参考；又如对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载的剪切流变试验（沈明荣等，2010），实验表明结构面剪切蠕变的破坏特征与结构面的发育程度密切相关。第三大类是观察岩石在蠕变过程中的裂纹扩展。为了进一步研究岩石内部裂纹发育、生长、蠕变失效细节，一些学者借助工业CT对蠕变岩石进行研究。工业CT在20世纪90年代进入了对岩石损伤特性研究的新阶段（杨更社等，1996）。现阶段工业CT大致研究岩石的裂纹、缺陷演化（李文平等，2003）、岩石在不同载荷下的细观力学（Westman，2004）以及岩石或混泥土CT的三维重构技术（赵亮等，2011）。根据CT数的变化表征岩石材料的损伤破坏（杨更社等，1998），这些研究重点都是在工业CT基础上对整块岩石在蠕变过程中裂纹、缺陷发展进行力学和几何学的表述。众所周知，工程岩体普遍存在受力情况下的各种断裂面，受力情况下的断裂面在工程应用中成为控制岩体长期力学行为的主要因素。运用CT探索断裂岩体蠕剪前后上下两翼接触状态在国内外颇为少见，而断裂岩石长期力学作用下的CT细观接触状态、断裂形式的研究是预测和减少山体滑坡的基础。

本文使用工业CT，对两种断裂岩石蠕剪前后的断裂面进行扫描。通过巴西和压剪实验获得不同类型的岩石断裂面，并使用CT扫描蠕剪前后的岩石断裂面，根据CT图片分析不同加载阶段断裂岩石的蠕剪破坏机理，得到岩石不同断裂面接触磨损演化，利用Mimics软件对断裂面三维接触进行重构，找出剪切蠕变实验后新生断裂面形成规律。为断裂岩体长期力学行为下接触面接触演化和次生断裂面的生长研究提供理论数据依据。

1 实验内容

岩石选用山西某矿山细砂岩，其基本物理和力学参数如表1所示。

表1 砂岩基本物理力学参数表Tab.1 Physico-mechanical parameters for sandstone

岩石材料的张破裂及剪破裂是岩石材料在单轴压缩及中低围压三轴压缩状态下的两种主要破坏形式（曾亚武等，2002）。为了获得岩石两种主要破坏模式的断裂面，本文分别用压剪切破坏和巴西劈裂破坏得到两种断裂机制的岩样，运用液压式屏显万能实验机对岩样进行压剪和巴西劈裂实验，制取试样的具体程序如下：

（1）将砂岩切割成尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的试件，两端面的不平行度最大不超过0.05m。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25°。并把岩样的六个面磨平，保证蠕变实验时岩样受力均匀。

（2）将岩样放在剪切角为20°的模具内，应用万能试验机对其加载获得压减断裂面岩样，选取3个压减破坏强度差别较小的断裂面试样，如图1。

（3）做巴西劈裂断裂面：取直径2mm的钢丝，作为硬垫条，用914 胶粘于试样加载面上，将试样平置于压力机承压板中心，用万能试验机调整承压板使试样均匀受载。选取3个破坏后断裂面较完整的试样，如图2。

图1 压剪实验和原理图Fig.1 The pictures of Compressive shear experiments

图2 巴西劈裂实验和原理图Fig.2 The pictures of Brazil experiments and schematic

断裂岩石原状态啮合好，进行蠕变前的第一次CT扫描，CT扫描仪全名为ACTIS300-320/225工业CT（ICT)，也叫X光射线扫描仪（中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室），如图3所示。实验所用CT光源为320kV的射线源。每个断裂岩样的扫描切片厚度为0.1mm，扫描间隔约为0.3mm，每块岩石约17张CT图片，岩样CT断层图像单位像素长度为0.236mm，扫描的图片分辨率为500×280。ICT标准图像为16 位灰度，1024 像素×1024 像素。

随后采用RLJW-2000微机控制三轴剪切流变试验机对扫描后的断裂岩石进行蠕变实验，在不同法向压力条件下，分别对两类断裂岩石进行了切向载荷分级加载的实验。待剪切荷载加到估算抗剪强度值的一半，保存蠕变试验过程中的荷载和变形数据，标记断裂岩样上下两翼相对位置，取下断裂岩样，用CT扫描断裂岩石在蠕变中的损伤接触状态。再把断裂岩样按标记好的相对位置放在蠕变实验机上加载，直到岩石断裂面有明显的相对位移，蠕变实验结束，使用CT再次记录蠕变加载后断裂岩样两翼的接触状态。

图3 ACTIS300-320/225工业CT扫描试验系统Fig.3 ACTIS300-320/225 Industrial computed tomography(CT) scanning test system

