单轴加卸载作用下砂岩微细观结构损伤演化特征

龙坤; 刘航; 罗宁; 韩红林; 吴杨

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503352

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6352-6360 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503352

矿冶工程

单轴加卸载作用下砂岩微细观结构损伤演化特征

龙坤 ¹^,² ,
刘航 ¹^,^* ,
罗宁 ¹ ,
韩红林 ¹ ,
吴杨 ³

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Damage Evolution Characteristics of Microstructure in Sandstone under Uniaxial Loading and Unloading

LONG Kun ¹^,² ,
LIU Hang ¹^,^* ,
LUO Ning ¹ ,
HAN Hong-lin ¹ ,
WU Yang ³

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摘要

在构造应力作用下,断层带岩石处于加载-卸载状态,其微细观损伤的劣化将直接影响工程岩体的变形稳定。采用刚性试验机以恒定加载速率对四川盆地龙门山断裂带区域砂岩加载到不同的应力幅值,随后卸载,获得不同损伤程度的岩石,分析了不同损伤后砂岩的微细观结构变化,突破了非均匀砂岩参数及微细观损伤表征的瓶颈,从矿物颗粒尺度定量分析了砂岩劣化过程中微细观裂纹演化规律。研究结果表明,砂岩损伤劣化过程划分为3个阶段:①新生裂纹占据主导地位,裂纹方向分布随机;②主要劣化机制为新生裂纹与原有裂纹的扩展,且微裂纹沿主应力方向扩展;③主要劣化机制为微裂纹加速扩展,且微裂纹沿主应力方向继续扩展,并相互贯通。研究结果可为构造带地质灾害预警提供可参考指标。

Abstract

Under tectonic stress, the rocks in the fault zone are subjected to a loading-unloading cycle, where their micro-and meso-scale damage deterioration directly impacts the deformation stability of engineering rock masses. Aiming at the problem of microscopic evolution of fault rock under tectonic stress, the sandstone in the Longmenshan fault zone of Sichuan Basin was loaded to different stress amplitudes by a rigid testing machine at a constant loading rate, and then unloaded to obtain rocks with different damage degrees. The microstructural changes of sandstone after different damage were analyzed, which broke through the bottleneck of non-uniform sandstone parameters and microscopic damage characterization. The evolution law of micro-cracks in the process of sandstone deterioration was quantitatively analyzed from the mineral particle scale, and the process of sandstone damage and deterioration is divided into three stages. The first stage of deterioration: new cracks dominate, and the direction of cracks is randomly distributed. The second stage of deterioration: the main deterioration mechanism is the expansion of new cracks and original cracks, and the micro cracks expand along the direction of principal stress. The third stage of deterioration: the main deterioration mechanism is the accelerated expansion of microcracks, and the microcracks continue to expand along the direction of principal stress and penetrate each other. The research results can provide a reference index for earthquake disaster early warning.

Graphical abstract

关键词

砂岩 / 核磁共振 / 矿物颗粒 / 损伤表征

Key words

sandstone / nuclear magnetic resonance / mineral particles / characterization of damage

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龙坤, 刘航, 罗宁, 韩红林, 吴杨. 单轴加卸载作用下砂岩微细观结构损伤演化特征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6352-6360 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503352

LONG Kun, LIU Hang, LUO Ning, HAN Hong-lin, WU Yang. Damage Evolution Characteristics of Microstructure in Sandstone under Uniaxial Loading and Unloading[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6352-6360 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503352

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在岩石工程领域,深入了解岩石损伤演化过程是进行工程安全稳定评价的理论基础。断层岩石作为典型的非均质材料,通常含有微裂纹、孔隙等各种微细观缺陷,这类缺陷虽能增加岩石渗透性,为地质流体运移提供通道,但也会降低岩石强度导致失稳破坏^[1]。当岩石受到外部应力作用时,所产生的微裂纹萌生、扩展和贯通是导致围岩剥落、缺口形成和突发性破坏的重要前兆^[2-4]。为预测大型岩体稳定性,有必要开展微细观尺度上裂缝演化过程研究。

