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简谈探寻岩石(体)破裂失稳演化规律的方法 精选

已有 3758 次阅读 2019-6-30 09:36 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记| 岩石破裂失稳, 规律, 方法

岩石(体)是非均匀介质,在受压或压剪条件下其断裂前必须以体积膨胀现象的出现为先导。体积膨胀点是裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段的分界点,不管是何种岩石(体),也不管是多大尺度的岩石(体),在受压或压剪条件下且加载应力达到某种水平时必然出现,这体现了尺度不变的属性。

诸多研究已经揭示,从厘米级受载岩样中的微破裂、米级的矿山微震活动到公里级尺度的地震,其频次震级关系与变形时空分布等的一阶统计具有相似性(Lei et al.,2003);不同尺度的岩样蠕变试验(Brantut et al。,2013)表明,其通常具有典型的初始、等速与加速蠕变三阶段特征,且较大破裂或断裂常由微裂纹成核、扩展与连通而成;Vallianatos 等(2013)也指出,从实验室尺度到地球尺度的岩石(体)断裂过程行为可能具有普适性。这些结果意味着岩石(体)破裂行为在空间域和时间域具有层次结构,也反映出其破裂行为具有尺度不变性。

在掌握破裂行为尺度不变性的基础上,利用分形几何学可探究破裂的时空分布特征,利用重正化群理论可揭示破裂的自组织演化特征。然后,考虑岩石(体)尺度、形状和加载条件对其力学属性和变形破坏行为的影响,从破裂特征点(裂纹起裂点、体积膨胀点、峰值强度点、残余强度点)的应力比或应变比而不是单点的应力或应变入手,以消去某些变量进而简化比值表达式,或能从万变中找到不变的“宗”,即岩石(体)破裂失稳演化的一般规律。否则,可能是竹篮打水一场空哦。

岩石力学学者关注的研究对象,如冲击地压、岩爆、岩滑、地震等,通常涉及到大尺度岩体的损伤过程,累积损伤可导致突变——失稳。同行们知道,在同样的加载条件下,当尺度增大到某种程度时,岩样的峰值强度趋于不变(图1)。由此推测,体积膨胀点处的应力也应趋于不变。那么,体积膨胀点与峰值强度点处的应力比应趋于定值。大量岩石力学实验结果表明,一定围压下较大尺度岩样(硬岩类)的两点应力比在80%左右 ,支持这一认识。这提醒我们:(1)大尺度岩体的破裂行为“潜伏”着某种参量或两特征点参量比值的不变性,其对揭示岩体的损伤演化规律和构建普适性本构方程大有裨益;(2)将小尺度岩样破裂实验结果外推探究岩体断裂前兆和失稳机制时,不应忽视尺度效应。

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1 黄石灰岩抗压强度尺寸效应(刘宝琛等,1998

再看看峰值强度点与体积膨胀点处的应变比情况。图2是在不同单轴加载条件(如加载速率)下不同种类小尺度岩样实验的统计结果,可看出大部分应变比值落在较小的范围(图2中蓝线之间)。如此试想,对大尺度、扁平状且承受缓慢加载的天然锁固段(属于硬岩类),情况又该如何呢?

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2 岩样单轴应变比实验结果(Xue et al., 2015

容易推断,天然锁固段的应变比值应落在更小的范围。我们的研究表明,天然锁固段的应变比可近似为1.48的常数。我们分析了锁固型滑坡案例和全球62个地震区震例,表明该常数确实存在。该常数的存在,避免了准确测定锁固段几何与力学参数的困难,使得对锁固型滑坡和标志性地震的预测成为可能。

综上,要寻找大尺度岩体的破裂失稳演化规律,应以其几何特征和受载环境为抓手,从其破裂行为的尺度不变性着眼,从破裂特征点应力比或应变比着手,进而可得到简化、易用的力学表达式。这样,才可能在茫茫黑夜中找到光明,才可能在漫漫征途中找到正确的路径。

参考(略)



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