工程科学学报，第39卷，第11期：1634-1639,2017年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.11:1634-1639,November 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.004:http://journals..ustb.edu.cn 循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 邓红卫，刘传举四，柯波，王远，张亚南 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:liuchuanjuu@163.com 摘要为研究循环动力扰动下岩石细观损伤特性，本文选取花岗岩为研究对象，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行循 环冲击试验，并结合核磁共振系统(NMR),得到了循环动力扰动后花岗岩孔隙度、横向弛豫时间T,谱分布以及核磁共振图像 (MR).试验结果表明：在岩石弹性极限范围内，动力扰动结束后，岩石材料孔隙度降低：初始与最终横向弛豫时间T,缩短， 循环扰动过程促使了小孔隙生成，大孔隙尺寸与数量减小：孔隙度降低不意味着所有类型孔隙的数量均减少，相反小孔隙数 量是增加的，大孔隙数量减少是动力扰动后花岗岩孔隙度降低的根本原因. 关键词循环动力扰动：细观损伤：核磁共振：孔隙度：T谱分布；核磁共振图像 分类号TD315·.1 Experimental study on microscopic damage characteristics of granite under cyclic dynamic disturbances DENG Hong-ei,LIU Chuan-ju,KE Bo,WANG Yuan,ZHANG Ya-nan School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:liuchuanjuu@163.com ABSTRACT To investigate the microscopic damage characteristics of rock materials under cyclic dynamic disturbance,granite was chosen as the research object,and the split Hopkinson pressure bar (SHPB)was used to outperform the cyclic impact test.Besides, with the nuclear magnetic resonance(NMR)technique,the porosity,crosswise relaxation time T distribution and magnetic resonance image (MRI)of the rock sample were obtained.The results show that within the range of the rock's elastic limit,the porosity reduces after the dynamic disturbance.The initial and final transverse relaxation time T,shortens,which indicates the process of cyclic disturbance causes the formation of small pores,where the size and number of large pores decrease.The decrease of porosity does not mean that the number of all kinds of pores decreases:on the contrary,the number of small pores increases,and the decreased number of large pores is the root cause which leads to the decrease of porosity after dynamic disturbance. KEY WORDS cyclic dynamic disturbance;meso-damage:nuclear magnetic resonance:porosity:T:spectrum distribution:magnet- ic resonance image 岩石作为一种天然非均质材料，包含大量不同的 失稳破坏并不是即刻就发生的，而是随时间的增长逐 矿物颗粒、孔洞和微小裂隙等，它们具有复杂的几何形 渐酝酿、发展最终完成的.因此，研究在受到外载荷后 态和几何分布”.当受到外载荷及卸荷时，岩样细观 岩石内部结构的细观损伤对于实际工程具有重要 结构会具有一定时变特性，常表现为微裂纹的产生、扩 意义 展与贯通，这种特性的宏观表现为岩土工程的变形与 目前，国内外对岩石细观损伤的研究主要基于三 收稿日期：2016-12-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474252)：国家自然科学基金青年基金资助项目(41502327)：中南大学中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目(2017zs190)