在理论方面,朱万成等^[5-6]基于拉应变准则和摩尔库仑准则作为损伤的阈值条件建立了细观单元弹性损伤本构模型,探讨了非均质系数对岩石破裂规律的影响。在试验方面,学者主要通过冻融、加热等方式使岩石产生损伤,再借助计算机断层扫描(computed tomography, CT)、显微镜和核磁共振等细观、微观检测技术对岩石损伤裂纹的发育、扩展规律进行探究^[7-13]。此外,PFC^2D数值模拟也可以直观得到岩石破坏全过程的裂纹扩展路径,弥补了力学试验难以探明岩石内部破裂演化过程的缺陷^[14-15]。

尽管近年来针对断层岩石的力学行为和宏观断裂过程研究已经取得诸多进展,但对岩石微细观构造损伤演化过程研究却鲜有报道。基于此,现以龙门山断裂带附近砂岩为研究对象,通过单轴加卸载力学试验获取不同损伤程度砂岩后,开展微观矿物颗粒、微裂纹扩展路径和细观孔隙结构变化特征分析,探究单轴加卸载作用下砂岩内部微细观结构损伤演化机制,以期为龙门山断裂带区域的地质灾害预测与工程岩体稳定性评价提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试样制备

试验砂岩取自四川盆地龙门山断裂带附近双河沟采石场,按照国际岩石力学与岩石工程学会(International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering,ISRM)规范要求^[16],通过取芯、切割、打磨将采石场已切割好的0.5 m×0.2 m×0.12 m岩块加工成ϕ50 mm×100 mm的标准岩样,如图1所示。砂岩试样平均纵波波速为2.32 km/s,为减少试样不均质性对试验造成的影响,剔除波速波动为±100 m/s的试样。

1.2 矿物成分与粒径分布

采用Axio Scope A1型光学显微镜对试样矿物颗粒成分与微观结构进行观测,得到如图2所示砂岩切片在正交偏光和单偏光两种光源下的显微照片。该砂岩主要由石英(43%)、长石(24%)矿物组成,含有少量云母矿物(2%)穿插在石英与长石之间。除此以外,该砂岩还含有19%的杂质和12%的其他矿物。

矿物颗粒直径与岩石力学特征紧密相关,为了定量分析岩石矿物颗粒分布,采用ImageJ 图片处理软件对砂岩切片显微照片中矿物颗粒的粒径进行统计分析,结果如图3所示。由图3可见,砂岩矿物颗粒的粒径分布大致遵循正偏态分布规律,分布区间在0~700 μm。其中,粒径为200~300 μm的矿物颗粒占比最大,为39%,粒径<100 μm或>400 μm的矿物颗粒占比较小。此外,砂岩试样不同矿物颗粒粒径差异性较大,同一种矿物颗粒粒径尺寸也存在明显差异。其中,石英颗粒粒径最大值为412.2 μm,最小值仅为24.9 μm;长石颗粒粒径最大值为604.2 μm,最小值为90.7 μm。

1.3 单轴抗压强度测试

采用MTS 815岩石力学试验系统以0.05 mm/min的加载速率对试样进行单轴加载试验,为获取砂岩单轴抗压强度和全应力-应变曲线,在试验机压头上方力传感器记录加载过程轴向载荷,利用2个轴向和1个环向引伸计记录加载过程轴向和环向应变,加载系统示意图如图4所示。

如图5所示为砂岩在单轴压缩下的全应力-应变曲线,其平均单轴抗压强度为47.2 MPa。在初始加载阶段,应力-轴向应变曲线呈向上凸,曲线斜率逐渐增大,径向应变为负,体积应变为正,这是由于压实效应使试样内部孔隙被压密导致试样杨氏模量增大;在准弹性阶段,应力-轴向应变、应力-径向应变和应力-体积应变曲线均近似直线,曲线斜率基本保持不变;随着加载持续进行,应力-轴向应变曲线逐渐偏离直线,曲线斜率呈缓慢下降趋势,应力-体积应变曲线斜率由正转为负,试样由体积压缩转为体积膨胀。可以认为,这个阶段由于施加载荷超过了临界值,导致试样内部出现新裂纹或原有已经闭合裂纹重新活化扩张^[17]。

