第36卷第12期 北京科技大学学报 Vol.36 No.12 2014年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2014 卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 胡振襄，周科平⑧，李杰林，高峰，王明球 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:kpzhou(@vip.163.com 摘要为研究卸荷岩体内部孔隙结构的细观损伤演化特征，以大理岩为岩样，分别进行初始围压为10、20和30MP,不同卸 荷围压量的常规三轴卸荷试验和核磁共振测试实验，获得卸荷岩体的应力一应变曲线、横向弛豫时间T,分布、孔隙度及核磁共 振成像图像.随着卸荷围压比的增大，岩石由弹性变形转化为塑性变形，岩样内小孔隙的孔径增大，大孔隙的数量增多且孔径 增大：卸荷围压比低于90%，岩体损伤主要由孔隙数量的增多引起，卸荷围压比高于90%，损伤由孔隙数量和孔径均急剧增大 引起：岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增大，且增速越来越快：核磁共振图像直观地反映卸荷岩体内部孔隙数量、孔径 及结构变化情况. 关键词岩石力学：损伤：核磁共振：卸荷：孔隙度：围压比 分类号TU458 Meso-damage evolution of unloading rock mass based on nuclear magnetic resonance technology HU Zhen-xiang,ZHOU Ke-ping,LI Jie-lin,GAO Feng,WANG Ming-qiu School of Resource and Safety Engineering.Central South University,Changsha 410083.China Corresponding author,E-mail:kpzhou@vip.163.com ABSTRACT To investigate the meso-damage evolution characteristic of unloading rock mass,unloading confining pressure tests on marble specimens were first conducted under initial confining pressures of 10,20 and 30 MPa.Then nuclear magnetic resonance tests were performed on the unloaded specimens.The stress-strain curves,transverse relaxation time T,distribution,rock porosity,and nuclear magnetic resonance imaging pictures of the unloaded specimens were obtained.It is found that the deformation of the unloaded specimens changes from elastic to plastic with the increase of unloading confining pressure ratio.As the unloading confining pressure ratio increases,the size of small microcracks increases,and the number and size of large microcracks also increase.When the unloa- ding confining pressure ratio is less than 90%,the damage of rock mass is mainly caused by the increase in number of microcracks. But when the unloading confining pressure ratio exceeds 90%,the damage of rock mass is caused by the sharp increase in number and size of microcracks.The rock porosity increases with the increase of unloading confining pressure ratio,and the growth rate becomes greater.The development processes of the number,size and structure of microcracks in the rock specimens under different initial confi- ning pressures and different unloading confining pressure ratios can be directly visualized by nuclear magnetic resonance imaging pictures. KEY WORDS rock mechanics:damage:nuclear magnetic resonance:unloading:porosity:confining pressure 岩体是由多种矿物晶体、胶结物和节理、裂隙等 其内部裂隙产生、发展和贯通的过程.地下工程中 缺陷组成的非均匀体，岩体破坏的过程，其实质就是 由于开挖岩体的应力扰动和释放，产生次生应力场， 收稿日期：2014-06-17 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2013BAB0205):国家自然科学基金资助项目(51274253)：中国博士后科学基金资助项目 (2013M542138) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.001:http://journals.ustb.edu.cn
第 36 卷 第 12 期 2014 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 12 Dec． 2014 卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 胡振襄，周科平，李杰林，高 峰，王明球 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: kpzhou@ vip． 163． com 摘 要 为研究卸荷岩体内部孔隙结构的细观损伤演化特征，以大理岩为岩样，分别进行初始围压为 10、20 和 30 MPa，不同卸 荷围压量的常规三轴卸荷试验和核磁共振测试实验，获得卸荷岩体的应力--应变曲线、横向弛豫时间 T2分布、孔隙度及核磁共 振成像图像． 随着卸荷围压比的增大，岩石由弹性变形转化为塑性变形，岩样内小孔隙的孔径增大，大孔隙的数量增多且孔径 增大; 卸荷围压比低于 90% ，岩体损伤主要由孔隙数量的增多引起，卸荷围压比高于 90% ，损伤由孔隙数量和孔径均急剧增大 引起; 岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增大，且增速越来越快; 核磁共振图像直观地反映卸荷岩体内部孔隙数量、孔径 及结构变化情况． 关键词 岩石力学; 损伤; 核磁共振; 卸荷; 孔隙度; 围压比 分类号 TU458 Meso-damage evolution of unloading rock mass based on nuclear magnetic resonance technology HU Zhen-xiang，ZHOU Ke-ping ，LI Jie-lin，GAO Feng，WANG Ming-qiu School of Ｒesource and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: kpzhou@ vip． 