工程科学学报，第 39 卷，第 11 期: 1634--1639，2017 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 11: 1634--1639，November 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 11． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn 循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 邓红卫，刘传举，柯 波，王 远，张亚南 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: liuchuanjuu@ 163． com 摘 要 为研究循环动力扰动下岩石细观损伤特性，本文选取花岗岩为研究对象，利用分离式霍普金森压杆( SHPB) 进行循 环冲击试验，并结合核磁共振系统( NMＲ) ，得到了循环动力扰动后花岗岩孔隙度、横向弛豫时间 T2谱分布以及核磁共振图像 ( MＲI) ． 试验结果表明: 在岩石弹性极限范围内，动力扰动结束后，岩石材料孔隙度降低; 初始与最终横向弛豫时间 T2缩短， 循环扰动过程促使了小孔隙生成，大孔隙尺寸与数量减小; 孔隙度降低不意味着所有类型孔隙的数量均减少，相反小孔隙数 量是增加的，大孔隙数量减少是动力扰动后花岗岩孔隙度降低的根本原因． 关键词 循环动力扰动; 细观损伤; 核磁共振; 孔隙度; T2谱分布; 核磁共振图像 分类号 TD315 + . 1 收稿日期: 2016--12--21 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474252) ; 国家自然科学基金青年基金资助项目( 41502327) ; 中南大学中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目( 2017zzts190) Experimental study on microscopic damage characteristics of granite under cyclic dynamic disturbances DENG Hong-wei，LIU Chuan-ju ，KE Bo，WANG Yuan，ZHANG Ya-nan School of Ｒesources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: liuchuanjuu@ 163． com ABSTＲACT To investigate the microscopic damage characteristics of rock materials under cyclic dynamic disturbance，granite was chosen as the research object，and the split Hopkinson pressure bar ( SHPB) was used to outperform the cyclic impact test． Besides， with the nuclear magnetic resonance ( NMＲ) technique，the porosity，crosswise relaxation time T2 distribution and magnetic resonance image ( MＲI) of the rock sample were obtained． The results show that within the range of the rock's elastic limit，the porosity reduces after the dynamic disturbance． The initial and final transverse relaxation time T2 shortens，which indicates the process of cyclic disturbance causes the formation of small pores，where the size and number of large pores decrease． The decrease of porosity does not mean that the number of all kinds of pores decreases; on the contrary，the number of small pores increases，and the decreased number of large pores is the root cause which leads to the decrease of porosity after dynamic disturbance． KEY WOＲDS cyclic dynamic disturbance; meso-damage; nuclear magnetic resonance; porosity; T2 spectrum distribution; magnetic resonance image 岩石作为一种天然非均质材料，包含大量不同的 矿物颗粒、孔洞和微小裂隙等，它们具有复杂的几何形 态和几何分布［1］． 当受到外载荷及卸荷时，岩样细观 结构会具有一定时变特性，常表现为微裂纹的产生、扩 展与贯通，这种特性的宏观表现为岩土工程的变形与 失稳破坏并不是即刻就发生的，而是随时间的增长逐 渐酝酿、发展最终完成的． 因此，研究在受到外载荷后 岩石内部结构的细观损伤对于实际工程具有重要 意义． 目前，国内外对岩石细观损伤的研究主要基于三
邓红卫等：循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 ·1635· 维激光扫描电镜(SEM)、CT扫描技术与核磁共振 自行研制的分离式霍普金斯压杆系统，该试验装置由 (NMR)技术，且取得了一系列成果.朱珍德等-利 气缸、冲头、入射杆、透射杆和吸收杆组成，如图1 用扫描电镜(SEM)的岩石损伤的检测方法，并结合数 所示。 字图像技术，研究了岩石细观损伤劣化全过程：杨更社 等5-)利用CT扫描技术手段研究了岩石细观损伤演 化规律，并定义了以损伤面积作为损伤因子的损伤变 神头 入射杆 透射杆 吸收杆 量：周科平等so利用核磁共振系统(NMR)研究了冻 图1分离式霍普金斯压杆示意图 融条件与卸荷条件下岩石细观结构分布，动态显示了 Fig.I Schematic of the split Hopkinson pressure bar system 冻融作用与卸荷作用对岩石细观损伤的影响，并表征 了细观损伤与力学特性之间关系.Menendez等m于 核磁共振检测系统采用上海纽迈电子科技有限公 2001年探讨了运用激光共焦点扫描显微镜来研究岩 司生产研发的AiMR-150核磁共振成像分析系统. 石中微裂隙和微孔洞网络的方法.Pky网通过岩相 见图2. 