层状岩体损伤演化与应变关系的研究

第25卷 第2期 岩石力学与工程学报 V ol.25 No.2 2005年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2005

收稿日期：2005–08–22；修回日期：2005–09–20

基金项目：四川省教育厅重点科研项目(0426108) 作者简介：刘 立(1958–)，男，工学博士，1982年毕业于重庆大学采矿工程专业，现任教授，主要从事岩土工程、地下工程、测试技术等方面的教学与研究工作。E-mail ：LiuLi3188@ 。

层状岩体损伤演化与应变关系的研究

刘 立，朱文喜，路军富，梁 伟，李 月

(西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610039)

摘要：运用电子显微镜研究了岩石的微观结构，提出岩石微结构损伤模型；对层状岩体进行损伤演化与破坏过程

的研究，建立本构方程与损伤演化方程；引入损伤变量及损伤扩展系数，建立符合岩体整个损伤演化过程的方程，

描述岩石受载过程中初期近似呈线性，随后加速的过程。将岩体损伤与破坏过程分为3个阶段，分析层状岩体的

损伤演化与破坏特征及其稳定性，解释岩石损伤演化的规律。研究结果表明：层状岩体的损伤萌生与扩展直到破

坏，除与加载大小、速率等有关外，还与各亚层损伤演化规律、载荷与层面夹角、各亚层的内部微结构特性等有

关。因此，现场整体岩层受其影响是显著的。

关键词：岩石力学；微结构；损伤演化；本构方程

中图分类号：TU 452，TD 313 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)02–0350–05

RESEARCH ON RELATION BETWEEN DAMAGE EVOLUTION AND

STRAIN OF STRATIFIED ROCK

LIU Li ，ZHU Wen-xi ，LU Jun-fu ，LIANG Wei ，LI Yue

(School of Architecture and Civil Engineering ，Xihua University ，Chengdu ，Sichuan 610039，China )

Abstract ：The microstructure of rock is researched by means of scanning electron microscope(SEM)，and a damage model of rock microstructure is proposed. The damage evolvement and breakage process of stratified rock are studied ；and the constitutive equations and damage equations are established. The damage variable and damage enlarging variable are used to set up the equations for the whole evolvement of damage and to describe the initial approximate linearity and later accelerating process in rock mass. The damage evolvement and breakage process of rock mass are divided into three phases. The damage evolvement ，breakage characteristics and stability of stratified rock are analyzed ；and the regularity of damage evolution of rock is explained. The research shows that the appearance and breakage of stratified rock are related not only to load and its rate ，but also to the regularity of damage evolution of each rock bedding ，the angle of load with stratified rock ，and the microstructure characteristics of rock. Therefore ，the influence on the in-situ stratified rock is remarkable.

Key words ：rock mechanics ；microstructure ；damage evolution ；constitutive equations

1 引 言

层状岩体在结构构造上非常复杂，其形成过程

经历了漫长的地质时代，遭受了各种地壳运动、地

质变迁和自然作用，使各种岩石在结构构造上有较

大的差别。其中有层理、节理、片理等构造缺陷。在微观结构上也会形成微孔隙、微裂纹或多相夹杂物等。构成岩石的矿物晶体也会呈多种形态。层状岩体由多形态微空隙、多矿物种类、多相、多构造、多碎块状及呈层状等构成，其内部受力与变形更为复杂，这必将影响岩石在各种岩土工程中的力学行

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为。由于在大量的实际工程中普遍存在层状岩体。而层状岩体常由多种岩石组成，研究它们的损伤演化及破坏机制对实际工程设计及其稳定性与安全性具有重要实际意义。对于有关层状岩体的特征及其应用，一些学者进行了富有成果的研究[1～7]，分别从剪切破坏、弯曲变形、铰接拱变形、静态力学参数等方面对岩层进行了研究与探讨，取得了不少进展。本文对地下岩层岩样运用损伤力学等方法就其损伤演化及破坏规律进行了试验研究，并对层状岩体特性进行了探讨分析。

2 岩石的初始构造特征

所用试验岩样根据课题要求，用钻机取芯和人工刻槽取样等方法从施工现场的层状岩体取得岩样，经保护性封装运抵实验室，其中主要含有细砂岩和灰岩。此砂岩主要矿物为白云石、方解石，隐晶结构，具微裂隙构造，其网状细节理中部分充填有方解石。灰岩主要矿物成分是方解石，另含有少量石英、长石碎屑、黏土矿物和生物化石碎屑、微细星散状黄铁矿、有机质等，其结构一般为微晶结构或隐晶结构，颗粒致密而均匀，少量为细粒结构。22# 和13# 岩样电镜照片分别如图1，2所示，从图

图1 22# 岩样电镜照片

Fig.1 SEM photo of rock sample No.22

图2 13# 岩样电镜照片

Fig.2 SEM photo of rock sample No.13中可见密集微孔隙群和微节理网，晶体之间结合细小而薄弱，构成密集网状晶格结构。由于岩石是由各自不同矿物晶格及不同微尺寸、不同形态、不同构造的三维网格构成。其大小、数量及分布特征反映了岩石原始形成状态、应力历史及初始损伤状态。

3 岩石微结构模型及损伤特征

根据岩样电镜照片，可建立如图3所示的加载初期岩石微结构网状模型。它由若干弹性晶体构成，其间空间为岩石的微孔隙。

图3 加载初期岩石微结构网状模型

Fig.3 Model of rock microstructure unit at initial loading stage

图4所示为岩石单轴压缩加载试验应力–应变曲线。

ε/ 10－3

图4 岩石单轴压缩加载试验应力–应变曲线

Fig.4 Stress-strain curves of uniaxial compressive test of rock

根据整个试验过程及所测得的应力–应变数据，将整个加载损伤及破坏过程分为3个阶段：第一阶段为ab段，此段曲线整体呈微上凹形，σ

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