实验分2组岩样，每组岩样加载方式不同（B为拉破坏岩样，S为压剪破坏岩样）。第一组岩样1-B1、1-B2、1-B3、1-S1、1-S2、1-S3，剪切蠕变实验中法向力分别为12.5、25、37.5、12.5、25、37.5KN，剪力分级加载，每级剪力持续10～12h，直到试件破坏为止。第二组砂岩岩样试样2-B1、2-S1，岩石蠕变实验中法向力为30kN，剪力分级加载，每级剪力持续24h，直到岩样破坏为止，随后将荷载卸下并保存蠕变试验过程中的加载和变形数据。

随后将荷载卸下并保存蠕变试验过程中的加载和变形数据。表2为岩样加载方式。

2 岩石断裂面细观破坏机理和和抗剪强度特征

2.1 岩石断裂面损伤模式

为了便于研究，本文根据摩擦学原理把断裂岩石表面凹凸形态划分为粗糙度和起伏度，统称为粗糙性。前者在较小尺度上表征断裂面的光滑程度，后者是在较大尺度上描述断裂面的平整程度。

如图4(a)（图中红色箭头表示法向加载和剪切加载）压剪断裂岩石断裂面起伏度较大，在蠕变初始阶段微凸体在法向力作用下被压密，随着剪力的加载断裂面发生剪胀，随着蠕变剪力的加载断裂面周围产生新的剪切破坏面，断裂面附近横向纵向裂隙几乎同时出现，横向裂隙引发纵向裂隙并引导其发展方向。

拉断裂岩石由于断裂面粗糙度较大，起伏度比压剪断裂岩石小，在蠕变实验中几乎都没有微裂隙的萌生，在剪切蠕变实验进行中断裂面逐步被压密，断裂面的微凸体紧密啮合。在剪力加载过程中，部分凹凸体被剪断迁移，随着剪力的继续加载越来越多的凹凸体被剪断、磨损，当众多凹凸体被剪断、磨损后断裂面发生剪切失稳，由图4(b)（图中红色箭头表示法向加载和剪切加载）显示拉破坏断裂面失稳后啮合较紧密。

图4 不同加载阶段断裂岩样CT图Fig.4 The different stages of loading of fractured rocks about CT images

通过CT扫描图像的详细观察，剪切蠕变破碎岩石的失稳模式总结如下：

（1）起伏面的剪断。压剪断裂岩样抗剪强度主要由断裂面上较大起伏面所控制，剪切蠕变过程中较大起伏面受挤压，在起伏面附近产生裂隙，随着剪力的加载裂隙逐渐发展为裂纹并伴有部分起伏面的剪断，最终导致岩样失稳，如图5(a)所示。

图5 不同断裂岩样剪切失稳破坏图Fig.5 The different fractured rocks of shear failure

图6 断裂岩样典型破坏模式图Fig.6 The typical damage patterns of fractured rock samples

（2）微凸体的剪断磨损。如图5(b)所示在剪力加载过程中，紧密啮合的微凸体被剪断，在蠕变实验后上下两翼断裂面的较小凹凸体磨损迁移。

（3）粗糙表面的接触摩擦。如图6(a)压剪断裂岩样1-S1断裂表面较平坦，当法向力较低时两断裂面随剪切力的加载产生摩擦滑移。

（4）裂纹二次发育：当断裂岩样在剪切蠕变中法向力较大时，在断裂面附近容易产生二次裂纹的生长发育，如图6(b)，图6(c)。有的二次裂纹垂直断裂面为纵向裂纹，有的二次裂纹是在凹凸体剪断附近出现纵向或类似45°斜裂纹，这些斜裂纹贯穿岩样导致断裂岩样破碎。

（5）裂纹愈合：如图7（图中红色箭头表示法向加载和剪切加载），压剪断裂岩样在初始加载阶段存在一些翼状裂纹，在剪切加载过程中翼状裂纹愈合，在这种情况下翼状裂纹不会随断裂面微凸体或起伏面的磨损而再一次生长发育，断裂岩石的剪切破坏机理不受翼状裂纹的影响。

图7 压剪断裂岩样1-S1裂纹愈合CT图Fig.7 the rock sample of compressive shear 1-S1 CT image of crack regrowth

通过图可以发现并不是所有微裂隙都会发育成裂纹或形成新断裂面，在剪切蠕变过程中，微裂隙变化多端：①微裂隙可以随加载过程愈合，②断裂面附近的微裂隙在剪切蠕变中有可能成为新的凹凸体，③微裂隙可以发育成新断面或新裂纹。

