多孔砂岩在真实三轴载荷作用下的力学响应及脆性-韧性转变

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Mechanical response and brittle-ductile transition of porous sandstone under true-triaxial loading

孔隙砂岩stone的力学行为研究基于新型真三轴试验，考察平均应力与洛德角对脆塑性转变的影响。实验表明，平均应力增加使应力-应变响应从脆性（Type 1）经过渡（Type 2）至塑性（Type 3），并形成考虑三维应力状态的通用破坏准则，揭示洛德角通过调控剪切增强压实效应改变变形模式。

　　在这项研究中，科学家们通过一系列创新的实验方法，深入探讨了均应力和洛德角对多孔砂岩机械行为的影响。多孔砂岩是地壳中广泛存在的岩石类型，其高孔隙度和渗透性使其在诸如石油和天然气开采、二氧化碳封存以及危险废物储存等地下工程应用中具有重要作用。然而，多孔砂岩的破坏模式却因地质应力环境和孔隙结构的不同而表现出高度的多样性。这种多样性的存在意味着其在不同应力条件下可能表现出脆性破坏或延性破坏，这两种破坏模式对岩石的渗透性和工程经济性有着显著的影响。

研究人员采用了一种新型的三轴加载装置，对多孔砂岩进行了五种不同的洛德角条件和七种不同的均应力水平下的实验。这一实验设计旨在更全面地覆盖从脆性到延性破坏的转变范围。通过实验数据的分析，研究者发现了三种主要的应力-应变响应类型，并且随着均应力的增加，这些响应类型依次从第一型转变为第二型，最终过渡到第三型。第一型响应表现为典型的脆性行为，特征是明显的剪切裂纹；第二型响应则对应于脆性-延性转变行为，表现出非穿透的剪切裂纹；第三型响应与延性行为相关，其特点是表面无明显的剪切裂纹。这些发现不仅揭示了多孔砂岩在不同应力条件下的破坏特征，还为更准确地预测其在复杂地质条件下的行为提供了理论依据。

实验中使用的砂岩样品来自中国山东省日照市的一个采石场，其主要成分包括50.8%的长石、35.3%的石英和13.4%的黏土，整体表现出较高的孔隙度，约为20.4%。为了确保材料的均匀性，所有试件均从同一砂岩块中提取，并加工成100 mm × 100 mm × 100 mm的立方体。通过国际岩石力学学会（ISRM）标准对试件的非均匀性和非垂直性进行了控制，确保实验的精确性。此外，由于试件内部不存在明显的层理结构，因此可以将其视为各向同性材料，从而更准确地模拟真实地壳中的岩石行为。

研究团队开发的三轴加载装置具有较高的刚度，为15 GN/m，这比ISRM推荐的5 GN/m更为优越。该装置能够在X和Y方向施加4000 kN的力，在Z方向施加2700 kN的力。通过将力施加到刚性加载平板上，并利用线性变量差变压器（LVDTs）测量主应变，确保了实验的精度和可重复性。实验过程中采用位移跟踪模式，以保证两个平板在相同方向上同步移动，从而避免偏心加载的问题。这一设计使得研究人员能够更清晰地观察到洛德角对岩石机械特性的影响，尤其是在均应力条件下，洛德角的变化对岩石的破坏模式和强度具有重要影响。

实验结果表明，随着均应力的增加，岩石的应力-应变响应呈现出从脆性到延性行为的显著转变。在较低的均应力条件下（如5 MPa、10 MPa），试件首先达到峰值应力，随后出现应变软化和明显的应力下降，这通常与脆性破坏相关，表现为明显的剪切裂纹。而在较高的均应力条件下（如40 MPa、50 MPa、60 MPa），应力-应变曲线呈现出一个拐点，之后进入一个几乎恒定的应力平台，这种现象通常与延性破坏相关，试件表面几乎不出现剪切裂纹。这一转变过程在不同洛德角条件下表现得更为复杂，尤其是在中等洛德角值（如0.25、0.5、0.75）时，剪切裂纹的数量和大小显著减少，显示出脆性-延性过渡的特征。

在分析岩石强度特性时，研究团队发现，试件在不同应力状态下的强度表现出明显的均应力依赖性。在较低的均应力条件下，强度随着洛德角的增加而先上升后下降，这表明洛德角对岩石强度具有显著影响。然而，当均应力较高时，这种影响变得微弱，甚至可以忽略不计。这一现象与Long Valley Caldera岩石的实验结果一致，说明在较高的均应力条件下，岩石的强度主要由均应力决定，而洛德角的影响则相对较小。这种强度变化趋势表明，均应力和洛德角之间存在一种相互作用关系，其中均应力的增强有助于提高岩石的延性，抑制剪切裂纹的形成，而洛德角的增加则可能促进脆性破坏的发生。

此外，研究团队还观察到，随着洛德角的增加，试件的破坏模式呈现出从明显的剪切裂纹逐渐向无明显剪切裂纹的转变。这一现象表明，洛德角不仅影响岩石的破坏方式，还影响其破坏的形态和过程。在实验中，研究人员利用微米级工业CT技术对试件的内部裂纹进行了三维重建，从而能够更直观地观察岩石在不同应力状态下的破坏特征。这些数据为理解岩石在复杂应力条件下的破坏机制提供了重要的支持，也进一步验证了脆性-延性转变行为的多样性。

研究还提出了一个通用的破坏准则，用于描述多孔砂岩在脆性和延性状态下的强度响应。这一准则基于实验数据，通过结合均应力函数和洛德角函数，能够准确地预测岩石在不同应力条件下的破坏边界。实验数据表明，破坏准则在不同的截面平面上都能很好地拟合，显示出其广泛的适用性。同时，破坏准则的凸性和光滑性也符合数值模拟和Drucker假设的要求，这对于进一步的工程应用具有重要意义。

通过这些实验和分析，研究团队不仅揭示了多孔砂岩在不同应力条件下的破坏行为，还为地下工程中的岩石力学分析提供了新的视角。他们发现，脆性-延性转变边界不仅与均应力有关，还受到洛德角的影响。这意味着，在实际工程中，仅考虑均应力可能不足以准确预测岩石的破坏行为，而需要综合考虑洛德角的效应。这一发现对于优化地下工程的设计和施工具有重要的指导意义，特别是在高应力和复杂应力状态下，岩石的破坏行为可能与传统的脆性或延性假设不同。

研究团队还指出，传统的三轴压缩和拉伸试验仅能反映应力状态的两个极端情况，而实际地壳中的地质应力往往是各向异性的。因此，为了更全面地理解岩石的破坏行为，需要采用更复杂的三轴加载条件。通过这些实验，研究人员能够更精确地捕捉到岩石在不同应力状态下的机械响应，从而为更准确的破坏准则和工程模型提供数据支持。

总的来说，这项研究通过系统性的实验和理论分析，揭示了多孔砂岩在不同应力条件下的机械行为和破坏特征。研究团队发现，均应力和洛德角对岩石的破坏模式和强度具有显著影响，而这些影响在不同的应力条件下表现出不同的特征。他们的研究成果不仅丰富了岩石力学领域的知识，还为地下工程中的岩石破坏预测和工程设计提供了重要的参考依据。