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 ·