图像分析手段，观测了单轴压缩下岩石试样的微细结 构，发现细观结构参数中的颗粒尺寸大小对岩石抗压 强度的影响最大.Lawler等田利用自己开发研制的X 射线显微CT系统，分析了混凝土内部裂纹的三维特 勿石量共根成律 征，研究了裂纹演化过程，并讨论了骨料形状、裂纹形 状对混凝土强度和韧性的影响.此外，目前利用数字 图像处理技术与数值模拟相结合手段对岩石细观损伤 特性进行研究的也越来越多，于庆磊等采用数字图 像处理技术表征岩石细观结构，在岩石破裂过程分析 系统(RFPA)模型的基础上，建立了基于真实细观结 图2核磁共振系统 构的岩石热一力耦合破裂过程分析数值模型，分析了 Fig.2 Nuclear magnetic resonance (NMR)system 不同温度条件下花岗岩石的变形强度特征及其热损伤 演化过程.岳中琦等5切将数字图像处理技术与有限 1.2 试样制备 元法(FEM)、有限差分法(FDM)等数值方法相结合， 试验岩样为花岗岩，为保证试验结果可参考性，所 研究了岩土工程材料细观结构对其内部应力分布的影 选取岩样均属于同一块岩块，为细粒花岗岩.试样为 响.盛金昌等图通过数字图像处理技术获取到的参 圆柱形，长径比1：1，直径50mm.并保证试样端面的 数与岩体渗透系数K进行耦合研究，并利用岩体多物 不平行度和不垂直度均小于0.02mm,试样制备完成 理耦合过程分析程序FEMLAB,实现了裂隙岩体的数 之后，测试岩样质量、长度、直径、超声波纵波波速，剔 值分析.朱万成等网通过数字图像技术获得到的信 除离散性较大的岩样 息，区分不同的矿物成分并针对性赋值，利用RFPA软 经过X射线检测，岩样成分如表1所示 件建立了应力一损伤一渗流耦合的数值模型. 表1试验岩样组成成分（质量分数） 在实际岩土工程中，岩土开挖大都需要爆破，爆破 Table 1 Composition of the test rock sample % 工作会对岩体的细观结构造成损伤劣化，造成承载能 Si02 Al203 K20 Fe2O: Ca0 TiO, 力下降.另外，实际开挖过程中常常需要多次爆破，比 77.04 15.58 4.01 1.73 1.18 0.27 如大酮室开挖、大断面巷道施工等，开挖对象周边围岩 所承受动荷载的形式是多次的和循环的，研究在此种 1.3试验方法 条件下岩石内部细观结构损伤具有实际意义.基于 (1)在循环冲击试验之前，将岩样进行真空饱和 此，本文以循环动力扰动下的花岗岩为研究对象，利用 12h,并持续浸泡48h,让水能充分进入岩石内部裂隙 霍普金斯压杆(SHPB),并结合岩石核磁共振成像 中，然后通过核磁共振系统对岩样进行测试 (NMR)系统，研究了循环冲击下花岗岩细观损伤 (2)对岩样核磁共振检测完毕后，将岩样放入烘 特性. 烤箱内，在105℃温度下烘干48h,然后放入干燥器内 冷却至室温. 1试验过程 (3)进行循环冲击试验，为了使岩样达到预定冲 1.1试验设备 击次数(10次)，设置4种不同水平轴压，分别为0、 循环冲击设备采用中南大学资源与安全工程学院 10、20、30MPa.另外，为确定合适冲击气压，将子弹
邓红卫等: 循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 维激光 扫 描 电 镜 ( SEM) 、CT 扫 描 技 术 与 核 磁 共 振 ( NMＲ) 技术，且取得了一系列成果． 朱珍德等［2--4］利 用扫描电镜( SEM) 的岩石损伤的检测方法，并结合数 字图像技术，研究了岩石细观损伤劣化全过程; 杨更社 等［5--7］利用 CT 扫描技术手段研究了岩石细观损伤演 化规律，并定义了以损伤面积作为损伤因子的损伤变 量; 周科平等［8--10］利用核磁共振系统( NMＲ) 研究了冻 融条件与卸荷条件下岩石细观结构分布，动态显示了 冻融作用与卸荷作用对岩石细观损伤的影响，并表征 了细观损伤与力学特性之间关系． Menéndez 等［11］于 2001 年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． Pˇ rikryl［12］通过岩相 图像分析手段，观测了单轴压缩下岩石试样的微细结 构，发现细观结构参数中的颗粒尺寸大小对岩石抗压 强度的影响最大． Lawler 等［13］利用自己开发研制的 X 射线显微 CT 系统，分析了混凝土内部裂纹的三维特 征，研究了裂纹演化过程，并讨论了骨料形状、裂纹形 状对混凝土强度和韧性的影响． 此外，目前利用数字 图像处理技术与数值模拟相结合手段对岩石细观损伤 特性进行研究的也越来越多，于庆磊等［14］采用数字图 像处理技术表征岩石细观结构，在岩石破裂过程分析 系统( ＲFPA) 模型的基础上，建立了基于真实细观结 构的岩石热--力耦合破裂过程分析数值模型，分析了 不同温度条件下花岗岩石的变形强度特征及其热损伤 演化过程． 岳中琦等［15--17］将数字图像处理技术与有限 元法( FEM) 、有限差分法( FDM) 等数值方法相结合， 研究了岩土工程材料细观结构对其内部应力分布的影 响． 盛金昌等［18］通过数字图像处理技术获取到的参 数与岩体渗透系数 K 进行耦合研究，并利用岩体多物 理耦合过程分析程序 FEMLAB，实现了裂隙岩体的数 值分析． 朱万成等［19］通过数字图像技术获得到的信 息，区分不同的矿物成分并针对性赋值，利用 ＲFPA 软 件建立了应力--损伤--渗流耦合的数值模型． 在实际岩土工程中，岩土开挖大都需要爆破，爆破 工作会对岩体的细观结构造成损伤劣化，造成承载能 力下降． 另外，实际开挖过程中常常需要多次爆破，比 如大硐室开挖、大断面巷道施工等，开挖对象周边围岩 所承受动荷载的形式是多次的和循环的，研究在此种 条件下岩石内部细观结构损伤具有实际意义． 基于 此，本文以循环动力扰动下的花岗岩为研究对象，利用 霍普金斯 压 杆 ( SHPB) ，并结合岩石核磁共振成像 ( NMＲ) 系 统，研 究 了 循 环 冲 击 下 花 岗 岩 细 观 损 伤 特性． 1 试验过程 1. 1 试验设备 循环冲击设备采用中南大学资源与安全工程学院 自行研制的分离式霍普金斯压杆系统，该试验装置由 气缸、冲 头、入 射 杆、透射杆和吸收杆组成，如 图 1 所示。 图 1 分离式霍普金斯压杆示意图 Fig． 1 Schematic of the split Hopkinson pressure bar system 核磁共振检测系统采用上海纽迈电子科技有限公 司生产研发的 AniMＲ--150 核磁共振成像分析系统． 见图 2． 图 2 核磁共振系统 Fig． 2 Nuclear magnetic resonance ( NMＲ) system 1. 