163． com ABSTＲACT To investigate the meso-damage evolution characteristic of unloading rock mass，unloading confining pressure tests on marble specimens were first conducted under initial confining pressures of 10，20 and 30 MPa． Then nuclear magnetic resonance tests were performed on the unloaded specimens． The stress-strain curves，transverse relaxation time T2 distribution，rock porosity，and nuclear magnetic resonance imaging pictures of the unloaded specimens were obtained． It is found that the deformation of the unloaded specimens changes from elastic to plastic with the increase of unloading confining pressure ratio． As the unloading confining pressure ratio increases，the size of small microcracks increases，and the number and size of large microcracks also increase． When the unloading confining pressure ratio is less than 90% ，the damage of rock mass is mainly caused by the increase in number of microcracks． But when the unloading confining pressure ratio exceeds 90% ，the damage of rock mass is caused by the sharp increase in number and size of microcracks． The rock porosity increases with the increase of unloading confining pressure ratio，and the growth rate becomes greater． The development processes of the number，size and structure of microcracks in the rock specimens under different initial confining pressures and different unloading confining pressure ratios can be directly visualized by nuclear magnetic resonance imaging pictures． KEY WOＲDS rock mechanics; damage; nuclear magnetic resonance; unloading; porosity; confining pressure 收稿日期: 2014--06--17 基金项目: “十二五”国家科技支撑计划资助项目( 2013BAB02B05) ; 国家自然科学基金资助项目( 51274253) ; 中国博士后科学基金资助项目 ( 2013M542138) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 12． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 岩体是由多种矿物晶体、胶结物和节理、裂隙等 缺陷组成的非均匀体，岩体破坏的过程，其实质就是 其内部裂隙产生、发展和贯通的过程． 地下工程中 由于开挖岩体的应力扰动和释放，产生次生应力场
·1568+ 北京科技大学学报 第36卷 其实质就是一个强卸荷的过程.研究卸荷岩体的力 1试验原理及方案 学和变形特性以及岩体内部孔隙结构损伤演化规 律，可为采矿、隧道等地下岩土工程稳定性评价和设 1.1核磁共振基本原理 计提供理论依据. 核磁共振技术依据H流体原子核的磁性与外 针对卸荷岩体破坏规律，国内外许多学者开 加磁场相互作用原理，来测量岩体孔隙中含H流体 展了多方面的研究并取得一系列成果.李建林四 的弛豫特征.通过对放入磁场中的岩样发射一定频 利用相似模型实验研究了裂隙岩体在卸荷作用下 率的射频脉冲，使H质子产生共振并吸收射频脉冲 的尺寸效益和参数演化规律；雷涛等回运用RFPA 能量.射频脉冲终止后，H质子所吸收的射频能量 软件，研究岩体卸荷破坏过程和声发射效应，得到 将会释放出来，而这种能量释放的过程可以通过专 卸荷岩体力学参数的变化曲线和劣化规律：韩放 用的线圈检测出来，即为核磁共振信号.不同尺寸 等)利用声发射动态检测损伤的扩展，通过超声 孔隙中的水，能量释放速度不同，这种信号的差别可 波检测来定量评价岩石试块的损伤程度：刘豆豆 以得到横向弛豫时间T,分布，并形成核磁共振成像 等W开展了大理岩常规三轴试验和峰前、峰后卸 (MRI).通过T,谱曲线和核磁共振成像，可直观地 围压试验，通过对比表明岩样峰前卸围压表现的 反映岩石内部孔隙结构的变化特征.通常，弛豫时 脆性比峰后更强烈：纪洪广等因对岩石试件在不 间T,越小，孔隙的孔径越小，因此通过合理的换算， 同应力状态下受到“加载一卸荷”扰动时的声发射 测得的T,谱分布可以得出试件孔隙的孔径分布，曲 特征进行了实验研究，表明在加一卸载的过程中， 线与横轴围成的面积代表岩样的孔隙度▣ 较低应力水平声发射信号较少，较高应力水平声 岩石孔隙中的流体存在三种弛豫机制，即自由 发射信号活跃：王在泉等和王瑞红等可分别研 弛豫、表面弛豫和扩散弛豫，T,可表示为 究了天然节理和预制节理在加、卸荷作用下的力 1111 i+元+ (1) 学特性；邱士利等？和张凯等回研究了不同卸围 式中，T为足够大容器中测得的孔隙流体中的T2, 压速率下岩石变形特征和力学参数的变化：Cai 等@以加载在岩石上的应力水平与岩石对应条件 Tz为表面弛豫引起的孔隙流体T,Ta为梯度磁场 下扩散引起的孔隙流体的T· 下峰值强度的比值来表征岩石的损伤程度，分析 岩石内部损伤演化规律；任建喜等、周小平和张 a() 1 (2) 永新☒采用CT实时扫描技术研究卸荷条件下岩 式中，P2为T表面弛豫强度，S为孔隙表面积，V为 石的损伤演化规律. 流体体积 上述研究成果对于揭示卸荷岩体破坏机理具有 自由弛豫和扩散弛豫与表面弛豫相比非常小， 重要的推动作用，但目前各学者对卸荷岩体破坏机 因此岩石的T,弛豫由表面弛豫决定 理的研究主要集中于岩体宏观破坏形态和岩体力学 1.2试验装置及岩样的选取 参数变化规律等方面，而对卸荷岩体内部细观裂隙 试验采用的主要仪器有上海纽迈电子科技有限 结构演化特征的研究并不多见.然而，岩体内部细 公司生产的AniMR-l50核磁共振测试分析系统和 观裂隙结构的变化对岩体宏观破坏形态和力学参数 真空饱和装置，以及MTS815电液伺服岩石力学试 变化起决定作用，所以有必要对其规律进行研究 验机.AniMR一l50核磁共振测试分析系统参数为： 常规的测试手段很难直观的、定量分析岩石内部细 磁场强度(250±50)mT,共振频率8.5~12.8MHz, 观裂隙的发展规律，核磁共振技术可以测得岩石的 磁极直径590mm,磁极间隙264mm,磁场均匀度小 弛豫时间横向弛豫时间T,分布(T,谱曲线)、孔隙度 于10×10-6，梯度磁场在X、Y和Z方向G= 和核磁共振图像，为岩石细观裂隙结构损伤演化规 15mT·m-.MTS815电液伺服岩石力学试验机参 律研究提供了一种可行的解决途径.本文采用核磁 数为：最大载荷里程4600kN,载荷测量精度 共振测试系统，将卸荷岩体的宏观变形特性与细观 ±0.5%，三轴围压80MPa. 孔隙结构变化进行结合分析，研究卸荷大理岩所表 试验所用岩样取自云南红河州松树脚锡矿的白 现的宏观变形特征下的内部孔隙结构的细观损伤演 色大理岩.参照操作规程，将岩样加工成直径约 化规律，研究成果可为卸荷岩体损伤机理研究提供 50mm、高度约100mm的圆柱形试件.为了减少试 实验数据 验结果的离散性，提高试验成果的质量及可比性，尽
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 其实质就是一个强卸荷的过程． 研究卸荷岩体的力 学和变形特性以及岩体内部孔隙结构损伤演化规 律，可为采矿、隧道等地下岩土工程稳定性评价和设 计提供理论依据． 针对卸荷岩体破坏规律，国内外许多学者开 展了多方面的研究并取得一系列成果． 李建林［1］ 利用相似模型实验研究了裂隙岩体在卸荷作用下 的尺寸效益和参数演化规律; 雷涛等［2］运用 ＲFPA 软件，研究岩体卸荷破坏过程和声发射效应，得到 卸荷岩体力学参数的变化曲线和劣化规律; 韩放 等［3］利用声发射动态检测损伤的扩展，通过超声 波检测来定量评价岩石试块的损伤程度; 刘豆豆 等［4］开展了大理岩常规三轴试验和峰前、峰后卸 围压试验，通过对比表明岩样峰前卸围压表现的 脆性比峰后更强烈; 纪洪广等［5］对岩石试件在不 同应力状态下受到“加载--卸荷”扰动时的声发射 特征进行了实验研究，表明在加--卸载的过程中， 较低应力水平声发射信号较少，较高应力水平声 发射信号活跃; 王在泉等［6］和王瑞红等［7］分别研 究了天然节理和预制节理在加、卸荷作用下的力 学特性; 邱士利等［8］和张凯等［9］研究了不同卸围 压速率下岩石变形特征和力学参数的变化; Cai 等［10］以加载在岩石上的应力水平与岩石对应条件 下峰值强度的比值来表征岩石的损伤程度，分析 岩石内部损伤演化规律; 任建喜等［11］、周小平和张 永新［12］采用 CT 实时扫描技术研究卸荷条件下岩 石的损伤演化规律． 上述研究成果对于揭示卸荷岩体破坏机理具有 重要的推动作用，但目前各学者对卸荷岩体破坏机 理的研究主要集中于岩体宏观破坏形态和岩体力学 参数变化规律等方面，而对卸荷岩体内部细观裂隙 结构演化特征的研究并不多见． 然而，岩体内部细 观裂隙结构的变化对岩体宏观破坏形态和力学参数 变化起决定作用，所以有必要对其规律进行研究． 常规的测试手段很难直观的、定量分析岩石内部细 观裂隙的发展规律，核磁共振技术可以测得岩石的 弛豫时间横向弛豫时间 T2分布( T2谱曲线) 、孔隙度 和核磁共振图像，为岩石细观裂隙结构损伤演化规 律研究提供了一种可行的解决途径． 