1.4 试验方案

根据单轴压缩试验结果,单轴抗压强度σ_p取平均值 47.2 MPa作为确定卸载点的参考值。将制备的砂岩试样分为S1~S6共6组,每组测试3个试样,以降低离散性对试验结果的影响。单轴加载采用位移控制,加载速率0.02 mm/min,其对应应变率约为3.3×10^-6s^-1。设置加载应力极限值依次为11.8、25.9、30.7、35.4、40.1、44.8 MPa,分别对应25%σ_p、55%σ_p、65%σ_p、75%σ_p、85%σ_p和95%σ_p,加载路径如图6所示。试样加载到设定应力值后,随即按照应力控制模式进行匀速卸载,卸载速率2 MPa/s。

由图6可知,经历初始压密阶段后,从25%σ_p到C'点试样体积应变随着应力值的增加呈线性压缩变化。C'为膨胀点,为岩石在形变过程中体积非弹性增加开始的点^[18]。在C'之后,随着应力的增加试样体积继续压缩并在D'达到最小值。D'为转折点,此点处岩石内部孔隙的压缩与裂纹的扩展达到平衡,因此应力-体积应变曲线的梯度值垂直于坐标轴。D'点之后试样体积变形特征由压缩主导变形状态转为体积膨胀主导变形状态^[19]。因此,再进一步压缩变形,由于膨胀主导占据优势地位使试样总体体积不断增长直至破裂。针对试验的砂岩试样,D'点所对应的应力值在55%σ_p附近。如表1所示为测试砂岩试样及试验条件概况。

2 损伤前后孔隙结构特征

2.1 核磁共振基本原理

对于孔隙中的流体,横向弛豫时间T₂由自由弛豫、扩散弛豫和表面弛豫机制3种不同的弛豫机制组成^[20],核磁共振总的弛豫率可以表示为

(1)$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2}}$=$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{自}\mathrm{由}}}$+$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{表}\mathrm{面}}}$+$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{扩}\mathrm{散}}}$

式(1)中:T_2自由为自由弛豫时间,是液体固有的弛豫特性,是把流体放在足够大的容器中所测到的流体弛豫时间,ms;T_2表面为表面弛豫时间,发生在固-液接触面上,是岩石的颗粒表面弛豫所引起的弛豫时间,ms;T_2扩散为扩散弛豫梯度磁场中扩散所引起的流体弛豫时间,ms。对于饱水岩石试样,与T_2表面相比,T_2扩散和T_2自由较小,基本可以忽略不计^[21]。因此,横向弛豫时间T₂主要由表面弛豫时间T_2表面决定,T₂可以表示为^[22]

(2)$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2}}$≈$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{表}\mathrm{面}}}$=ρ$\frac{\mathit{S}}{\mathit{V}}$=F_S

$\frac{\mathit{\rho }}{\mathit{r}}$

式(2)中:ρ为岩石表面弛豫强度,μm/s;S为多孔介质孔隙表面积,m²;V为孔隙体积,m³;r为孔隙尺寸;F_S为孔隙的形状因子,一般球形孔隙F_S取3,圆柱形孔隙和裂缝F_S取2^[23]。对于多孔介质的岩石材料,ρ的取值范围为1~10 μm/s。

由于所有岩样均取自同一岩块,参数ρ和F_S可视为常数,在式(2)计算过程中,ρ取5 μm/s,F_S取2。

2.2 岩石T₂谱分布规律

如图7所示为砂岩试样在加载前后的T₂谱分布曲线图,可以看出试样T₂谱分布曲线主要集中在0.1~700 ms,针对所有试样,T₂谱分布曲线以T₂=10² ms为界线划分为P₁、P₂两个峰。两个波峰紧密连接,表明试样内部的孔隙结构具有良好的连通性。结合式(2)可知,T₂的大小和孔隙尺寸呈正相关,基于已有研究成果,将r≤1 μm定义为小孔隙,r>1 μm定义为大孔隙^[24]。由图7可知,第一个峰所对应的振幅和积分面积均高于第二个峰,表明该砂岩内部以小孔隙为主。