2 试样制备 试验岩样为花岗岩，为保证试验结果可参考性，所 选取岩样均属于同一块岩块，为细粒花岗岩． 试样为 圆柱形，长径比 1∶ 1，直径 50 mm． 并保证试样端面的 不平行度和不垂直度均小于 0. 02 mm，试样制备完成 之后，测试岩样质量、长度、直径、超声波纵波波速，剔 除离散性较大的岩样． 经过 X 射线检测，岩样成分如表 1 所示． 表 1 试验岩样组成成分( 质量分数) Table 1 Composition of the test rock sample % SiO2 Al2O3 K2O Fe2O3 CaO TiO2 77. 04 15. 58 4. 01 1. 73 1. 18 0. 27 1. 3 试验方法 ( 1) 在循环冲击试验之前，将岩样进行真空饱和 12 h，并持续浸泡 48 h，让水能充分进入岩石内部裂隙 中，然后通过核磁共振系统对岩样进行测试． ( 2) 对岩样核磁共振检测完毕后，将岩样放入烘 烤箱内，在 105 ℃温度下烘干 48 h，然后放入干燥器内 冷却至室温． ( 3) 进行循环冲击试验，为了使岩样达到预定冲 击次数( 10 次) ，设置 4 种不同水平轴压，分别为 0、 10、20、30 MPa． 另外，为确定合适冲击气压，将子弹 · 5361 ·
·1636 工程科学学报，第39卷，第11期 固定在弹道位置，选择不同冲击气压对岩样进行冲 共振测试，得到孔隙度、弛豫时间的T,谱分布以及 击，经反复测试，选择冲击气压0.5MPa,并进行循环 MRI图像，试验完毕 冲击试验. 不同轴压下受循环动力扰动后的岩样见图3 (4)重复步骤(1)，对冲击完毕后的岩样进行核磁 所示 b 图3不同轴压下受循环动力扰动试验后的岩样.(a)0MPa:(b)10MPa:(c)20MPa:(d)30MPa Fig.3 Rock samples subjected to the cyclic dynamic disturbance with different axial compression:(a)0 MPa:(b)10 MPa:(c)20 MPa:(d)30 MPa 1.6m 2试验结果分析 一循环动力扰动前孔隙度 ·一循环动力扰动后孔隙度 1.51.47 为了定量研究循环冲击完毕后，花岗岩内部细观 1.43 1.46 1.40 结构前后变化，本次研究对岩样进行了孔隙度测试、T2 1.4 中 谱测试以及核磁共振成像(M)测试 -21.8 1.3 -19.6%1 -20.5% -20.7% 2.1孔隙度结果测试分析 由图4中孔隙度测试结果可知，循环动载荷冲击 1.2 1.151 1.151 1.16 1.117 之后，四种预设轴压下的岩石孔隙度均降低，且降幅比 1.1 较接近，分别为21.8%、19.6%、20.7%、20.5%，表明 1.0 在轴压未超过弹性极限（轴压小于试样静压强度 0 10 20 30 轴压/MPa 70%0),岩样受到反复扰动时，其自身结构总体会被 图4循环动力扰动前后孔隙度变化曲线 压紧密实，造成孔隙度降低.另外，即使在弹性极限范 Fig.4 Variation curves of porosity before and after the cyclic dynam- 围内，当岩样受到外载荷时其内部细观结构变化也是 ic disturbance test 不可恢复的，继续施加循环扰动载荷，岩样将发生疲劳 破坏.孔隙度检测只是简单的了解动力扰动前后岩样 整体细观孔隙结构变化情况，为了更加定性且定量认 孔隙结枸表面积与体积，学指横向表面弛豫速率：D 识岩样内部在扰动之后的变化规律，下文进行了T,谱 为流体扩散系数，y为H原子旋磁比，G为磁场梯度， 测试以及MRI成像. T为回波时间， D(yGTE)2 2.2T,谱测试结果分析 12为扩散弛豫速率 核磁共振横向弛豫时间(T,)主要取决于岩石的 当孔隙结构中只包含一种流体时，体积弛豫时间 孔隙的表面积与体积之比，故其能直观反映岩石在承 比面积弛豫时间要长的多，因此体积弛豫速率行可以 载前后孔隙结构的变化特征如.按照核磁共振原理， NMR总的横向弛豫速率为横向体积弛豫速率、横向表 忽略.当磁场均匀(G很小)，同时采用短的T时，扩散 面弛豫速率、扩散弛豫速率的叠加，核磁共振弛豫速率 弛豫速率D(G7) 也可以忽略不计网.则公式如下 12 方有如下表达式四： 所示 六克% (1) 12 六答 (2) 其中：)指流体横向体积弛豫时间，为横向体积弛 由此可见，核磁共振横向弛豫时间(T)取决于岩石 的孔隙的表面积与体积之比，也就是说孔隙大小与T,值 豫速率，P2为流体横向弛豫表面强度；s与'分别指为 呈正相关.图5为循环扰动前后岩样的T,谱分布
工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 固定在弹道位置，选择不同冲击气压对岩样进行冲 击，经反复测试，选择冲击气压 0. 5 MPa，并进行循环 冲击试验． ( 4) 重复步骤( 1) ，对冲击完毕后的岩样进行核磁 共振测试，得 到 孔 隙 度、弛 豫 时 间 的 T2 谱分 布 以 及 MＲI 图像，试验完毕． 不同轴压下受循环动力扰动后的岩样见图 3 所示． 图 3 不同轴压下受循环动力扰动试验后的岩样． ( a) 0 MPa; ( b) 10 MPa; ( c) 20 MPa; ( d) 30 MPa Fig． 3 Ｒock samples subjected to the cyclic dynamic disturbance with different axial compression: ( a) 0 MPa; ( b) 10 MPa; ( c) 20 MPa; ( d) 30 MPa 2 试验结果分析 为了定量研究循环冲击完毕后，花岗岩内部细观 结构前后变化，本次研究对岩样进行了孔隙度测试、T2 谱测试以及核磁共振成像( MＲI) 测试． 2. 1 孔隙度结果测试分析 由图 4 中孔隙度测试结果可知，循环动载荷冲击 之后，四种预设轴压下的岩石孔隙度均降低，且降幅比 较接近，分别为 21. 8% 、19. 6% 、20. 7% 、20. 5% ，表明 在轴压 未 超 过 弹 性 极 限 ( 轴 压 小 于 试 样 静 压 强 度 70%［20］) ，岩样受到反复扰动时，其自身结构总体会被 压紧密实，造成孔隙度降低． 另外，即使在弹性极限范 围内，当岩样受到外载荷时其内部细观结构变化也是 不可恢复的，继续施加循环扰动载荷，岩样将发生疲劳 破坏． 