本文采用核磁 共振测试系统，将卸荷岩体的宏观变形特性与细观 孔隙结构变化进行结合分析，研究卸荷大理岩所表 现的宏观变形特征下的内部孔隙结构的细观损伤演 化规律，研究成果可为卸荷岩体损伤机理研究提供 实验数据． 1 试验原理及方案 1. 1 核磁共振基本原理 核磁共振技术依据 H 流体原子核的磁性与外 加磁场相互作用原理，来测量岩体孔隙中含 H 流体 的弛豫特征． 通过对放入磁场中的岩样发射一定频 率的射频脉冲，使 H 质子产生共振并吸收射频脉冲 能量． 射频脉冲终止后，H 质子所吸收的射频能量 将会释放出来，而这种能量释放的过程可以通过专 用的线圈检测出来，即为核磁共振信号． 不同尺寸 孔隙中的水，能量释放速度不同，这种信号的差别可 以得到横向弛豫时间 T2分布，并形成核磁共振成像 ( MＲI) ． 通过 T2谱曲线和核磁共振成像，可直观地 反映岩石内部孔隙结构的变化特征． 通常，弛豫时 间 T2越小，孔隙的孔径越小，因此通过合理的换算， 测得的 T2谱分布可以得出试件孔隙的孔径分布，曲 线与横轴围成的面积代表岩样的孔隙度［13］． 岩石孔隙中的流体存在三种弛豫机制，即自由 弛豫、表面弛豫和扩散弛豫，T2可表示为 1 T2 = 1 T2f + 1 T2s + 1 T2d ． ( 1) 式中，T2f为足够大容器中测得的孔隙流体中的 T2， T2s为表面弛豫引起的孔隙流体 T2，T2d为梯度磁场 下扩散引起的孔隙流体的 T2 ． 1 T2s ≈ρ2 ( S ) V ( 2) 式中，ρ2 为 T2表面弛豫强度，S 为孔隙表面积，V 为 流体体积． 自由弛豫和扩散弛豫与表面弛豫相比非常小， 因此岩石的 T2弛豫由表面弛豫决定． 1. 2 试验装置及岩样的选取 试验采用的主要仪器有上海纽迈电子科技有限 公司生产的 AniMＲ--150 核磁共振测试分析系统和 真空饱和装置，以及 MTS 815 电液伺服岩石力学试 验机． AniMＲ--150 核磁共振测试分析系统参数为: 磁场强度( 250 !50) mT，共振频率 8. 5 ～ 12. 8 MHz， 磁极直径 590 mm，磁极间隙 264 mm，磁场均匀度小 于 10 × 10 － 6，梯度 磁 场 在 X、Y 和 Z 方 向 Gmax = 15 mT·m － 1 ． MTS 815 电液伺服岩石力学试验机参 数为: 最 大 载 荷 里 程 4600 kN，载 荷 测 量 精 度 ± 0. 5% ，三轴围压 80 MPa． 试验所用岩样取自云南红河州松树脚锡矿的白 色大理岩． 参照操作规程［14］，将岩样加工成直径约 50 mm、高度约 100 mm 的圆柱形试件． 为了减少试 验结果的离散性，提高试验成果的质量及可比性，尽 · 8651 ·
第12期 胡振襄等：卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 ·1569· 量从一个大的岩块采用密集套钻的方法获取岩样， 表1大理岩的卸荷围压比 选用均质、无明显结构面的岩芯，并在试验前对加工 Table 1 Unloading confining pressure ratios of marble specimens 好的岩样进行核磁共振弛豫测量和成像测量，选出 试件 初始 轴压/ 最终 卸荷围 卸荷围 初始孔隙度相近、T,谱分布相似的岩样，确保试验岩 编号围压/MPa MPa 围压MPa压量MPa压比/% 样的原始裂隙分布相似 A-0 10 163 10.00 0 0 1.3试验方案 A 10 163 5.9 4.1 50 为分析卸荷的不同阶段大理岩内部裂隙发育情 A-2 10 163 3.85 6.15 75 况，提出一个描述性变量一卸荷围压比V。: A-3 10 163 2.62 7.38 90 A-4 10 163 1.80 8.20 100 (3) B-0 20 20.00 0 0 式中：△σ为大理岩在卸荷过程中，从初始围压开 B-1 20 13.56 6.44 50 始，卸荷的围压量；△σ；为大理岩从初始围压卸荷至 B-2 10.34 9.66 75 应力跌落点，卸荷的围压量 B-3 20 19g 8.40 11.60 90 卸荷试验分别选择10、20和30MPa三个初始 B-4 20 199 7.12 12.88 100 围压，进行不同的卸荷围压量的常规三轴卸荷试验， C-0 吃 217 30.00 0 0 其主要步骤为： C-1 30 217 20.18 9.82 50 (1)设置压力值为0.1MPa,将大理岩岩样在水 C-2 30 217 15.27 14.73 75 中进行真空饱和12h,然后持续浸泡48h,采用 C-3 30 217 12.32 17.68 AiMR-一150核磁共振系统进行试件核磁共振弛豫测 C-4 30 217 10.36 19.64 100 量和核磁共振成像测试. (2)采用MTS815电液伺服岩石力学试验机进 向应变和体积应变曲线仍近似直线，表明大理岩在 行不同卸荷围压量的常规三轴卸荷试验，依据试验 卸荷的围压量较低时，变形仍以弹性变形为主，该阶 中三个不同围压下大理岩三轴压缩应力一应变曲线 段轴向应变和侧向应变继续增大，所不同的是轴向 显示，裂纹损伤应力值均大致为三轴抗压强度80% 应变的增大速度开始变缓，侧向应变的增大速度开 附近，故初始轴压选择三轴抗压强度的80%.具体 始变大，且大于轴向应变的增大速度，因而体积应变 做法为：①将轴、围压同时加载至初始围压预定值； 虽为正值但在不断变小，表明该阶段岩石体积压缩 ②继续加载轴压至三轴抗压强度80%的应力水平； 的趋势被遏制，开始转为膨胀，这个阶段主要是原来 ③卸除围压直至破坏，算出△σ3；④计算V。分别为 被压缩的孔隙恢复或小幅度扩展阶段，也会产生一 0、50%、75%和90%时需卸荷的围压量△σ5和最终 定数量的新裂隙.卸荷阶段中、后期，轴向应变、侧 围压值（如表1）；⑤对各岩样按①和②加载初始轴、 向应变和体积应变曲线均表现为塑性变形特征，岩 围压后，卸荷围压至预定的最终围压值；⑥卸荷轴压 石的轴向应变增加较小，而侧向急剧扩容，体积应变 至零后，卸荷围压至零。 为负值且越来越大，表明大理岩在卸荷的围压量较 (3)将经过不同卸荷围压比作用后的岩样进行 高时，以塑性变形为主，体积急剧膨胀直至破坏，这 步骤(1)的测试，获取卸荷后岩样的核磁共振弛豫 个阶段裂纹不断产生和大幅度扩张，损伤急剧增大 和核磁共振成像数据. 可见，在岩样加载轴、围压阶段，轴向应变曲线保持 直线关系，表现为弹性变形特征：卸荷初始阶段，轴 2 应力一应变曲线分析 向曲线保持近似直线，岩样由弹性变形逐渐向塑性 由图1可知，在加载至初始轴、围压阶段，岩样 变形转化，有少量裂纹产生并呈稳定发展状态；卸荷 的轴向应变、侧向应变和体积应变曲线均近似直线， 中、后阶段，岩样应变大幅度增加，体积急剧增大，为 表明大理岩在加载至初始轴、围压阶段，变形以弹性 塑性变形阶段，裂隙进入不稳定发展阶段直至破坏. 变形为主，该阶段随着主应力差值的增大，轴向应变 另外，对比图1(a)、图1(b)和图1(c)可知，在 和侧向应变均增大，轴向应变的增大速度远大于侧 卸荷阶段，轴向变形增幅较小，侧向变形增幅较大， 向应变增速的2倍，因而体积应变为正值并不断增 体积变形几乎按照侧向变形的规律变化.轴向应变 大，表明该阶段岩石处于不断弹性压缩阶段，这个阶 在初始围压为10MPa时，表现为明显的脆性特征， 段很少产生新的裂纹.卸荷初始阶段，轴向应变、侧 塑性特征不明显.当初始围压为20MPa和30MPa
第 12 期 胡振襄等: 卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 量从一个大的岩块采用密集套钻的方法获取岩样， 选用均质、无明显结构面的岩芯，并在试验前对加工 好的岩样进行核磁共振弛豫测量和成像测量，选出 初始孔隙度相近、T2谱分布相似的岩样，确保试验岩 样的原始裂隙分布相似． 1. 3 试验方案 为分析卸荷的不同阶段大理岩内部裂隙发育情 况，提出一个描述性变量———卸荷围压比 Vσ: Vσ = Δσ' 3 Δσ3 ． ( 3) 式中: Δσ' 3 为大理岩在卸荷过程中，从初始围压开 始，卸荷的围压量; Δσ3 为大理岩从初始围压卸荷至 应力跌落点，卸荷的围压量． 卸荷试验分别选择 10、20 和 30 MPa 三个初始 围压，进行不同的卸荷围压量的常规三轴卸荷试验， 其主要步骤为: ( 1) 设置压力值为0. 1 MPa，将大理岩岩样在水 中进 行 真 空 饱 和 12 h，然 后 持 续 浸 泡 48 h，采 用 AniMＲ--150核磁共振系统进行试件核磁共振弛豫测 量和核磁共振成像测试． ( 2) 采用 MTS 815 电液伺服岩石力学试验机进 行不同卸荷围压量的常规三轴卸荷试验，依据试验 中三个不同围压下大理岩三轴压缩应力--应变曲线 显示，裂纹损伤应力值均大致为三轴抗压强度 80% 附近，故初始轴压选择三轴抗压强度的 80% ． 具体 做法为: ①将轴、围压同时加载至初始围压预定值; ②继续加载轴压至三轴抗压强度 80% 的应力水平; ③卸除围压直至破坏，算出 Δσ3 ; ④计算 Vσ 分别为 0、50% 、75% 和 90% 时需卸荷的围压量 Δσ' 3 和最终 围压值( 如表 1) ; ⑤对各岩样按①和②加载初始轴、 围压后，卸荷围压至预定的最终围压值; ⑥卸荷轴压 至零后，卸荷围压至零． ( 3) 将经过不同卸荷围压比作用后的岩样进行 步骤( 1) 的测试，获取卸荷后岩样的核磁共振弛豫 和核磁共振成像数据． 