研究含孔洞硬岩损伤演化？试试这款高端大气上档次的核磁共振设备

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导读

大家好，小K又和您见面啦！上期推文中，小K为大家介绍了低场核磁共振NMR技术在软土三轴剪切微观孔隙特征方面的案例应用。本期推送内容，小K为大家准备了基于核磁共振技术研究动静荷载作用下含孔洞硬岩损伤演化方面的实例，更多精彩，感谢您的关注。

核心观点

采用低场核磁共振测试系统，对含孔洞的岩石受动静载荷作用前后的核磁共振孔隙度和核磁共振图像的变化特征进行研究，定量分析岩石内部裂隙的发育、扩展和贯通情况，获得孔洞试样的裂隙结构变化和细观损伤演化规律，研究成果为揭示深部硬岩巷道在动静载荷作用下的细观破坏机制提供一定的指导意义。

试验方案01

试样制备

利用切割机在大块花岗岩荒料进行加工，制作成100mm x 35mm x 35mm（长x宽x厚）的长方体试样，然后采用高压水刀切割技术对方块试样预制不同形状的孔洞，保证孔洞表面光滑平整。预制孔的形状分为圆形（直径d=10mm）和方形（边长l=10mm）。加工制作好的试样见图1。

图1 加工制作好的花岗岩试样

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试验加载方案与加载装置示意图

试验采用苏州纽迈分析仪器有限公司生产的AniMR-150型核磁共振成像分析仪进行孔隙度与核磁共振成像测试。

图2 Micro23-150H-I型核磁共振测试分析系统

试样前，对各样品进行真空饱水处理，先将样品放入105℃恒温箱中烘焙24h，然后在真空饱和装置内以恒定0.1MPa的负压干抽6h，然后湿抽4h，最后在自然条件下持续浸泡48h，以保证试样达到充分饱水状态。

图3 试验方案流程图

图4 分离式霍普金森压杆示意图

（图片源于网络）

经调试后，确定采用0.35 MPa 的恒定气压对样品进行动力加载，典型冲击波波形图如下。

图5 试样的典型波形图

试验结果01

初始状态下花岗岩试样的T2谱分析

图6 花岗岩试样的初始T2图谱分布曲线

图7 花岗岩试样的孔隙度累计量曲线

从上图可以看出，各样品的T2图谱分布曲线总体上一致，均包含4个谱峰，且重叠相连，表明初始状态下岩石内部孔隙的孔径尺寸变化连续，孔隙空间分布均匀。

为保证试验结果的有效性和可比性，从上述样品中挑选出与平均T2谱曲线和孔隙度累积曲线最为接近的样品，进行分组。

表1 试验试样的初始核磁共振特性参数

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动静加载前后T2谱分布

图8 不同轴压下孔洞岩石受动荷载后的T2谱分布

从上图可以看出，动静荷载叠加后试样的T2谱曲线也由4个谱峰构成，与初始状态相比，加载后试样各谱峰出现明显分离，且T2值分布范围较广。表明在动静载荷作用下，岩石内部原有微裂纹的尺寸有所扩展，并伴有新裂纹的萌生；随着轴向预静载的增大，第1谱峰所对应的T2值也不断增大，表明岩石内部新生裂纹随着预静载的增大而快速增加，且裂纹孔径也逐渐增大。

03

核磁共振孔隙度分析

图9 不同预静载下孔洞岩石受动荷载作用

后的孔隙度变化曲线

从上图可以看出：

① 轴向预静载水平越高，受动力扰动后岩石的孔隙度就越大，表明初始预静载越大，孔洞周围的应力集中程度就越高，孔洞岩壁在动载作用下就越易发生损伤破坏。

② 随着轴向预静载的增大，岩石的孔隙度增幅不断增大，表明岩石处于较高静载水平时，动载荷对岩石的损伤作用越来越显著，岩石内部裂纹更易发育、扩展和贯通。

③ 相同荷载条件下，含方形孔洞试样的孔隙度增量大于含圆形孔洞试样的孔隙度增量。

04

核磁共振成像分析