孔隙度检测只是简单的了解动力扰动前后岩样 整体细观孔隙结构变化情况，为了更加定性且定量认 识岩样内部在扰动之后的变化规律，下文进行了 T2谱 测试以及 MＲI 成像． 2. 2 T2谱测试结果分析 核磁共振横向弛豫时间( T2 ) 主要取决于岩石的 孔隙的表面积与体积之比，故其能直观反映岩石在承 载前后孔隙结构的变化特征［21］． 按照核磁共振原理， NMＲ 总的横向弛豫速率为横向体积弛豫速率、横向表 面弛豫速率、扩散弛豫速率的叠加，核磁共振弛豫速率 1 T2 有如下表达式［22］: 1 T2 = 1 T1 2 + ρ2 s V + D( γGTE ) 2 12 ． ( 1) 其中: T1 2 指流体横向体积弛豫时间，1 T1 2 为横向体积弛 豫速率，ρ2 为流体横向弛豫表面强度; s 与 V 分别指为 图 4 循环动力扰动前后孔隙度变化曲线 Fig． 4 Variation curves of porosity before and after the cyclic dynamic disturbance test 孔隙结构表面积与体积， ρ2 s V 指横向表面弛豫速率; D 为流体扩散系数，γ 为 H 原子旋磁比，G 为磁场梯度， TE为回波时间， D( γGTE ) 2 12 为扩散弛豫速率． 当孔隙结构中只包含一种流体时，体积弛豫时间 比面积弛豫时间要长的多，因此体积弛豫速率 1 T1 2 可以 忽略． 当磁场均匀( G 很小) ，同时采用短的 TE时，扩散 弛豫速率D( γGTE ) 2 12 也可以忽略不计［23］． 则公式如下 所示． 1 T2 = ρ2 s V ． ( 2) 由此可见，核磁共振横向弛豫时间( T2 ) 取决于岩石 的孔隙的表面积与体积之比，也就是说孔隙大小与 T2值 呈正相关． 图 5 为循环扰动前后岩样的 T2谱分布． · 6361 ·
邓红卫等：循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 1637· 0.040 0.040 (a) ·一频繁动力扰动前T,曲线 (b) 。一频繁动力扰动前T,曲线 0.035 ◆一频繁动力扰动后T,曲线 0.035 ·一频繁动力扰动后T曲线 0.030 0.030 0.025 0.025 0.020 0.020 0.015 0.015 0.010 0.010 0.005 0.00 10 10 10 102 10 10- 10 10P 10 10 横向弛豫时间m 横向弛豫时间ms 0.040 0.040 d 0.035 一频繁动力扰动前T,曲线 0.035 频繁动力扰动前T,曲线 0.030 一频繁动力扰动后T曲线 0.030 ◆一频繁动力扰动后T,曲线 0.025 05 0.020 0.020 0.015 0.015 0.010 0.010 0.005 0.005 10 10 10 10 102 10 10 10 109 101 10 10 横向弛豫时间ms 横向弛豫时间ms 图5不同轴压下受循环动力扰动前后T2谱曲线.(a)0MPa;(b)10MPa:(c)20MPa:(d)30MPa Fig.5 T2 curves of cyclic dynamic disturbance with different axial compression:(a)0 MPa:(b)10 MPa:(e)20 MPa:(d)30 MPa 从图5可以看出，四种轴压下的岩样在循环动力 面反射产生的拉伸波驱动了小孔隙不断发育，造成小 扰动前后T,谱分布变化相似：试验前T,值较大的波峰 孔隙数量增加.也由此可知，大孔隙数量与尺寸决定 有两个，试验后贯通形成一个波峰且峰值变小，最终横 了整体孔隙度的大小 向弛豫时间向左移动，表明大孔隙尺寸与数量均减小： T,谱面积与孔隙数量正相关，谱面积越大，相应孔 此外，岩石初始横向弛豫时间值也明显缩短，从大于 径孔隙的数量越多四.参考周科平等回的做法，将T, 0.1ms缩短到远远小于0.1ms,表明花岗岩在循环动 值小于10ms所对应的孔隙视为小孔隙，大于10ms所 力扰动后，虽然整体孔隙度在减小，但是小孔隙数量却 对应的孔隙视为大孔隙.为了精确、定量的分析动力 在增加.由T,谱推测可知，产生这样的现象原因有两 扰动前后大小孔隙数量变化规律，笔者对T,曲线谱面 个，一是在动力扰动下，大孔隙受到持续冲击作用，孔 积进行统计，其大、小孔隙所占总孔隙比见图6. 隙被压缩造成孔径变小，造成大孔隙数量减小，小孔隙 由图6可知，动力扰动后小孔隙所占比均增多，由 数量增加：二是由于动力扰动产生的应力波在裂隙表 15%~18%增到36%~38%，大孔隙所占比均减小， 90r ■一循环动力扰动前大孔踪所占比 45r b 一。一循环动力扰动前小孔隙所占比 85 一◆一循环动力扰动后大孔隙所占比 循环动力扰动后小孔隙所占比 80 83.421 83.75 84.15 82.641 35 38.81 36.32 37.41 3754 75 -19.74% -21.45%1 -21.16% -21.69% 30 +21.69% 70 +21.45% +21.16% 25 +19.74% 60 63.68 62.59 62.46 20 61.19 55 16.58 17.36 1625 10 0 30 10 20 30 轴压/MPa 轴压/MPa 图6循环动力扰动前后大小孔隙所占比例.()大孔隙占比变化情况：(b)小孔隙占比变化情况 Fig.6 Proportion of large and small pores before and after the cyclic dynamic disturbance test:(a)the proportion of large pores change:(b)the proportion of small pores change