2 应力--应变曲线分析 由图 1 可知，在加载至初始轴、围压阶段，岩样 的轴向应变、侧向应变和体积应变曲线均近似直线， 表明大理岩在加载至初始轴、围压阶段，变形以弹性 变形为主，该阶段随着主应力差值的增大，轴向应变 和侧向应变均增大，轴向应变的增大速度远大于侧 向应变增速的 2 倍，因而体积应变为正值并不断增 大，表明该阶段岩石处于不断弹性压缩阶段，这个阶 段很少产生新的裂纹． 卸荷初始阶段，轴向应变、侧 表 1 大理岩的卸荷围压比 Table 1 Unloading confining pressure ratios of marble specimens 试件 编号 初始 围压/MPa 轴压/ MPa 最终 围压/MPa 卸荷围 压量/MPa 卸荷围 压比/% A--0 10 163 10. 00 0 0 A--1 10 163 5. 9 4. 1 50 A--2 10 163 3. 85 6. 15 75 A--3 10 163 2. 62 7. 38 90 A--4 10 163 1. 80 8. 20 100 B--0 20 199 20. 00 0 0 B--1 20 199 13. 56 6. 44 50 B--2 20 199 10. 34 9. 66 75 B--3 20 199 8. 40 11. 60 90 B--4 20 199 7. 12 12. 88 100 C--0 30 217 30. 00 0 0 C--1 30 217 20. 18 9. 82 50 C--2 30 217 15. 27 14. 73 75 C--3 30 217 12. 32 17. 68 90 C--4 30 217 10. 36 19. 64 100 向应变和体积应变曲线仍近似直线，表明大理岩在 卸荷的围压量较低时，变形仍以弹性变形为主，该阶 段轴向应变和侧向应变继续增大，所不同的是轴向 应变的增大速度开始变缓，侧向应变的增大速度开 始变大，且大于轴向应变的增大速度，因而体积应变 虽为正值但在不断变小，表明该阶段岩石体积压缩 的趋势被遏制，开始转为膨胀，这个阶段主要是原来 被压缩的孔隙恢复或小幅度扩展阶段，也会产生一 定数量的新裂隙． 卸荷阶段中、后期，轴向应变、侧 向应变和体积应变曲线均表现为塑性变形特征，岩 石的轴向应变增加较小，而侧向急剧扩容，体积应变 为负值且越来越大，表明大理岩在卸荷的围压量较 高时，以塑性变形为主，体积急剧膨胀直至破坏，这 个阶段裂纹不断产生和大幅度扩张，损伤急剧增大． 可见，在岩样加载轴、围压阶段，轴向应变曲线保持 直线关系，表现为弹性变形特征; 卸荷初始阶段，轴 向曲线保持近似直线，岩样由弹性变形逐渐向塑性 变形转化，有少量裂纹产生并呈稳定发展状态; 卸荷 中、后阶段，岩样应变大幅度增加，体积急剧增大，为 塑性变形阶段，裂隙进入不稳定发展阶段直至破坏． 另外，对比图 1( a) 、图 1( b) 和图 1( c) 可知，在 卸荷阶段，轴向变形增幅较小，侧向变形增幅较大， 体积变形几乎按照侧向变形的规律变化． 轴向应变 在初始围压为 10 MPa 时，表现为明显的脆性特征， 塑性特征不明显． 当初始围压为 20 MPa 和 30 MPa · 9651 ·
·1570· 北京科技大学学报 第36卷 180- (a) 16Q (b) 200 140 150 100 …轴向应变 80 …轴向应变 dN/o- 100 …侧向应变 一体积应变 60 一侧向应变 一体积应变 ·卸荷起始点 40 ·荷起始点 50 20 2 10 8/102 2Z00 EdW/o- 150 轴向应变 100 …侧向应变 体积应变 ·卸荷起始点 3 -2 -1 E102 图1不同初始围压大理岩应力-应变曲线.(a)10MPa:(b)20MPa:(c)30MPa Fig.1 Stress-strain curves of marble under different initial confining pressures:(a)10 MPa:(b)20 MPa:(c)30 MPa 时，在卸荷阶段，轴向应变接近水平，表现为明显的 径信息.孔隙度分量指相应孔径的孔隙体积之和占 塑性变形特征；临近破坏时，初始围压为10、20和 试件体积的百分比.T,谱曲线谱面积(T,谱曲线积 30MPa的岩样的侧向应变分别为-0.00764、 分面积)与孔隙数量多少和孔隙度大小正相关，谱 -0.0100和-0.0120，体积应变分别为-0.0121、 面积越大，岩样孔隙的数量就越多，孔隙度就越大： -0.0147和-0.0195，应变值均随围压增大而增大， 单个谱峰的面积和峰值与相应孔径孔隙的数量成正 表明初始围压对大理岩的变形影响显著，初始围压 比：T,值的大小与孔径大小成正相关，T值越大，孔 越大，大理岩的塑性越明显，破坏前所经历的变形就 径就越大5-6 越大 由图2可以发现，初始围压越大，岩样的T2谱 3结果与分析 曲线向右侧移动的趋势就越明显，谱面积和峰值就 越大.当卸荷围压比为0时，不同初始围压的岩样 3.1核磁共振T,谱分析 T,谱曲线的谱面积和峰值的差值相对较小；卸荷围 T,谱曲线能够反映岩样内孔隙的数量信息和孔 压比为90%时，谱面积和峰值的差值相对较大，表 006 0.10r 1一初始制压10MPa 0.08 1一初始围压10MP 0.04 2一初始围压20MPa 2一初始围压20MP: 3一初始围压30MPa 0.06 3一初始围压30MPa 0.04 0.02 0.02 101 10 10 10P 10 10 109 10 10P 10 10 跑像时间T,/s 驰豫时间T/m 图2不同卸荷围压比的T2谱曲线.(a)0:(b)90% Fig.2 T2 spectrum distribution curves at different unloading confining pressure ratios:(a)0:(b)90%
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 1 不同初始围压大理岩应力--应变曲线． ( a) 10 MPa; ( b) 20 MPa; ( c) 30 MPa Fig． 1 Stress-strain curves of marble under different initial confining pressures: ( a) 10 MPa; ( b) 20 MPa; ( c) 30 MPa 时，在卸荷阶段，轴向应变接近水平，表现为明显的 塑性变形特征; 临近破坏时，初始围压为 10、20 和 30 MPa 的岩样的侧向应变分别为 － 0. 00764、 － 0. 0100和 － 0. 0120，体积应变分别为 － 0. 0121、 － 0. 0147和 － 0. 0195，应变值均随围压增大而增大， 表明初始围压对大理岩的变形影响显著，初始围压 越大，大理岩的塑性越明显，破坏前所经历的变形就 越大． 图 2 不同卸荷围压比的 T2谱曲线． ( a) 0; ( b) 90% Fig． 2 T2 spectrum distribution curves at different unloading confining pressure ratios: ( a) 0; ( b) 90% 3 结果与分析 3. 1 核磁共振 T2谱分析 T2谱曲线能够反映岩样内孔隙的数量信息和孔 径信息． 孔隙度分量指相应孔径的孔隙体积之和占 试件体积的百分比． T2谱曲线谱面积( T2谱曲线积 分面积) 与孔隙数量多少和孔隙度大小正相关，谱 面积越大，岩样孔隙的数量就越多，孔隙度就越大; 单个谱峰的面积和峰值与相应孔径孔隙的数量成正 比; T2值的大小与孔径大小成正相关，T2值越大，孔 径就越大［15--16］． 由图 2 可以发现，初始围压越大，岩样的 T2 谱 曲线向右侧移动的趋势就越明显，谱面积和峰值就 越大． 当卸荷围压比为 0 时，不同初始围压的岩样 T2谱曲线的谱面积和峰值的差值相对较小; 卸荷围 压比为 90% 时，谱面积和峰值的差值相对较大，表 · 0751 ·
第12期 胡振襄等：卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 ·1571· 明卸荷岩体内部孔隙发育受初始围压影响显著，初 大，表明卸荷围压比高于90%时，大理岩“软化”现 始围压越大，相同卸荷围压比作用下的大理岩内部 象显著，内部孔隙度急剧增大，损伤急剧加大直至破 孔隙的孔径就越大，数量就越多，即岩石的孔隙度就 坏，这种损伤表现为孔隙的数量和孔径均急剧增大， 越大，内部损伤就越大，且卸荷损伤的差距会随着卸 因而在宏观上表现为岩样的急剧扩容 荷围压比的增大而不断加剧. 3.2孔隙度分析 由图3可知，在加-卸载前，岩样的初始T2谱曲 岩体的总孔隙度和不同孔径孔隙的孔隙度变化 线由四个谱峰组成：从左到右，第一谱峰孤立存在， 能够直观地反映岩体内部裂隙发生、扩展和贯通的 弛豫时间T,较小，视作小孔径孔隙：第2~4谱峰相 情况，进而分析岩体的损伤和破坏规律.根据前文 连，弛豫时间T,较大，视作大孔径孔隙.在卸荷阶 所述，将大理岩的T,谱曲线中第1谱峰视为小孔径 段，随着卸荷围压比的增大，岩样的第1谱峰逐渐向 孔隙，第2~4谱峰视为大孔径孔隙. 右侧移动，表明小孔隙的孔径不断增大；第2~4谱 图4为不同初始围压岩样在不同卸荷围压比作 峰逐渐发展成一个谱峰，向右侧移动，且谱峰面积和 用下的总孔隙度变化曲线.由图可知，随着卸荷围 峰值均不断增大，表明岩样内大孔隙的孔径不断增 压比的增大，不同初始围压的岩样的总孔隙度均不 大，数量不断增多，岩样在力的作用下，不仅出现裂 断增大，表明岩石内部裂隙不断发展，损伤不断加 隙的扩展，而且裂隙的数量急剧增多，表现为塑性变 大.这是因为在卸荷围压时，相当于在初始应力作 形特征.