·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 ·