邓红卫等: 循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 图 5 不同轴压下受循环动力扰动前后 T2谱曲线． ( a) 0 MPa; ( b) 10 MPa; ( c) 20 MPa; ( d) 30 MPa Fig． 5 T2 curves of cyclic dynamic disturbance with different axial compression: ( a) 0 MPa; ( b) 10 MPa; ( c) 20 MPa; ( d) 30 MPa 图 6 循环动力扰动前后大小孔隙所占比例． ( a) 大孔隙占比变化情况; ( b) 小孔隙占比变化情况 Fig． 6 Proportion of large and small pores before and after the cyclic dynamic disturbance test: ( a) the proportion of large pores change; ( b) the proportion of small pores change 从图 5 可以看出，四种轴压下的岩样在循环动力 扰动前后 T2谱分布变化相似: 试验前 T2值较大的波峰 有两个，试验后贯通形成一个波峰且峰值变小，最终横 向弛豫时间向左移动，表明大孔隙尺寸与数量均减小; 此外，岩石初始横向弛豫时间值也明显缩短，从大于 0. 1 ms 缩短到远远小于 0. 1 ms，表明花岗岩在循环动 力扰动后，虽然整体孔隙度在减小，但是小孔隙数量却 在增加． 由 T2谱推测可知，产生这样的现象原因有两 个，一是在动力扰动下，大孔隙受到持续冲击作用，孔 隙被压缩造成孔径变小，造成大孔隙数量减小，小孔隙 数量增加; 二是由于动力扰动产生的应力波在裂隙表 面反射产生的拉伸波驱动了小孔隙不断发育，造成小 孔隙数量增加． 也由此可知，大孔隙数量与尺寸决定 了整体孔隙度的大小． T2谱面积与孔隙数量正相关，谱面积越大，相应孔 径孔隙的数量越多［22］． 参考周科平等［9］的做法，将 T2 值小于 10 ms 所对应的孔隙视为小孔隙，大于 10 ms 所 对应的孔隙视为大孔隙． 为了精确、定量的分析动力 扰动前后大小孔隙数量变化规律，笔者对 T2曲线谱面 积进行统计，其大、小孔隙所占总孔隙比见图 6． 由图 6 可知，动力扰动后小孔隙所占比均增多，由 15% ～ 18% 增到 36% ～ 38% ，大孔隙所占比均减小， · 7361 ·
·1638· 工程科学学报，第39卷，第11期 由82%~85%减至61%~64%，其变化幅度相差不 色斑点为岩石内部水分子所在区域，斑点越多越亮，表 大，表明大小孔隙增减幅度随轴压增加未有明显变化 示水分子赋存越多，也就表明细小裂隙结构发育程度 分析原因：一方面施加的轴向静载远低于其静载条件 越高.从测试得到的MRI图像来看，四种预设轴压下 抗压强度的70%，岩样仍处于弹性极限内：另一方面 的岩样，在动力扰动前后均发生了明显的一致变化：动 施加的动载较小，只有0.5MPa,冲击强度并未对岩样 力扰动前斑点多且亮度大，在扰动之后，核磁共振检测 造成大规模、宏观裂纹.此外，虽然并未产生大规模宏 信号明显变弱，图像中的白色区域色泽变暗，且斑点数 观裂纹，但其细观结构却发生了改变，造成岩样整体孔 目减小，可知岩样内部水的含量减少，造成信号强度降 隙度减少 低，表明动力扰动后岩样整体孔隙度变小.此外，四种 2.3核磁共振成像分析 预设轴压下的岩样均有相同的规律，表明即使在弹性 核磁共振成像(MR)可直观的展现细观结构分布 极限范围内，当受到动力扰动作用后，岩石内部细观结 规律，图7是循环动力扰动前后岩石内部细观结构的 构变形也是不可恢复的，MRI测试结果与孔隙度测试 MRI检测二维投影图.图中黑色区域为背景颜色，白 结果相吻合 拭验前 试验后 式验 试验后 (b) 试验前 式验后 式验前 式验后 (d) 图7核磁共振成像二维投影图.(a)轴压0MPa:(b)轴压10MPa:(c)轴压20MPa:(d)轴压30MPa Fig.7 Two-dimensional magnetic resonance imaging (MRI)screenshots:(a)0 MPa:(b)10 MPa:(c)20 MPa:(d)30 MPa 21.16%、21.69%,这种变化即使处在弹性极限范围内 3结论 也是不可恢复的 (1)岩样受到循环动力扰动后，经过核磁共振系 统孔隙度检测，孔隙度降低，表明在岩石弹性极限范围 参考文献 内，受到循环动力扰动时，岩石材料被压密，细观结构 发生变化，且是不可逆的过程. [Yu Q L,Yang T H,Zheng C,et al.Numerical analysis of influ- ence of rock mesostructure on its deformation and strength.Rock (2)经T,谱测试可知，初始横向弛豫时间值明显 Soil Mech,2011,32(11):3468 缩短，表明循环动力扰动作用促使了小孔隙的发育，造 (于庆磊，杨天鸿，郑超，等。岩石细观结构对其变形强度影 成大量小孔隙产生；与此同时，最终横向弛豫时间也明 响的数值分析.岩土力学，2011,32(11)：3468) 显缩短，表明大孔隙受到动力扰动作用后，孔径被压缩 2] Zhu Z D.Huang Q.Wang J B,et al.Mesoscopic experiment on 变小成为了小孔隙，大孔隙数量减少是造成试验后岩 degradation evolution of rock deformation and its meso-damage me- 石整体孔隙度变小的主因. chanical model.Chin J Rock Mech Eng,2013,32(6):1167 (朱珍德，黄强，王剑波，等.岩石变形劣化全过程细观试验 (3)经过T,谱谱面积统计，动力扰动前后岩石材 与细观损伤力学模型研究.岩石力学与工程学报，2013,32 料内部细观结构发生了明显变化，大孔隙数量减小，小 (6):1167) 孔隙数量增加，增减幅度分别为19.74%、21.45%、 B]Zhu Z D,Qu W P,Jiang Z J.Quantitative test study on meso
工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 由 82% ～ 85% 减至 61% ～ 64% ，其变化幅度相差不 大，表明大小孔隙增减幅度随轴压增加未有明显变化． 分析原因: 一方面施加的轴向静载远低于其静载条件 抗压强度的 70% ，岩样仍处于弹性极限内; 另一方面 施加的动载较小，只有 0. 5 MPa，冲击强度并未对岩样 造成大规模、宏观裂纹． 此外，虽然并未产生大规模宏 观裂纹，但其细观结构却发生了改变，造成岩样整体孔 隙度减少． 2. 3 核磁共振成像分析 核磁共振成像( MＲI) 可直观的展现细观结构分布 规律，图 7 是循环动力扰动前后岩石内部细观结构的 MＲI 检测二维投影图． 图中黑色区域为背景颜色，白 色斑点为岩石内部水分子所在区域，斑点越多越亮，表 示水分子赋存越多，也就表明细小裂隙结构发育程度 越高． 