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 ·