总体而言,T₂谱分布面积随加载应力的增大而增大,但T₂谱分布曲线形态在不同阶段表现出不同变化特征。加载到25%σ_p时,T₂谱分布曲线无明显变化,说明该阶段试样内部孔隙没有发生实质性改变,砂岩试样变形以弹性形变为主,其内部孔隙在应力作用下被压缩闭合,当撤掉加载应力后,被压缩的孔隙恢复到未加载前状态,试样仅产生少量微小裂纹;加载到55%σ_p时,T₂谱分布曲线第一个峰P₁有明显向左移动趋势,导致T₂谱分布曲线覆盖范围有所扩大,而第二个峰P₂暂无明显变化,表明在55%σ_p应力幅值作用下,试样内部微裂纹数量有增大趋势;当加载应力超过55%σ_p后,T₂谱分布曲线第二个峰P₂逐渐开始改变,表明试样内部尺度较大的孔隙开始形成,孔隙数量增加;当加载应力达到75%σ_p时,T₂谱分布曲线第一个峰P₁和第二个峰P₂的面积继续增大,表明小孔隙和大孔隙均在不同程度地增加;当加载应力超过85%σ_p后,T₂谱分布曲线第一个峰P₁基本不变,而第二个峰P₂的面积持续扩大,说明小孔隙大致保持平衡,大孔隙则在不断扩大。由图6可知,当加载应力达到85%σ_p及之后,砂岩试样进入加速破坏阶段。

2.3 岩石孔隙率演化规律

核磁共振技术是通过检测含氢离子流体间接计算流体体积,核磁孔隙率定义为岩石样品内部的流体体积与岩石试验总体积之比。孔隙率蕴含了岩石内部微观结构的丰富信息,通过量化岩石孔隙率变化可以评估岩石的损伤状态。

随着载荷不断增大,岩石材料内部微裂纹发展导致孔隙率变大。然而,不同载荷水平下的孔隙率变化情况尚不清楚。即使所有砂岩试样均取芯于同一岩块,但孔隙特征的内在差异,如总孔隙率、孔隙大小、孔隙方向等,也会影响结果的可信度。因此,可通过归一化的相对孔隙率δ来量化不同加载阶段孔隙率变化。归一化公式为

(3)δ=$\frac{\mathrm{\Delta }\mathit{\phi }}{{\mathit{\phi }}_{\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}}$=$\frac{{\mathit{\phi }}_{\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{t}}-{\mathit{\phi }}_{\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}}{{\mathit{\phi }}_{\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{e}}}$

式(3)中:Δϕ为加载前后的岩石孔隙率变化;ϕ_pre和ϕ_prost分别为加载前和卸载后的岩石孔隙率。

加载前后试样相对孔隙率δ随加载应力幅值变化曲线如图8所示,随着加载应力幅值的增大,试样的相对孔隙率δ整体呈指数增长趋势。由图8所示曲线斜率变化特征可知,在岩石整个劣化过程中,大致可以划分为3个阶段。在初始阶段(阶段Ⅰ),当加载应力幅值增加到55%σ_p时,相对孔隙率δ增加了1.2%,曲线斜率缓慢增加;在第二阶段(阶段Ⅱ),当加载应力幅值从55%σ_p增加到75%σ_p时,相对孔隙率δ增加了1.8%,该阶段曲线斜率大致保持不变,相对孔隙率δ与加载应力幅值呈准线性变化关系。在最后一个阶段(阶段Ⅲ),当加载应力幅值从75%σ_p增加到95%σ_p时,相对孔隙率δ增加了5.6%,曲线斜率明显增大。

3 损伤前后显微结构特征

T₂谱分布曲线可以清晰地反映出试样在不同加载阶段的孔隙结构变化,但无法从矿物颗粒尺度辨别微裂纹的演化是由单个微裂纹扩展,还是由微裂纹簇聚结引起的。基于此,可借助光学显微镜对其损伤显微构造进行进一步研究。