从测试得到的 MＲI 图像来看，四种预设轴压下 的岩样，在动力扰动前后均发生了明显的一致变化: 动 力扰动前斑点多且亮度大，在扰动之后，核磁共振检测 信号明显变弱，图像中的白色区域色泽变暗，且斑点数 目减小，可知岩样内部水的含量减少，造成信号强度降 低，表明动力扰动后岩样整体孔隙度变小． 此外，四种 预设轴压下的岩样均有相同的规律，表明即使在弹性 极限范围内，当受到动力扰动作用后，岩石内部细观结 构变形也是不可恢复的，MＲI 测试结果与孔隙度测试 结果相吻合． 图 7 核磁共振成像二维投影图． ( a) 轴压 0 MPa; ( b) 轴压 10 MPa; ( c) 轴压 20 MPa; ( d) 轴压 30 MPa Fig． 7 Two-dimensional magnetic resonance imaging ( MＲI) screenshots: ( a) 0 MPa; ( b) 10 MPa; ( c) 20 MPa; ( d) 30 MPa 3 结论 ( 1) 岩样受到循环动力扰动后，经过核磁共振系 统孔隙度检测，孔隙度降低，表明在岩石弹性极限范围 内，受到循环动力扰动时，岩石材料被压密，细观结构 发生变化，且是不可逆的过程． ( 2) 经 T2谱测试可知，初始横向弛豫时间值明显 缩短，表明循环动力扰动作用促使了小孔隙的发育，造 成大量小孔隙产生; 与此同时，最终横向弛豫时间也明 显缩短，表明大孔隙受到动力扰动作用后，孔径被压缩 变小成为了小孔隙，大孔隙数量减少是造成试验后岩 石整体孔隙度变小的主因． ( 3) 经过 T2谱谱面积统计，动力扰动前后岩石材 料内部细观结构发生了明显变化，大孔隙数量减小，小 孔隙 数 量 增 加，增 减 幅 度 分 别 为 19. 74% 、21. 45% 、 21. 16% 、21. 69% ，这种变化即使处在弹性极限范围内 也是不可恢复的． 参 考 文 献 ［1］ Yu Q L，Yang T H，Zheng C，et al． Numerical analysis of influence of rock mesostructure on its deformation and strength． Ｒock Soil Mech，2011，32( 11) : 3468 ( 于庆磊，杨天鸿，郑超，等． 岩石细观结构对其变形强度影 响的数值分析． 岩土力学，2011，32( 11) : 3468) ［2］ Zhu Z D，Huang Q，Wang J B，et al． Mesoscopic experiment on degradation evolution of rock deformation and its meso-damage mechanical model． Chin J Ｒock Mech Eng，2013，32( 6) : 1167 ( 朱珍德，黄强，王剑波，等． 岩石变形劣化全过程细观试验 与细观损伤力学模型研究． 岩石力学与工程学报，2013，32 ( 6) : 1167) ［3］ Zhu Z D，Qu W P，Jiang Z J． Quantitative test study on meso- · 8361 ·
邓红卫等：循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究 ·1639· structure of rock.Chin J Rock Mech Eng,2007,26(7):1313 ization based on coupled thermal-mechanical model for rock fail- (朱珍德，渠文平，蒋志坚.岩石细观结构量化试验研究.岩 ure process and applications.Chin J Rock Mech Eng,2012,31 石力学与工程学报，2007,26(7)：1313) (1):42 [4]Ni X H,Zhu Z D,Zhao J,et al.Meso-damage mechanical digi- (于庆磊，郑超，杨天鸿，等.基于细观结构表征的岩石破裂 talization test of complete process of rock failure.Rock Soil Mech, 热-力耦合模型及应用.岩石力学与工程学报，2012,31 2009,30(11):3283 (1):42) (倪骁慧，朱珍德，赵杰，等.岩石破裂全程数字化细观损伤 [15]Yue Z Q,Chen S,Zheng H,et al.Digital image proceeding 力学试验研究.岩土力学，2009,30(11)：3283) based on finite element method for geomaterials.Chin Rock [5]Yang G S,Liu H.Study on the rock damage characteristics based Mech Eng,2004,23(6):889 on the technique of CT image processing.J China Coal Soc, (岳中琦，陈沙，郑宏，等。岩土工程材料的数字图像有限元 2007,32(5):463 分析.岩石力学与工程学报，2004,23(6)：889) (杨更社，刘慧.基于CT图像处理技术的岩石损伤特性研 [16]Chen S,Yue Z Q,Tan G H.Digital image based numerical 究.煤炭学报，2007,32(5)：463) modeling method for heterogeneous geomaterials.Chin Geotech Yang G S,Zhang Q S.Ren J X,et al.Study on the effect of Eng,2005,27(8):956 freezing rate on the damage CT values of Tongchuan sandstone. (陈沙，岳中琦，谭国焕.基于数字图像的非均质岩土工程 Chin J Rock Mech Eng,2004,23 (24)4099 材料的数值分析方法.岩土工程学报，2005,27(8)：956) (杨更社，张全胜，任建喜，等.冻结速度对铜川砂岩损伤CT 07] Yue Z Q,Chen S,Tham L G.Finite element modeling of geo- 数变化规律研究.