以上可以总结出两类断裂岩石剪切蠕变破坏模式主要有以下几点：较小凹凸体的磨损、剪断、迁移；两断裂面之间的摩擦（两断裂面之间的剪切摩擦引导凹凸体的磨损迁移）；竖向裂隙（或裂纹）和斜裂隙（或裂纹）的发育等。这几种破坏模式共同存在于岩石断裂面的剪切蠕变过程中，并在断裂面不同位置交替出现。

2.2 断裂岩石抗剪强度特征

图8是不同破断机制的岩样形成的剪切强度曲线，其剪切蠕变强度特征为：随着法向力的增高，断裂岩石的剪切强度总体呈增长趋势，但拉破坏岩样的抗剪强度明显大于压剪破裂岩样，且随法向力的增大，剪切强度的增加呈上升趋势。

构成断裂岩石抗剪强度机理的复杂性与断裂表面形态和细观结构有关，对于不同断裂机制的岩石表面，起伏度和粗糙度的大小影响岩石的抗剪强度。拉破坏岩样表面相对平坦，微凸体分布均匀密集，抗剪强度主要由微凸体的啮合所控制；压剪破坏岩样表面起伏较大，抗剪强度既有粗糙表面微凸体的摩擦，又伴有起伏面相互接触剪切过程中产生的剪胀，在剪切蠕变过程中这两者相互交织、转化。

图8 断裂岩石抗剪强度曲线Fig.8 Shear strength curves of fractured rocks

3 岩石断裂面三维接触损伤重构

图9 拉破坏岩样2-B1剪切蠕变实验前断裂面三维形态Fig.9 the Brazil rock (2-B1) about three-dimensional of fractured surfaces before creep shear

图10 拉破坏岩样2-B1剪切蠕变实验后断裂面三维形态Fig.10 the Brazil rock (2-B1) about three-dimensional of fractured surfaces after creep shear

图10为拉破坏岩样2-B1剪切蠕变实验后CT断裂面三维图。由图(a)和图(b)可以看出断裂岩样经过剪切蠕变实验后断裂面上萌生了两个翼状断裂面，新生断裂面弯曲延伸贯穿半个岩样。较小新生断裂面并没有发育完全可以看到三维新生断面上有空洞和网状裂纹。

图11是压剪断裂岩样2-S1剪切蠕变实验前CT三维重构图，由图11 (c)可以发现压剪断裂面起伏较大。

图11 压剪破坏岩样2-S1剪切蠕变实验前断裂面三维形态Fig.11 the rock of compressive shear (2-S1) about threedimensional of fractured surfaces before creep shear

图12是压剪岩样2-S1剪切蠕变实验破坏后的CT三维重构图，岩样2-S1剪切蠕变实验后破坏严重，由图可看出剪切蠕变失效后断裂面接触啮合区域增多，图12 (a)和(b)可以发现上下岩样翼状断裂面发展方向相似，岩样内部断裂面空间发育充分，几乎扩展到岩样表面，也有部分悬空断裂面在岩样内部。

图12 压剪破坏岩样2-S1剪切蠕变实验后断裂面三维形态Fig.12 the rock of compressive shear (2-S1) about threedimensional of fractured surfaces after creep shear

剪切蠕变实验后新生断裂面形成规律：①原主断裂面岩石晶状体（微凸体）在剪切蠕变实验中容易被剪断或破坏并在其附近产生空洞或微裂隙；②随着剪力加载，大量空洞聚集发展成裂隙，裂隙交错生长连成裂纹网络，裂纹网络发育成新断裂面。

4 结论

本文通过CT揭示断裂岩样双翼表面细观接触状态、接触损伤演特征，结合CT扫描的断层图片和三维重构模型，详细表述断裂岩石剪切蠕变前后岩石内部细观破坏模式以及断裂岩石蠕变过程中粗糙表面凹凸体磨损及亚表面微裂纹、微孔洞发展等表面接触损伤演化规律。

两类断裂岩石剪切蠕变破坏模式主要有以下几点：较小凹凸体的磨损、剪断、迁移；两断裂面之间的摩擦（两断裂面之间的剪切摩擦引导凹凸体的磨损迁移）；竖向裂隙（或裂纹）和斜裂隙（或裂纹）的发育等。这几种破坏模式共同存在于岩石断裂面的剪切蠕变过程中，并在断裂面不同位置交替出现。

CT重构岩石断裂面加载前后的三维接触形貌图，初步了解断裂面在剪切蠕变过程中的接触损伤状态：断裂面在剪切蠕变过程中微凸体附近容易产生损伤破坏，形成空洞或初始裂隙，随着剪力的加载大量空洞和裂隙发展形成裂纹网络，裂纹网络贯通形成新断裂面。

参考文献