岩石切片位置应尽可能靠近试样中轴线位置附近,并确保切片方向平行于最大加载方向,切片示意图如图9所示。在每个试样切片中选取9个尺寸为2.2 mm×1.3 mm的区域进行观察并做好数据统计,以降低岩石不均质性引起的数据误差。显微观测过程中显微镜放大倍数固定设置为50倍,然后将图片导入Adobe Illustrator软件进行裂纹识别。

如图10所示为经历不同加载应力幅值后的损伤试样内部微观裂纹分布特征,玫瑰图展示了裂纹的方位(n为裂纹数量)。根据微裂纹与矿物颗粒的位置关系,可以将微裂纹划分为沿晶裂纹、穿晶裂纹和穿-沿晶裂纹3类。从图10(a)可以看出,未处理试样主要含有沿晶裂纹和少量穿晶裂纹,无穿-沿晶裂纹,裂纹尺寸较小,扩展方向杂乱无序;从图10(b)可以看出:与未处理的试样相比,应力加载到25%σ_p后,试样内部微裂纹没有发生明显变化,玫瑰图显示微裂纹依然没有特别占优势的方向角度;当加载幅值增加到55%σ_p[图10(c)],微裂纹数量有了一定程度增加,主要表现在沿晶裂纹的数量增加,穿晶裂纹和穿-沿晶裂纹的数量并无明显变化,新萌生的微裂纹长度普遍≤ 200 μm,且微裂纹依然没有特别占优势的方向角度;当加载幅值达到65%σ_p[图10(d)],出现部分长度>200 μm沿晶微裂纹,但微裂纹依然没有特别占优势的方向角度;当加载幅值达到75%σ_p[图10(e)],穿晶裂纹数量和长度均略有增加,微裂纹方向逐渐向与加载应力呈现30°锐角的方向扩展(剪切裂纹);当应力载荷增加到85%σ_p时[图10(f)],随着裂纹数量的进一步增加,微裂纹之间互相交叉。当应力加载到95%σ_p时[图10(g)],穿晶和穿-沿晶微裂纹数量显著增加,但沿晶裂纹数量仍占主导地位,玫瑰图显示微裂纹明显按照一定方向扩展,主要为平行于施加的主应力(拉伸裂纹),或以大约30°的锐角倾斜(剪切裂纹)方向。

为了定量分析不同载荷幅值下岩石内部微裂纹演化特征,采用裂纹密度作为描述微裂纹演化的指标,采用单位面积内所有微裂纹长度之和定义裂纹密度^[25],计算公式为

(4)ρ_a=$\frac{\mathit{L}}{\mathit{A}}$

式(4)中:L为微裂纹总长度;A为观测区面积。

如图11所示为不同载荷幅值下岩石内部不同类型微裂纹的裂纹密度。对于未处理的试样,沿晶裂纹、穿晶裂纹、穿-沿晶裂纹和累计裂纹的裂纹密度分别为0.41、0.15、0.012、0.572 mm/mm²。不同类型裂纹的裂纹密度值整体上随载荷幅值增加而增大,但不同类型裂纹的变化方式在不同阶段的变化有所不同,且沿晶裂纹的裂纹密度在整个加载阶段始终占据主导地位。

从图11中可以看出,在加载到55%σ_p时,沿晶裂纹的裂纹密度缓慢增加但是一直处于较低水平,当加载幅值达到65%σ_p和75%σ_p后,沿晶微裂纹的裂纹密度快速增长,此后保持不变直到破裂。穿晶微裂纹和穿-沿晶裂纹的变化模式没有明显差异。当加载幅值达到65%σ_p后,穿晶微裂纹和穿-沿晶微裂纹的裂纹密度才明显增大,然后一直保持增长直到破裂。当加载到95%σ_p时,沿晶微裂纹、穿晶微裂纹和穿-沿晶微裂纹的裂纹密度分别达到1.04、0.67、0.74 mm/mm²,累计微裂纹的裂纹密度为2.45 mm/mm²。