岩石力学与工程学报，2004,23(24)： materials using digital image processing.Comput Geotechnics, 4099) 2003,30(5):375 Yang G S,Xie D Y,Zhang C Q,et al.CT analysis on mechani- [18]Sheng J C,Liu J S,Su B Y.Coupled multiphysics analysis in cal characteristics of damage propagation of rock.Chin Rock fractured rock masses based on digital image processing tech- Mech Eng,1999,18(3):250 nique.Eng Mech,2007,24(10)30 (杨更社，谢定义，张长庆，等.岩石损伤扩展力学特性的CT (盛金昌，刘继山，速宝玉.基于图像数字化技术的裂隙岩 分析.岩石力学与工程学报，1999,18(3)：250) 石多场耦合分析.工程力学，2007,24(10)：30) [8]Zhou K P,Li J L,Xu Y J.et al.Experimental study of NMR [19]Zhu WC,Kang Y M,Yang T H,et al.Application of digital characteristics in rock under freezing and thawing cycles.Chin image-based heterogeneity characterization in coupled hydrome- Rock Mech Eng,2012,31(4):731 chanics of rock.Chin J Geotech Eng,2006,28(12):2087 (周科平，李杰林，许玉娟，等。冻融循环条件下岩石核磁共 (朱万成，康玉梅，杨天鸿，等.基于数字图像的岩石非均匀 振特性的试验研究.岩石力学与工程学报，2012,31(4)： 性表征技术在流固耦合分析中的应用.岩土工程学报， 731) 2006,28(12):2087) 9]Zhou K P,Hu Z X,Li J L,et al.Study of marble damage evolu- 20] Li X B,Zhou Z L,Ye Z Y,et al.Study of rock mechanical tion laws under unloading conditions based on nuclear magnetic characteristics under coupled static and dynamic loads.Chin J resonance technique.Chin J Rock Mech Eng,2014,33 (Suppl Rock Mech Eng,2008,27(7):1387 2):3523 (李夕兵，周子龙，叶州元，等.岩石动静组合加载力学特性 (周科平，胡振襄，李杰林，等基于核磁共振技术的大理岩 研究.岩石力学与工程学报，2008,27(7)：1387) 卸荷损伤演化规律研究.岩石力学与工程学报，2014,33（增 21] Zhu H L,Zhou K P,Zhang Y M,et al.Experimental study of 刊2)：3523) rock damage by blasting based on nuclear magnetic resonance [10]Li J L,Zhou K P,Ke B.Association analysis of pore develop- technique.Chin J Rock Mech Eng,2013,32(7)1410 ment characteristics and uniaxial compressive strength property of (朱和玲，周科平，张亚民，等.基于核磁共振技术的岩体爆 granite under freezing-hawing cycles.J China Coal Soc,2015, 破损伤试验研究.岩石力学与工程学报，2013,32(7)： 40(8):1783 1410) (李杰林，周科平，柯波。冻融后花岗岩孔隙发有特征与单 22] Coates G,Xiao L Z,Prammer M.Nuclear Magnetic Resonance 轴抗压强度的关联分析.煤炭学报，2015,40(8)：1783) (NMR)Logging Principles and its Application.Beijing:Petrole- [11]Menendez B,David C,Nistal A M.Confocal scanning laser mi- um Industry Press,2007 croscopy applied to the study of pore and crack networks in (Coates G,肖立志，Prammer M.核磁共振测井原理与应用. rocks.Comput Geosci,2001,27(9):1101 北京：石油工业出版社，2007) [12]Prikryl R.Some microstructural aspects of strength variation in 23] Zhang C M,Chen Z B.Zhang ZS,et al.Fractal characteristics rocks.Int J Rock Mech Min Sci,2001,38(5)671 of reservoir rock pore structure based on NMR T2 distribution.J [13]Lawler J S,Keane DT,Shah S P.Measuring three-dimensional Oil Gas Technol,2007,29(4):80 damage in concrete under compression.Aci Mater J,2001,98 (张超谟，陈振标，张占松，等.基于核磁共振T2谱分布的 (6):465 储层岩石孔隙分形结构研究.石油天然气学报，2007,29 [14]Yu Q L,Zheng C,Yang T H,et al.Meso-structure character- (4):80)
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