由于卸荷过程中虽然产生小孔隙，但部分 用下的岩体中施加一个反向的环向“拉应力”，卸荷 小孔隙在卸荷作用下不断扩展和贯通，变成大孔隙， 围压比不断增大，则“拉应力”不断增大，岩样的侧 同时大孔隙也在不断扩展，这样造成大孔隙的数量 向变形就越大，其内部裂隙不断产生、扩展和贯通， 和孔径均在不断增大，因而图3中T,曲线的大孔隙 表现为孔隙度的不断增加.在相同卸荷围压比下， 的变化更加显著 初始围压为20MPa和30MPa的岩样孔隙度均大于 初始围压为10MPa的岩样孔隙度，初始围压为 0.16 1一加-卸载前 2一御荷制压比0 30MPa的岩样孔隙度略大于初始围压为20MPa的 0.14 3一卸荷围压比50% 012 4一卸荷围压比75% 岩样，但曲线在少数点出现交叉现象，是由于岩样之 三0.10 5一卸荷围压比90% 间个体的差异造成试验结果在少数点上出现一定的 6一卸荷围压比10D0% 0.08 离散性 2.0m 0.04 ·-初始围压10MPa 0.02 15 ·初始围压20MPa ·一初始围压30MP 10 10 10P 10 10 驰豫时间Ts 1.0 图3初始围压20MPa、不同卸荷围压比的T2谱分布 0.5 Fig.3 T2 spectrum distribution under the confining pressure of 20 MPa at different unloading confining pressure ratios 0102030405060708090100 卸荷制压比/修 另外，由图3可以发现，卸荷围压比为0的T2 图4不同初始围压的总孔隙度变化曲线 谱曲线与加一卸载前相比，谱面积增大，表明在加载 Fig.4 Curves of total porosity under different initial confining pres- sures 至初始轴、围压的过程中，大理岩虽然以弹性变形为 主，但内部仍产生了损伤.卸荷围压比由0增大至 另外，由图4可以发现，不同初始围压的岩样的 90%阶段，T,谱面积和峰值的增加幅度均不断加大， 总孔隙度增长趋势一致，均随着卸荷围压比的增大， T,谱曲线向右侧移动但移动的幅度较小，表明随着 总孔隙度增幅越来越大，表现为曲线的斜率不断增 卸荷围压比的增加，大理岩内部孔隙度加速增大，内 大，表明岩石内部损伤发展越来越快.当卸荷围压 部损伤不断加剧，这种损伤主要表现为孔隙数量的 比处于0~50%阶段，各曲线斜率较小，表明这个阶 增多，因此该阶段岩样宏观上的扩容增量不大.当 段岩石孔隙发育缓慢，损伤增量较小，其原因是岩样 卸荷围压比由90%增至100%阶段，T谱面积和峰 在加载至初始轴、围压过程中，岩石产生弹性变形， 值均急剧增大，同时T,谱曲线向右侧移动幅度较 内部的孔隙出现了闭合和挤压，而在卸荷过程中，当
第 12 期 胡振襄等: 卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 明卸荷岩体内部孔隙发育受初始围压影响显著，初 始围压越大，相同卸荷围压比作用下的大理岩内部 孔隙的孔径就越大，数量就越多，即岩石的孔隙度就 越大，内部损伤就越大，且卸荷损伤的差距会随着卸 荷围压比的增大而不断加剧． 由图 3 可知，在加--卸载前，岩样的初始 T2谱曲 线由四个谱峰组成: 从左到右，第一谱峰孤立存在， 弛豫时间 T2较小，视作小孔径孔隙; 第 2 ～ 4 谱峰相 连，弛豫时间 T2 较大，视作大孔径孔隙． 在卸荷阶 段，随着卸荷围压比的增大，岩样的第 1 谱峰逐渐向 右侧移动，表明小孔隙的孔径不断增大; 第 2 ～ 4 谱 峰逐渐发展成一个谱峰，向右侧移动，且谱峰面积和 峰值均不断增大，表明岩样内大孔隙的孔径不断增 大，数量不断增多，岩样在力的作用下，不仅出现裂 隙的扩展，而且裂隙的数量急剧增多，表现为塑性变 形特征． 由于卸荷过程中虽然产生小孔隙，但部分 小孔隙在卸荷作用下不断扩展和贯通，变成大孔隙， 同时大孔隙也在不断扩展，这样造成大孔隙的数量 和孔径均在不断增大，因而图 3 中 T2曲线的大孔隙 的变化更加显著． 图 3 初始围压 20 MPa、不同卸荷围压比的 T2谱分布 Fig． 3 T2 spectrum distribution under the confining pressure of 20 MPa at different unloading confining pressure ratios 另外，由图 3 可以发现，卸荷围压比为 0 的 T2 谱曲线与加--卸载前相比，谱面积增大，表明在加载 至初始轴、围压的过程中，大理岩虽然以弹性变形为 主，但内部仍产生了损伤． 卸荷围压比由 0 增大至 90% 阶段，T2谱面积和峰值的增加幅度均不断加大， T2谱曲线向右侧移动但移动的幅度较小，表明随着 卸荷围压比的增加，大理岩内部孔隙度加速增大，内 部损伤不断加剧，这种损伤主要表现为孔隙数量的 增多，因此该阶段岩样宏观上的扩容增量不大． 当 卸荷围压比由 90% 增至 100% 阶段，T2谱面积和峰 值均急剧增大，同时 T2 谱曲线向右侧移动幅度较 大，表明卸荷围压比高于 90% 时，大理岩“软化”现 象显著，内部孔隙度急剧增大，损伤急剧加大直至破 坏，这种损伤表现为孔隙的数量和孔径均急剧增大， 因而在宏观上表现为岩样的急剧扩容． 3. 2 孔隙度分析 岩体的总孔隙度和不同孔径孔隙的孔隙度变化 能够直观地反映岩体内部裂隙发生、扩展和贯通的 情况，进而分析岩体的损伤和破坏规律． 根据前文 所述，将大理岩的 T2谱曲线中第 1 谱峰视为小孔径 孔隙，第 2 ～ 4 谱峰视为大孔径孔隙． 图 4 为不同初始围压岩样在不同卸荷围压比作 用下的总孔隙度变化曲线． 由图可知，随着卸荷围 压比的增大，不同初始围压的岩样的总孔隙度均不 断增大，表明岩石内部裂隙不断发展，损伤不断加 大． 这是因为在卸荷围压时，相当于在初始应力作 用下的岩体中施加一个反向的环向“拉应力”，卸荷 围压比不断增大，则“拉应力”不断增大，岩样的侧 向变形就越大，其内部裂隙不断产生、扩展和贯通， 表现为孔隙度的不断增加． 在相同卸荷围压比下， 初始围压为 20 MPa 和 30 MPa 的岩样孔隙度均大于 初始围 压 为 10 MPa 的 岩 样 孔 隙 度，初 始 围 压 为 30 MPa的岩样孔隙度略大于初始围压为 20 MPa 的 岩样，但曲线在少数点出现交叉现象，是由于岩样之 间个体的差异造成试验结果在少数点上出现一定的 离散性． 图 4 不同初始围压的总孔隙度变化曲线 Fig． 4 Curves of total porosity under different initial confining pressures 另外，由图 4 可以发现，不同初始围压的岩样的 总孔隙度增长趋势一致，均随着卸荷围压比的增大， 总孔隙度增幅越来越大，表现为曲线的斜率不断增 大，表明岩石内部损伤发展越来越快． 当卸荷围压 比处于 0 ～ 50% 阶段，各曲线斜率较小，表明这个阶 段岩石孔隙发育缓慢，损伤增量较小，其原因是岩样 在加载至初始轴、围压过程中，岩石产生弹性变形， 内部的孔隙出现了闭合和挤压，而在卸荷过程中，当 · 1751 ·
·1572 北京科技大学学报 第36卷 卸荷围压比较小时“拉应力”较小，岩样变形仍然 由图5(a)可知，随着卸荷围压比的增加，不同 以弹性变形为主，原有的孔隙恢复或小幅度扩张，所 初始围压岩样的小孔隙的孔隙度整体呈增大趋 以孔隙度增长较小.当卸荷围压比处于50%~90% 势，但三条曲线变化无明显的一致规律，表明不同 段时，曲线斜率变大，表明孔隙度增速加快，岩石的 初始围压的大理岩，随着卸荷围压比的增加，细小 损伤程度加剧，这是因为卸荷围压比超过50%之 裂纹不断发展，但发展趋势没有一致规律.小孔隙 后，随着“拉应力”的增大，岩样变形由以弹性变形 的孔隙度均较小，低于0.04%，所占岩样总孔隙度 为主逐渐转化为塑性变形为主，岩石内部细小裂纹 的比例也低于4%，表明在卸荷作用下，大理岩小 逐渐扩展成大孔径孔隙，大孔径孔隙的数量增加较 孔隙孔隙度虽在增大，但增加值较小，对总孔隙度 快，孔径也不断增大.当卸荷围压比处于90%~ 的影响微弱.针对该现象，笔者认为：在卸荷作用 100%(即破坏)阶段，图中各曲线斜率进一步增大， 下，大理岩产生新的小孔隙，而部分小孔隙又扩展 岩石“软化”现象显著，内部裂隙加速扩展、贯通直 为大孔隙，使得小孔隙数量变化具有随机性和动 至破坏，岩石内部损伤急剧增加 态性. 0.04 20m 。初始压10MPa .一初始围压10MP 0.03 ·初始制压20MPa 1.5 ·一初始围压20MP 这 +-初始压30MP +-初始围压30MP 0.02 1.0 0.01 0.5 0102030405060708090100 0102030405060708090100 卸荷围压比修 卸荷压比/保 图5不同孔径孔隙的孔隙度变化曲线.(a)小孔隙：(b)大孔隙 Fig.5 Porosity curves of different size microcracks:(a)small microcracks:(b)large microeracks 对比图4和图5(b)可以发现，大孔隙的孔隙度 增大，分别处于弹性变形、塑性变形和破坏阶段的岩 较大，占大理岩总孔隙度的比例超过96%.大孔隙 样内部孔隙动态变化情况：卸荷围压比为50%，岩 的孔隙度变化曲线和总孔隙度变化曲线几乎一致， 样变形以弹性变形为主，孔隙度增幅较小，表现为 均随着卸荷围压比的增大，曲线斜率不断增大，表明 图6(c)与图6(b)相比，白斑的亮度和面积增幅均 大孔隙的孔隙度不断增大，且增速越来越快，对大理 较小；卸荷围压比为75%和90%，岩样变形以塑性 岩的孔隙度变化起主导作用.