宏觀破裂前的微裂隙稱為亞臨界裂隙,控制其生長的主要因素是應力強度因子(K)。應力強度因子是對給定幾何形態和載荷條件下裂隙末端應力場的度量,當裂隙末端的局部應力超過巖石的臨界應力強度因子(Kc)時,裂隙就開始擴展。巖石破裂強度取決于單個裂隙的性質、應力集中的初始密度、分布及化學和熱環境。
一般情況下,在應力強度因子(K)<臨界應力強度因子(Kc)時,亞臨界裂隙生長表現為緩慢的、依時間而變化的裂隙生長過程,而當K >Kc時,裂隙加速擴展。促進亞臨界裂隙生長的機制可能有以下幾種:
。1)彈性應變能積累,是與快速破裂擴展有關的主要機制。當裂隙末端出現應力集中,隨之發生彈性應變能積累,彈性應變能控制著裂隙擴展。破裂的發育有追蹤巖石中軟弱部位的趨勢,或者穿切顆粒并追隨劈理方位,或者沿粒間而利用粒間邊界,F存的表面裂隙、裂痕、顆粒邊界空隙和孔隙的頻率、方位、形態和分布都可能影響著由于突發破裂擴展而破壞之前所積累的應變量。彈性應變能積累是與快速破裂擴展(脆性破壞)有關的主要機制。
。2)晶質塑性作用,致密位錯纏結或高密度雙晶發育,從而限制晶質塑性引起的進一步變形,并且有可能導致破裂的急速加工硬化,這時晶質塑性可能有助于破裂作用。此外,在多晶集合體中,不同晶體因其結晶方位和滑移系不同,導致相鄰顆粒之間出現應變不協和性,從而誘發顆粒邊界裂隙。
。3)擴散作用,在張開的顆粒邊界或三節點處,點缺陷和空位集中,空位擴散作用可導致空隙的發育,從而引起破壞。此外,雜質向顆粒邊界的擴散也可能導致顆粒邊界的脆化和破裂。
。4)相轉變和化學反應,通過產生具不同體積的產物到反應物中,誘發集合體內的應力集中,應力集中可能引起空隙的形成,從而導致破壞。
以上四種機制歸為第一類亞臨界裂隙生長機制。這類機制可能是在不同應變率條件和沒有流體參與的變形期間發生的。圖中箭頭指示破裂線位置隨溫度和壓力增大而變化的方向。
。5)水壓破裂,是由于流體作用的存在誘發破裂的出現。當有效應力大于巖石強度時,流體壓力引起水壓破裂或破裂擴展。流體化學對破裂擴展的控制在于,它通過裂隙末端發生化學腐蝕和反應,導致亞臨界裂隙生長,從而引起破裂擴展。
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