脆性巖石損傷及物理性質(zhì)演化的實(shí)驗(yàn)研究

王小瓊

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者電子信箱，王小瓊：wxq4526＠163.com）

地殼巖石均含有一定數(shù)量的缺陷損傷，是強(qiáng)非均質(zhì)和各向異性材料，性質(zhì)復(fù)雜，取決于其所處的構(gòu)造和地質(zhì)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)表明，裂紋對(duì)巖石的孔隙度貢獻(xiàn)不大，幾乎可以忽略，但卻是影響巖石有效彈性性質(zhì)的主導(dǎo)因素而非孔隙。增加裂紋損傷會(huì)顯著地引起巖石物理性質(zhì)，包括強(qiáng)度、彈性性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)以及各向異性等的變化。另外，大部分地殼巖石的裂紋和孔隙都處于流體飽和狀態(tài)，裂紋中的流體通過(guò)化學(xué)和力學(xué)作用顯著影響巖石性質(zhì)的變化。因此理解脆性巖石受力變形過(guò)程中的損傷和物理性質(zhì)的演化具有重要意義，是巖石力學(xué)的長(zhǎng)期目標(biāo)之一。

本文在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，基于不考慮裂紋相互作用的有效彈性介質(zhì)理論，對(duì)巖石介質(zhì)進(jìn)行了假設(shè)：一是均勻各向同性介質(zhì)，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室中靜水壓狀態(tài)。二是橫向同性介質(zhì)，對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室中的偏應(yīng)力狀態(tài)（單軸和三軸狀態(tài)）。圍繞巖石損傷演化機(jī)理和過(guò)程，運(yùn)用應(yīng)變、彈性波速、滲透率、裂紋密度反演、聲發(fā)射定位和矩張量反演等技術(shù)，開(kāi)展了脆性巖石在受力變形過(guò)程中損傷及物理性質(zhì)演化的實(shí)驗(yàn)研究。

（1）巖石的裂紋損傷，在微觀上表現(xiàn)為結(jié)合鍵發(fā)生位錯(cuò)與破壞、原始微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通成核并引發(fā)最后的宏觀破裂；宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)參數(shù)的降低，力學(xué)性能的惡化如應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)、彈性波速性質(zhì)。通過(guò)有效介質(zhì)理論，將宏觀的彈性性質(zhì)與微觀的裂紋密度結(jié)合在一起。裂紋密度演化的結(jié)果表明，由應(yīng)力引起的垂直裂紋主要在巖石初始擴(kuò)容之后才發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到巖石主擴(kuò)容點(diǎn)的應(yīng)力水平時(shí)，巖石中的裂紋顯著擴(kuò)展并形成破裂帶。在初始擴(kuò)容前，對(duì)于具有較多的初始隨機(jī)裂紋損傷的巖樣，隨機(jī)裂紋會(huì)隨應(yīng)力的增加發(fā)生閉合。而對(duì)于初始損傷較低的巖樣則不經(jīng)歷此過(guò)程。這個(gè)結(jié)果與應(yīng)力應(yīng)變曲線中的裂紋閉合階段、彈性階段、裂紋開(kāi)始穩(wěn)定擴(kuò)展，非穩(wěn)定擴(kuò)展，峰值應(yīng)力等階段是一致的。聲發(fā)射定位也表征了宏觀的破裂過(guò)程與裂紋擴(kuò)展、貫通成核演化的關(guān)系。微損傷的矩張量分析表明，在加載的最初階段，裂紋是閉合機(jī)制。隨著應(yīng)力的增加，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)初始擴(kuò)容以后，進(jìn)入了裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，此階段遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力對(duì)巖石內(nèi)部閉合的裂紋尖端產(chǎn)生了拉應(yīng)力，從而使原有的閉合裂紋開(kāi)始滑動(dòng)摩擦，損傷機(jī)制為Ⅰ型的拉伸裂紋。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增加，超過(guò)主擴(kuò)容點(diǎn)后，裂紋開(kāi)始非穩(wěn)定增長(zhǎng)，生成大量的翼裂紋并局部成核，裂紋基本是剪切型損傷。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增加，翼裂紋之間開(kāi)始互相作用、貫通并形成宏觀破裂帶，這一階段受力復(fù)雜，剪切型的機(jī)制表明裂紋擴(kuò)展方式為Ⅱ型和Ⅲ型裂紋。

（2）初始裂紋損傷程度對(duì)巖石變形破壞過(guò)程中的物理和力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。相比初始損傷較小的自然巖樣（未受損巖樣），初始損傷較大的巖樣（受損巖樣）的縱波波速減少了近1 000～3 000m/s，滲透率增加了4～5個(gè)量級(jí)，且明顯降低了變形過(guò)程中擴(kuò)容對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平，而且使巖樣的各向異性更早出現(xiàn)在巖樣中。受損巖樣最終的破裂方向在初始擴(kuò)容時(shí)就已經(jīng)被決定了，而未受損巖樣最終的破裂方向直到應(yīng)力達(dá)到主擴(kuò)容點(diǎn)時(shí)才被決定，但受損巖樣與未受損巖樣在最終破裂時(shí)各向異性基本相同。AE的定位結(jié)果也表明，初始裂紋損傷越大，裂紋間越容易發(fā)生相互作用，從而越早形成局部剪切帶。而不受損巖樣的裂紋首先是均勻擴(kuò)展在巖樣中。

（3）由于巖樣中增加的裂紋損傷，裂紋和孔隙中的流體對(duì)巖石脆性破壞過(guò)程中的物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)揮著重要作用。流體的存在特別是難以壓縮的流體如水的存在，則會(huì)對(duì)裂紋起到一個(gè)硬化的作用，減少裂紋對(duì)柔度系數(shù)的貢獻(xiàn)，增加剛度系數(shù)即彈性模量，從而使巖石的彈性波速變大，可達(dá)2 600m/s（縱波）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋縱橫比越低，水飽和模量比干燥模量增加就越大，說(shuō)明了巖樣中微損傷的形狀對(duì)彈性性質(zhì)具有重要影響，薄的狹長(zhǎng)型裂紋比孔隙具有更顯著的流體效應(yīng)。另外孔隙流體通過(guò)亞臨界裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力腐蝕作用，影響巖石裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，水弱化作用與加載的速率相關(guān)。蠕變的結(jié)果表明，包含流體的損傷巖樣對(duì)應(yīng)力更敏感，裂紋更易擴(kuò)展。裂紋密度演化的結(jié)果表明，干燥狀態(tài)的巖樣在破裂前的垂直裂紋密度接近于0.35，而水飽和狀態(tài)的巖樣的垂直裂紋密度可能為0.5左右。