这是因为随着卸荷围 变形为主，孔隙度大幅度增加，表现为图6()和 压比的增加，小孔径孔隙扩展为大孔径孔隙，原有大 图6()中白斑的亮度和面积均显著增大，且卸荷围 孔径孔隙也不断扩展，使得大孔隙的数量和孔径均 压比越大，增幅越大：卸荷围压比为100%（即破坏） 快速增加.可见大理岩的损伤与破坏主要是卸荷作 时，产生贯通裂隙，可以发现图6()中有明显的贯 用下大孔隙的扩展和贯通造成的 通亮斑（图中为条带状，为成像时投影长度较大而 3.3核磁共振成像分析 叠加在一起所致).另外，可以发现岩样图像（卸荷 对不同卸荷围压比作用后的岩样进行核磁共振 围压比100%除外)的白斑分布均匀，表明岩样内的 成像测试，其中黑色区域为底色，白色斑点代表为含 孔隙在卸荷作用下扩展较均匀，其内部孔隙的受力 水的孔隙，白斑面积越大和亮度越高表示孔隙度 情况不因所处位置的不同而出现较大变化. 越高。 由图7可知，不同初始围压的岩样卸荷至破坏 图6为初始围压20MPa的岩样在不同加-卸载 时，破坏模式为单斜面剪切破坏，可以发现与之相对 阶段的核磁共振图像.可以发现，与图6(a)相比， 应的图8中均存在一条贯通亮斑：贯通亮斑的形态 图6(b)中白斑的亮度和面积均有增大，但增大趋势 差异明显，表明贯通裂隙的发育具有随机性；贯通亮 不明显，表明岩样在加载至初始轴、围压的过程中， 斑外图像的其他部分能够反映临近破坏时，岩样内 虽然处于弹性变形阶段，但仍会产生少量裂纹，原有 孔隙的分布情况.初始围压越大，图像的亮度就越 裂纹也会小幅度扩展，导致孔隙度较小幅度增大 高，表明破坏前，初始围压对大理岩内部孔隙发展具 图6(b)~(f)能够直观地反映出随着卸荷围压比的 有显著的影响，初始围压越大，内部孔隙度就越大
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 卸荷围压比较小时，“拉应力”较小，岩样变形仍然 以弹性变形为主，原有的孔隙恢复或小幅度扩张，所 以孔隙度增长较小． 当卸荷围压比处于 50% ～ 90% 段时，曲线斜率变大，表明孔隙度增速加快，岩石的 损伤程度加剧，这是因为卸荷围压比超过 50% 之 后，随着“拉应力”的增大，岩样变形由以弹性变形 为主逐渐转化为塑性变形为主，岩石内部细小裂纹 逐渐扩展成大孔径孔隙，大孔径孔隙的数量增加较 快，孔径也不断增大． 当卸荷围压比处于 90% ～ 100% ( 即破坏) 阶段，图中各曲线斜率进一步增大， 岩石“软化”现象显著，内部裂隙加速扩展、贯通直 至破坏，岩石内部损伤急剧增加． 由图 5( a) 可知，随着卸荷围压比的增加，不同 初始围压岩样的小孔隙的孔隙度整体呈增大趋 势，但三条曲线变化无明显的一致规律，表明不同 初始围压的大理岩，随着卸荷围压比的增加，细小 裂纹不断发展，但发展趋势没有一致规律． 小孔隙 的孔隙度均较小，低于 0. 04% ，所占岩样总孔隙度 的比例也低于 4% ，表明在卸荷作用下，大理岩小 孔隙孔隙度虽在增大，但增加值较小，对总孔隙度 的影响微弱． 针对该现象，笔者认为: 在卸荷作用 下，大理岩产生新的小孔隙，而部分小孔隙又扩展 为大孔隙，使得小孔隙数量变化具有随机性和动 态性． 图 5 不同孔径孔隙的孔隙度变化曲线． ( a) 小孔隙; ( b) 大孔隙 Fig． 5 Porosity curves of different size microcracks: ( a) small microcracks; ( b) large microcracks 对比图 4 和图 5( b) 可以发现，大孔隙的孔隙度 较大，占大理岩总孔隙度的比例超过 96% ． 大孔隙 的孔隙度变化曲线和总孔隙度变化曲线几乎一致， 均随着卸荷围压比的增大，曲线斜率不断增大，表明 大孔隙的孔隙度不断增大，且增速越来越快，对大理 岩的孔隙度变化起主导作用． 这是因为随着卸荷围 压比的增加，小孔径孔隙扩展为大孔径孔隙，原有大 孔径孔隙也不断扩展，使得大孔隙的数量和孔径均 快速增加． 可见大理岩的损伤与破坏主要是卸荷作 用下大孔隙的扩展和贯通造成的． 3. 3 核磁共振成像分析 对不同卸荷围压比作用后的岩样进行核磁共振 成像测试，其中黑色区域为底色，白色斑点代表为含 水的孔隙，白斑面积越大和亮度越高表示孔隙度 越高． 图 6 为初始围压 20 MPa 的岩样在不同加--卸载 阶段的核磁共振图像． 可以发现，与图 6( a) 相比， 图 6( b) 中白斑的亮度和面积均有增大，但增大趋势 不明显，表明岩样在加载至初始轴、围压的过程中， 虽然处于弹性变形阶段，但仍会产生少量裂纹，原有 裂纹也会小幅度扩展，导致孔隙度较小幅度增大． 图 6( b) ～ ( f) 能够直观地反映出随着卸荷围压比的 增大，分别处于弹性变形、塑性变形和破坏阶段的岩 样内部孔隙动态变化情况: 卸荷围压比为 50% ，岩 样变形以弹性变形为主，孔隙度增幅较小，表现为 图 6( c) 与图 6( b) 相比，白斑的亮度和面积增幅均 较小; 卸荷围压比为 75% 和 90% ，岩样变形以塑性 变形为主，孔隙度大幅度增加，表现为图 6 ( d) 和 图 6( e) 中白斑的亮度和面积均显著增大，且卸荷围 压比越大，增幅越大; 卸荷围压比为 100% ( 即破坏) 时，产生贯通裂隙，可以发现图 6( f) 中有明显的贯 通亮斑( 图中为条带状，为成像时投影长度较大而 叠加在一起所致) ． 另外，可以发现岩样图像( 卸荷 围压比 100% 除外) 的白斑分布均匀，表明岩样内的 孔隙在卸荷作用下扩展较均匀，其内部孔隙的受力 情况不因所处位置的不同而出现较大变化． 由图 7 可知，不同初始围压的岩样卸荷至破坏 时，破坏模式为单斜面剪切破坏，可以发现与之相对 应的图 8 中均存在一条贯通亮斑; 贯通亮斑的形态 差异明显，表明贯通裂隙的发育具有随机性; 贯通亮 斑外图像的其他部分能够反映临近破坏时，岩样内 孔隙的分布情况． 初始围压越大，图像的亮度就越 高，表明破坏前，初始围压对大理岩内部孔隙发展具 有显著的影响，初始围压越大，内部孔隙度就越大， · 2751 ·
第12期 胡振襄等：卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 ·1573· 图6初始围压20MPa的岩样在不同卸荷围压比作用后的核磁共振图像.(a)加-卸载前：(b)0:(c)50%:(d)75%:(e)90%:(0 100% Fig.6 NMR images of rock at the initial confining pressure of 20 MPa at different unloading confining pressure ratios:(a)unloaded specimen: (b)0:(c)50%:(d)75%:(e)90%:(f0100% 岩石的损伤程度就越高，宏观上表现为岩样的塑性 4结论 越明显，变形越大 (1)岩样在加载至初始轴、围压阶段及卸荷初 期，表现为弹性变形特征，随着卸荷的进行，逐渐由 弹性变形转化为塑性变形：卸荷阶段，轴向变形增幅 较小，侧向变形增幅较大，体积变形几乎按照侧向变 形的规律变化：初始围压越大，岩样破坏前所产生的 变形就越大. (2)初始围压越大，相同卸荷围压比作用下的 岩样孔隙的数量越多且孔径越大：随着卸荷围压比 的增大，岩样内部小孔隙的孔径增大，大孔隙的数量 图7不同初始围压岩样在卸荷围压比100%时岩石破坏模式. 增多，孔径增大：卸荷围压比低于90%，岩体损伤主 (a)10 MPa:(b)20 MPa:(c)30 MPa 要表现为孔隙数量的增多：卸荷围压比高于90%， Fig.7 Failure modes of rock at the unloading confining pressure ratio 损伤表现为孔隙数量和孔径均急刷增大. of 100%under different initial confining pressures:(a)10 MPa: (b)20 MPa:(c)30 MPa (3)岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增 大，且增速越来越快：大孔径孔隙的孔隙度占总孔隙 图8不同初始围压岩样在卸荷围压比100%时的核磁共振成像.(a)10MPa:(b)20MPa:(c)30MPa Fig.8 NMR images of rock at the unloading confining pressure ratio of100%under different initial confining pressures:(a)10 MPa:(b)20 MPa: (c)30 MPa