如图12所示为岩石劣化过程中不同阶段微裂纹长度和数量的演化规律。图12中200 μm长的微裂纹,实际包括了微裂纹长度>100 μm而≤200 μm的微裂纹区间,依次类推。对于未处理试样,其微裂纹长度均在0~200 μm。当加载应力达到55%σ_p时,长度<200 μm的微裂纹数量值略有增加。当载荷幅值从55%σ_p增加到75%σ_p时,长度<100 μm的微裂纹数量明显减小,而长度≥100 μm的微裂纹数量明显增加,并首次出现了长度>400 μm的微裂纹。此外,加载到95%σ_p后,每个尺度区间的微裂纹数量都有了一定程度的提高。

4 砂岩损伤演化细观机理

岩石劣化过程的实质是在外力作用下岩石内部原有裂纹以及新生裂纹的不断扩展、合并、贯通的过程。根据不同加载水平下孔隙率的演化规律(图8),可以把岩石劣化过程划分为3个阶段。在劣化第一阶段(阶段Ⅰ),相对孔隙率以较小速度增长,沿晶裂纹增长缓慢,穿晶和穿-沿晶裂纹数量变化不明显,表明岩石的劣化主要是由新裂纹的萌生所引起的。在劣化第二阶段(阶段Ⅱ),主要劣化机制是新裂纹的萌生和原有裂纹的扩展,相对孔隙率随着裂纹的增加呈现准线性增长,在这一阶段,虽然沿晶裂纹处于主导地位,但穿晶裂纹和穿-沿晶裂纹的裂纹密度显著增加。此外,裂纹的发展与施加的主应力平行(拉伸裂纹),并以30°左右的锐角(剪切裂纹)扩展。在劣化第三阶段(阶段Ⅲ):劣化机制为裂纹的扩展,在这一阶段,岩石相对孔隙率以较快的速度增大;裂纹沿主应力方向继续生长,并相互贯通。当加载到75%σ_p时,出现一个变化拐点,微裂纹数量和微裂纹长度迅速增加,这是因为随着微裂纹扩展,较长的裂纹开始相互作用,在这一阶段,微裂纹的快速扩展和合并贯通导致最终宏观裂隙的形成。随着微裂纹的形成和扩展,岩石强度持续劣化,孔隙率进一步增加。在劣化过程中伴随着岩石的裂纹密度从0.5 mm/mm²增加到2.4 mm/mm²,岩石相对孔隙率随着裂纹密度的增加呈现线性增长,如图13所示。总体上,随着加载荷载比值增加,岩石内部总裂纹呈现指数增长趋势(图11),并在加载到75%σ_p左右时,各类型裂纹数量迅速增加,微裂纹相互作用和扩展导致岩石加速劣化。

5 结论

为研究砂岩损伤劣化过程中微细观结构演化规律,采用单轴压缩法施以不同幅值应力获取加载不同阶段的损伤岩石,借助核磁共振技术定量分析了试样劣化过程中的孔隙率变化及T₂谱分布特征规律,采用光学显微镜定量分析了劣化过程中不同阶段内部微观裂纹的演化规律,主要结论如下。

(1)基于核磁共振的砂岩损伤孔隙结构演化规律,可将砂岩劣化过程划分为3个阶段,每个阶段相对孔隙率分别增加了1.2%、1.8%和5.6%。

(2)根据微裂纹与矿物颗粒的位置关系,可将砂岩损伤劣化过程中的微裂纹划分为3种类型:沿晶微裂纹、穿晶微裂纹和穿-沿晶微裂纹。

(3)砂岩试样相对孔隙率与裂纹密度在0.5~2.4 mm/mm²范围内呈线性相关。裂纹数量的增加与载荷水平呈指数关系,在峰值强度的75%左右,裂纹数量迅速增加,试样加速损伤。

(4)在砂岩劣化第一阶段,新裂纹的萌生占主导地位,长度较短(≤ 200 μm)且裂纹方向随机分布;在砂岩劣化第二阶段,主要劣化机制为新裂纹的萌生和原有裂纹的扩展,微裂纹沿主应力方向扩展,裂纹数量及长度均呈现一定程度的增长;在砂岩劣化第三阶段,微裂纹扩展占主导地位,微裂纹沿主应力方向加速扩展,并相互贯通。

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