·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 ·