第 12 期 胡振襄等: 卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试 图 6 初始围压 20 MPa 的岩样在不同卸荷围压比作用后的核磁共振图像． ( a) 加--卸载前; ( b) 0; ( c) 50% ; ( d) 75% ; ( e) 90% ; ( f) 100% Fig． 6 NMＲ images of rock at the initial confining pressure of 20 MPa at different unloading confining pressure ratios: ( a) unloaded specimen; ( b) 0; ( c) 50 % ; ( d) 75% ; ( e) 90% ; ( f) 100% 岩石的损伤程度就越高，宏观上表现为岩样的塑性 越明显，变形越大． 图 8 不同初始围压岩样在卸荷围压比 100% 时的核磁共振成像． ( a) 10 MPa; ( b) 20 MPa; ( c) 30 MPa Fig． 8 NMＲ images of rock at the unloading confining pressure ratio of 100% under different initial confining pressures: ( a) 10 MPa; ( b) 20 MPa; ( c) 30 MPa 图 7 不同初始围压岩样在卸荷围压比 100% 时岩石破坏模式． ( a) 10 MPa; ( b) 20 MPa; ( c) 30 MPa Fig． 7 Failure modes of rock at the unloading confining pressure ratio of 100% under different initial confining pressures: ( a) 10 MPa; ( b) 20 MPa; ( c) 30 MPa 4 结论 ( 1) 岩样在加载至初始轴、围压阶段及卸荷初 期，表现为弹性变形特征，随着卸荷的进行，逐渐由 弹性变形转化为塑性变形; 卸荷阶段，轴向变形增幅 较小，侧向变形增幅较大，体积变形几乎按照侧向变 形的规律变化; 初始围压越大，岩样破坏前所产生的 变形就越大． ( 2) 初始围压越大，相同卸荷围压比作用下的 岩样孔隙的数量越多且孔径越大; 随着卸荷围压比 的增大，岩样内部小孔隙的孔径增大，大孔隙的数量 增多，孔径增大; 卸荷围压比低于 90% ，岩体损伤主 要表现为孔隙数量的增多; 卸荷围压比高于 90% ， 损伤表现为孔隙数量和孔径均急剧增大． ( 3) 岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增 大，且增速越来越快; 大孔径孔隙的孔隙度占总孔隙 · 3751 ·
·1574 北京科技大学学报 第36卷 度的96%以上，对大理岩的损伤和破坏起主导 29(9):1807 作用. (邱士利，冯夏庭，张传庆，等.不同卸围压速率下深埋大理 (4)随着卸荷围压比的增加，岩样核磁共振图 岩卸荷力学特性试验研究.岩石力学与工程学报，2010,29 (9):1807) 像中白斑的面积和亮度不断增大，直至出现贯通亮 9]Zhang K,Zhou H,Pan P Z,et al.Characteristics of strength of 斑.核磁共振图像能够直观反映出卸荷岩体内部裂 rocks under different unloading rates.Rock Soil Mech,2010,31 隙的结构变化 (7):2072 (张凯，周辉，潘鹏志，等.不同卸荷速率下岩石强度特性研 参考文献 究.岩土力学，2010,31(7)：2072) [Li J L.Unloading Rock Mass Mechanics.Beijing:China Water [10]Cai M,Kaiser P K,Tasaka Y,et al.Generalized crack initiation Power Press,2003 and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near un- (李建林.卸荷岩体力学.北京：中国水利水电出版社，2003) derground excavations.Int J Rock Mech Min Sci,2004,41(5): Lei T.Zhou K P.Hu J H,et al.Mechanics parameters deteriora- 833 tion laws of unloading rock mass by meso-damage mechanics.J [11]Ren J X,Luo Y,Liu W G,et al.Application of computerized Cent South Unin Sci Technol,2013,44(1)275 topography testing technology on studying rock failure mechanism (雷涛，周科平，胡建华，等.卸荷岩体力学参数劣化规律的 under loading and unloading.J Glaciol Geocryol,2002,24(5): 细观损伤分析.中南大学学报：自然科学版，2013,44(1)： 672 275) (任建喜，罗英，刘文刚，等.CT检测技术在岩石加卸载破 B]Han F,Ji H G,Zhang W.Relationship between the acoustic 坏机理研究中的应用.冰川冻土，2002,24(5)：672) characteristics and damage variable in the process of uniaxial load- 02] Zhou X P,Zhang Y X.Unloading Rock Mass Constitutire Theory ing and unloading.JUniv Sci Technol Beijing,2007,29(5):452 and Application.Beijing:Science Press,2007 (韩放，纪洪广，张伟.单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其 (周小平，张永新卸荷岩体本构理论及其应用.北京：科学 与损伤因子关系.北京科技大学学报，2007,29(5)：452) 出版社，2007) 4]Liu DD.Chen WZ,Yang J P,et al.Experimental research on 03] Coates G,Xiao L Z,Prammer M.Nuclear Magnetic Resonance strength characteristic of brittle rock unloading confining pressure. (NMR)Logging Principles and Its Application.Beijing:Petrole- Rock Soil Mech,2009,30(9):2588 um Industry Press,2007 (刘豆豆，陈卫忠，杨建平，等.脆性岩石卸围压强度特性试 (Coates G,肖立志，Prammer M.核磁共振测井原理与应用. 验研究.岩土力学，2009,30(9)：2588) 北京：石油工业出版社，2007) [5]Ji HG,Hou Z F,Zhang L,et al.Acoustic emission character of [14]The Professional Standards Compilation Group of Peoples Repub- loaded rock under load-unload disturbance.I Uni Sci Technol lic of China.S1264-2001 Specifications for Rock Tests in Water Beng,2011,33(1):1 Conserrancy and Hydroelectric Engineering.Beijing:China Water (纪洪广，侯昭飞，张磊，等.载荷岩石材料在加载卸荷扰动 Power Press,2001 作用下声发射特性.北京科技大学学报，2011,33(1)：1) (中华人民共和国行业标准编写组.SI264一2001水利水电 [6]Wang Z Q,Zhang L M,Sun H.Experimental research on me- 工程岩石试验规程.北京：中国水利水电出版社，2001) chanical properties of limestone containing natural joints under 05] Zhou K P,Li J L,Xu Y J,et al.Measurement of rock pore loading and unloading conditions.Chin Rock Mech Eng,2010, structure based on NMR technology.J Cent South Univ Sci Tech- 29(Suppl1):3308 nal,2012,43(12):4796 (王在泉，张黎明，孙辉.含天然节理灰岩加、卸荷力学特性 (周科平，李杰林，许玉娟，等。基于核磁共振技术的岩石孔 试验研究.岩石力学与工程学报，2010,29（增刊1）：3308) 隙结构特征测定.中南大学学报：自然科学版，2012,43 ]Wang R H,Li J L,Jiang YZ,et al.Experimental research on (12):4796) mechanical property of rock mass with prefabricated joints under 16] Zhou K P,Zhang Y M,Li J L,et al.Granite microstructure de- unloading condition.Rock Soil Mech,2012,33(11):3257 terioration characteristic under condition of freezing-hawing based (王瑞红，李建林，蒋昱州，等.含预制节理岩体卸荷条件下 on NMR technology.J Cent South Univ Sci Technol,2013, 力学特性试验研究.