超经典损伤力学讲义.ppt

岩石中的自然微孔隙 结晶岩石中的自然孔隙率 * * 第2章 岩体损伤力学 2.1 岩石材料的损伤及损伤现象 “损伤” 泛指材料内部的一种劣化因素，与所涉及的材料和工作环境密切相关。岩石材料本身就是一种天然损伤材料。把损伤力学应用于岩石材料最早是由Dougill（1976）引入的。Dragon（1979）根据断裂面的概念研究岩石的脆塑性损伤行为，建立了相应的连续介质模型；Krajcinovic（1981）使用热力学和空穴运动学对岩石类脆性材料的本构方程进行了较为全面的研究。随着岩石材料试验手段的发展，许多学者通过岩石材料试验现象和分析结果来研究岩石材料的损伤特征。Krajcinovic、Dragon、Costin、Kachanov、Lemaitre、Chaboche等著名的损伤力学专家都曾提到了岩石材料损伤的特点和重要性，同时又从岩石材料本身的组构特征出发探讨其损伤机理，建立相应的模型和理论，从而使岩石损伤力学研究一步丰富和完善。 1. 岩石材料损伤的微细观表现 一般岩石材料的组织结构为： 晶体+晶间质 岩石组织 泥质 颗粒+胶结质 钙质 硅质 Sprunt和Brace（1974）详细研究了不同岩石中的自然孔隙和微裂纹，注意到孔隙率可由两种方式定义，即总的和表观的。表观孔隙率是相连于岩石外表面的孔隙和微裂纹互相连通的体积的量度；总的孔隙率是所有孔隙和微裂纹所占体积的量度，它既包含与外表面相连的孔隙和微裂纹，也包含与外表面不相连的孔隙和微裂纹。 岩石中自然存在的孔隙和微裂纹的形状和尺寸如下图所示。 +孔隙（水）+微裂纹 微层理（沉积造成） 微节理（受力造成） 微劈理（造岩造成） 注：LARC—低纵横比孔隙；HARC—高纵横比孔隙 裂纹或孔隙 等分的， ＞10-1 HARC —晶内 长和薄，纵横比＜10-1 LARC—晶界上 10~2000 球形 孔穴 100~10000+ 球形 气孔（泡）状 接近尺寸 （ ） 形状 孔隙类型 360 2000 1.1 0.8 0.29 花岗闪长岩Granodiorite 150 1500 1.0 0.9 016 Chelmsford 100 750 0.9 0.7 0.20 西部花岗岩 600 3000 1.2 0.8 0.46 Katahdin花岗岩（Ⅱ） 260 2000 0.9 0.7 0.20 Katahdin花岗岩（Ⅰ） 180 20000 0.6 0.4 0.22 Raymond 花岗岩 180 2000 0.2 0.2 0 辉长石(Gabbro) 30 180 0.1 0.1 0 辉绿岩(Diabase) 总的 表观的 最大LARC 晶粒尺寸 孔隙率 裂纹(%) 岩石 扫描电镜技术也充分证明了岩石是一种自然损伤材料，其自然损伤大致有下面几种： （1）孔隙 在沉积岩中最为常见，在颗粒支撑、接触式胶结物连接或颗粒连接等胶结类的碎屑岩（如砂岩）中，孔隙的体积含量相当高。砂岩孔隙的类型主要是粒间孔隙，分布比较均匀，孔隙的大小与沉积颗粒的尺寸和分选性有关，形态取决于颗粒形态和颗粒粒径的级配。石灰岩中的孔隙含量低于砂岩，形态还与胶结物有关。孔隙是一种典型的三维细观损伤。 （2）颗粒边界及界面裂纹 沉积岩中，颗粒与颗粒之间或颗粒与各种胶结物之间的结合一般都比较薄弱；或者结晶质岩浆岩中矿物颗粒之间或者结晶界面，以及变质岩中重结晶矿物之间的结合相对较弱。所以岩石中的颗粒边界成为重要的初始细观损伤。在颗粒边界常形成界面裂纹、或者结晶界面裂纹的细观损伤的形状受碎屑颗粒、矿物颗粒或者晶体颗粒的外形所控制。 （3）微裂纹 实质上是细观裂纹，既可以在成岩过程中形成，也可以在后期改造过程中产生，比如花岗岩中由于结晶作用及构造应力作用所形成的大量微裂纹（包括晶体界面裂纹）、大理岩中原岩残留的微裂纹和重结晶作用产生的裂纹；沉积岩中基质裂纹及颗粒原有微型裂纹等。 （4）解理面 方解石解理面是大理岩重要