关于岩石动态断裂耗能机制的形貌学分析

摘要：本文采用实验的方法利用先进的装置研究了动态断裂耗能的相关机制。利用实验机器对岩石进行了取样实验，成功获得了岩石动态断裂能及断裂韧度之间的变化关系，通过进一步的实验研究表明岩石动态断裂耗能与断裂口形貌特点有着密切联系。

关键词：岩石；动态断裂；形貌学；耗能机制

岩石断裂动力学问题在地质工程中经常会出现，为了分析出现这些的原因，需要岩石在动态加载下的相关性能做出合理的评估，其中岩石动态裂纹扩展中需要一个非常重要的参数，即岩石动态断裂韧度。因此，开展岩石动态断裂韧度及相关技术开发实验具有重要意义，而且也能促进岩石动态断裂力学的应用与发展。

一、形貌学分析概述

动荷载作用是工程体和地质体中岩石普遍存在的一种应力影响，岩石动力学问题在工程中很多方面都存在。其中的热点问题是受到动荷载作用的岩石断裂参数、岩石裂隙及相关断裂机制。在建立模型对岩石动态断裂进行描述时，事先需要对岩石断机制有清晰的认识和理解，通过进一步研究确定岩石断裂相关参数。在以往的岩石动态断裂耗能机制研究中，很少会将非均质材料作为研究对象，而往往采用的是诸如玻璃、单晶钨等均质材料，对非均质天然岩石材料的使用就更加少见了。由此可见，在天然岩石作为材料的动态断裂机制研究领域，尚存在诸多挑战。要建立这种复杂的天然岩石材料物理同地址材料断裂力学之间的联系，就必须利用实验方法研究复杂地质岩石材料微观层面的动态断裂耗能机制，并将动态断裂韧性引入到模型中分析器破坏过程。

在分析众多的实验研究中结果后，可以看出，大量的信息隐藏在岩石微观断裂面和断口处，在研究复杂的材料断裂机制时可以采用材料显微形貌分析方法。这种形貌学分析方法主要采用的是轮廓测定法和断口形貌学两种技术方法。轮廓测定法主要是通过一定的扫描仪器采集岩石断口各点的高程和位置信息，为进一步分析做铺垫；断口形貌学主要是通过观测获得的岩石试样表面和断口形貌，以确定引起破坏的一些因素和动态断裂产生的位置，其观测使用的仪器主要是电子显微镜和可用光学显微镜。

二、实验方法

（一）岩石试样

本实验所用的岩石种类为辉长岩和大理石，并选用圆柱形拉伸断裂试样（尺寸为20mm×100mm），并在试样中间开一个深度在3mm左右的环形切缝，切缝宽度不超过1mm。然后在其中取匀质的样块，取样时钻取方向应保持相互平行。试样取好后，为了便于拉伸加载，应将经过加工的岩石试样两端接上直径等大的金属接头。在连接接头过程中，需要注意岩石试样的对中精度。

（二）岩石断口扫描结果与形貌学分析

岩石材料在发生断裂后对断裂过程进行记录就能形成岩石断口，岩石相关动态耗能机制等大量丰富信息都潜藏在岩石断口。为了更好的理解岩石动态断裂的耗能机制，可以利用形貌学对照分析动态加载和静态加载两种不同加载方式产生的岩石断口。具体可利用扫描仪器采集不同加载条件下的岩石试样断口图像。要实现这一图形采集过程，可将岩石断口制作成扫描仪器能够接收的尺寸，利用超声破清洗岩石试样并进行干燥处理，然后在岩石断口处镀金。完成以上操作后，进行二次扫描观测，同时采集观测所得电子图像。本实验部分结果如下图1所示。

（a）快速加载破坏断口 （b）准静态加载破坏断口

图1 岩石断口SEM图像

三、实验结果分析

（一）岩石断裂耗能特点

岩石断裂过程与能量消耗是分不开的，研究岩石动态断裂耗能特点对解决工程中具体耗能问题具有重要意义。

岩石断口微观层面的特征显示，岩石动态与静态两种断口都很容易产生断裂现象，但是进一步的研究表明，动态断裂形貌相比静态断裂要复杂得多。根据实验结果分析，可知岩石断口形貌的复杂程度取决于岩石动态断裂耗能的大小。

本实验假定条件是岩石断口为平面，此时岩石单位面积上静态断裂能是动态值的四分之一，如果考虑岩石断口表面影响因素（粗糙度），则二者比值将变为三分之一。本实验在计算中存在一个问题，就是对岩石断口面积估算不够准确，这是因为目前对复杂岩石断口总面积的测定存在一定困难，如果想要提高精度， 可以利用分形几何的方法进行研究计算。因此这方面的研究有待进一步深入。

（二）岩石动态和静态耗能机制分析

岩石动态和静态耗能机制所有不同，是因为两种形式的加载导致它们断口的形貌产生了差异。在加载实验中，能量高速输入的落重冲击加载会使距离岩石裂纹尖端较远的薄弱环节很难收到应力影响，从而导致裂纹尖端四周的介质发生断裂现象，其中穿晶断裂模式有比较明显的表现。而相比之下，加载速度缓慢的静态加载应力应力分布时间比较充足，可以充分分布到各个部位，其薄弱环节可以在岩体尖端较远范围内寻找到，据研究其特点是，岩石组织结构的破坏只受到以下部分能量的破坏，并且其断口可以发现较多的沿晶断裂花样。在单位时间内输入大量的能量就需要以某种方式释放多余的能量，这种方式就是一种随单位时间内输入能量增大而增大的破裂模式。扫描镜下还发现，岩石动态和静态断裂都呈现出脆性破坏特征，岩石静态断口相比动态断口要简单很多，而且在显微镜下岩石断口的特征复杂程度还取决于岩石动态断裂耗能的大小。通过利用扫描仪获得的轮廓分析结果，可以更好的对动态和静态两种耗能机制之间存在的差异进行描述，结果是静态加载临界裂纹扩展力明显小于动态加载情形。

结束语

通过本实验对岩石动态和静态两种断裂耗能的分析，可以得出的结论是：岩石动态断口上穿晶断裂占有相当大的比例，而且该比例明比静态加载所造成的断口高；对岩石断口粗糙表面进行整体考察，发现静态加载破坏分形维数值相对动态破坏分形维数平均值，要低很多；动态断裂形成的单位面积断口耗能明显比静态加载情况下的耗能高，因为动态高速断裂会造成岩石断口上产生穿晶占优的动态断裂模式。

参考文献：

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