岩土力学，2012,33(11)：3257) 44(8):3384 [8]Qiu S L,Feng X T,Zhang C Q,et al.Experimental research on (周科平，张亚民，李杰林，等.冻融花岗岩细观损伤演化的 mechanical properties of deep-buried marble under different unloa- 核磁共振.中南大学学报：自然科学版，2013,44(8)： ding rates of confining pressures.Chin J Rock Mech Eng,2010, 3384)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 度的 96% 以 上，对大理岩的损伤和破坏起主导 作用． ( 4) 随着卸荷围压比的增加，岩样核磁共振图 像中白斑的面积和亮度不断增大，直至出现贯通亮 斑． 核磁共振图像能够直观反映出卸荷岩体内部裂 隙的结构变化． 参 考 文 献 ［1］ Li J L． Unloading Ｒock Mass Mechanics． Beijing: China Water Power Press，2003 ( 李建林． 卸荷岩体力学． 北京: 中国水利水电出版社，2003) ［2］ Lei T，Zhou K P，Hu J H，et al． Mechanics parameters deterioration laws of unloading rock mass by meso-damage mechanics． J Cent South Univ Sci Technol，2013，44( 1) : 275 ( 雷涛，周科平，胡建华，等． 卸荷岩体力学参数劣化规律的 细观损伤分析． 中南大学学报: 自然科学版，2013，44 ( 1) : 275) ［3］ Han F，Ji H G，Zhang W． Ｒelationship between the acoustic characteristics and damage variable in the process of uniaxial loading and unloading． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 5) : 452 ( 韩放，纪洪广，张伟． 单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其 与损伤因子关系． 北京科技大学学报，2007，29( 5) : 452) ［4］ Liu D D，Chen W Z，Yang J P，et al． Experimental research on strength characteristic of brittle rock unloading confining pressure． Ｒock Soil Mech，2009，30( 9) : 2588 ( 刘豆豆，陈卫忠，杨建平，等． 脆性岩石卸围压强度特性试 验研究． 岩土力学，2009，30( 9) : 2588) ［5］ Ji H G，Hou Z F，Zhang L，et al． Acoustic emission character of loaded rock under load-unload disturbance． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 1) : 1 ( 纪洪广，侯昭飞，张磊，等． 载荷岩石材料在加载--卸荷扰动 作用下声发射特性． 北京科技大学学报，2011，33( 1) : 1) ［6］ Wang Z Q，Zhang L M，Sun H． Experimental research on mechanical properties of limestone containing natural joints under loading and unloading conditions． Chin J Ｒock Mech Eng，2010， 29( Suppl 1) : 3308 ( 王在泉，张黎明，孙辉． 含天然节理灰岩加、卸荷力学特性 试验研究． 岩石力学与工程学报，2010，29( 增刊 1) : 3308) ［7］ Wang Ｒ H，Li J L，Jiang Y Z，et al． Experimental research on mechanical property of rock mass with prefabricated joints under unloading condition． Ｒock Soil Mech，2012，33( 11) : 3257 ( 王瑞红，李建林，蒋昱州，等． 含预制节理岩体卸荷条件下 力学特性试验研究． 岩土力学，2012，33( 11) : 3257) ［8］ Qiu S L，Feng X T，Zhang C Q，et al． Experimental research on mechanical properties of deep-buried marble under different unloading rates of confining pressures． Chin J Ｒock Mech Eng，2010， 29( 9) : 1807 ( 邱士利，冯夏庭，张传庆，等． 不同卸围压速率下深埋大理 岩卸荷力学特性试验研究． 岩石力学与工程学报，2010，29 ( 9) : 1807) ［9］ Zhang K，Zhou H，Pan P Z，et al． Characteristics of strength of rocks under different unloading rates． Ｒock Soil Mech，2010，31 ( 7) : 2072 ( 张凯，周辉，潘鹏志，等． 不同卸荷速率下岩石强度特性研 究． 岩土力学，2010，31( 7) : 2072) ［10］ Cai M，Kaiser P K，Tasaka Y，et al． Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations． Int J Ｒock Mech Min Sci，2004，41( 5) : 833 ［11］ Ｒen J X，Luo Y，Liu W G，et al． Application of computerized topography testing technology on studying rock failure mechanism under loading and unloading． J Glaciol Geocryol，2002，24( 5) : 672 ( 任建喜，罗英，刘文刚，等． CT 检测技术在岩石加卸载破 坏机理研究中的应用． 冰川冻土，2002，24( 5) : 672) ［12］ Zhou X P，Zhang Y X． Unloading Ｒock Mass Constitutive Theory and Application． Beijing: Science Press，2007 ( 周小平，张永新． 卸荷岩体本构理论及其应用． 北京: 科学 出版社，2007) ［13］ Coates G，Xiao L Z，Prammer M． Nuclear Magnetic Ｒesonance ( NMＲ) Logging Principles and Its Application． Beijing: Petroleum Industry Press，2007 ( Coates G，肖立志，Prammer M． 核磁共振测井原理与应用． 北京: 石油工业出版社，2007) ［14］ The Professional Standards Compilation Group of Peoples Ｒepublic of China． SL264—2001 Specifications for Ｒock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering． Beijing: China Water Power Press，2001 ( 中华人民共和国行业标准编写组． SL264—2001 水利水电 工程岩石试验规程． 北京: 中国水利水电出版社，2001) ［15］ Zhou K P，Li J L，Xu Y J，et al． Measurement of rock pore structure based on NMＲ technology． J Cent South Univ Sci Technol，2012，43( 12) : 4796 ( 周科平，李杰林，许玉娟，等． 基于核磁共振技术的岩石孔 隙结 构 特 征 测 定． 中 南大 学 学 报: 自 然 科 学 版，2012，43 ( 12) : 4796) ［16］ Zhou K P，Zhang Y M，Li J L，et al． Granite microstructure deterioration characteristic under condition of freezing-thawing based on NMＲ technology． J Cent South Univ Sci Technol，2013， 44( 8) : 3384 ( 周科平，张亚民，李杰林，等． 冻融花岗岩细观损伤演化的 核磁 共 振． 中 南 大 学 学 报: 自 然 科 学 版，2013，44 ( 8 ) : 3384) · 4751 ·
