綜放采動(dòng)應(yīng)力路徑下單裂隙砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

夏彬偉，劉仕威，歐昌楠，高玉剛

（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué)復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

0 引 言

綜放開采已經(jīng)成為厚煤層高效開采方法之一。工作面前方的頂板巖體在綜放開采過程中經(jīng)歷了從原巖應(yīng)力、圍壓σ3遞減（卸荷）而軸向應(yīng)力差（σ1-σ3）升高到破壞卸荷的完整采動(dòng)力學(xué)過程［1-2］，從而形成有別于常規(guī)三軸壓縮的應(yīng)力路徑。 工作面頂板多為灰?guī)r、砂巖或者其他硬度較大的巖體，并同時(shí)受到地質(zhì)構(gòu)造和工程擾動(dòng)的影響：頂板巖體經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用，內(nèi)部產(chǎn)生包括裂隙、節(jié)理、孔隙、孔洞等天然缺陷；實(shí)際生產(chǎn)中為解決堅(jiān)硬頂板不易垮落的現(xiàn)象，采取水力壓裂、工程爆破等弱化頂板的技術(shù)和方法使頂板產(chǎn)生人工裂隙［3-4］。 以上缺陷的存在破壞了巖體的原有結(jié)構(gòu)，對(duì)巖石力學(xué)性能有顯著影響［5-9］。 隨著工作面向前推進(jìn)，這些含裂隙巖體的強(qiáng)度、變形特征和裂紋擴(kuò)展行為受到影響。 同時(shí)，綜放開采工作面前方巖體受采動(dòng)作用后形成大量裂隙并相互貫穿，巖體滲透率顯著增加，瓦斯流動(dòng)速度加快［10］。 含裂隙巖體不僅為瓦斯抽采創(chuàng)造了有利條件，也是導(dǎo)致頂?shù)装迨鹿屎驼T發(fā)煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故的重要因素。 因此含裂隙巖體的力學(xué)性能和失穩(wěn)破壞規(guī)律引起了學(xué)者們極大的關(guān)注。 汪中林［11］對(duì)含不同長度和不同傾角度預(yù)制裂隙的類巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)會(huì)在預(yù)制裂隙尖端向上和向下萌生一條貫穿性主裂紋，試樣破壞形式均為拉伸破壞；文獻(xiàn)［12-13］模擬了裂隙試件單軸壓縮下次生裂隙的擴(kuò)展過程，結(jié)果表明裂紋在原裂隙端點(diǎn)附近萌生而非端點(diǎn)，最終產(chǎn)生豎直張拉裂紋曲面將試件劈開；肖桃李等［14］研究了三軸應(yīng)力作用下單裂隙類巖石的破壞行為，發(fā)現(xiàn)圍壓大小主要影響試樣破壞模式，預(yù)制裂隙傾角是試樣起裂的關(guān)鍵，裂隙長度主要影響裂紋擴(kuò)展規(guī)模；韓建新等［15］對(duì)貫穿裂隙巖體展開了三軸試驗(yàn)，基于庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了貫穿裂隙巖體強(qiáng)度和破壞方式的確定方法；魏元龍等［16］對(duì)含裂隙頁巖展開三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明含裂隙頁巖的破壞形式主要為混合破壞，呈現(xiàn)出拉剪貫通模式。 在測(cè)試巖體試件力學(xué)性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)上，文獻(xiàn)［17-18］通過聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單軸壓縮下含裂紋試件的裂紋擴(kuò)展特征，巖石類脆性材料的壓剪斷裂過程具有明顯的階段性，聲發(fā)射事件在不同應(yīng)力水平時(shí)變化很大，隨加載過程的變化表現(xiàn)為3 個(gè)階段；YANG 等［19］通過攝影監(jiān)測(cè)和聲發(fā)射技術(shù)研究單裂隙脆性砂巖材料在單軸壓縮下的強(qiáng)度、變形破壞和裂縫擴(kuò)展行為，裂隙長度和裂隙角對(duì)砂巖試樣在單軸壓縮條件下的強(qiáng)度和變形行為有重要影響，部分試樣還表現(xiàn)出局部變形破壞行為；任建喜［20］對(duì)三軸壓縮條件下單裂隙砂巖的破壞特性進(jìn)行CT 實(shí)時(shí)掃描，裂隙砂巖損傷破壞全過程總體上可以分為線性發(fā)展階段、細(xì)觀裂紋萌生及發(fā)展階段、損傷快速發(fā)展階段和峰后損傷加速發(fā)展階段等4 個(gè)階段。 超聲波測(cè)試可以動(dòng)態(tài)無損地了解試件的力學(xué)性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，也被許多學(xué)者作為研究手段。李剛等［21］研制了一套超聲波三軸壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)一組混凝土試樣進(jìn)行了超聲波的全程測(cè)試研究，提出了損傷變化的3 個(gè)特征量來反映材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)變化；WANG 等［22-24］通過超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究土石混合體的超聲脈沖速度（UPV）、力學(xué)性能和開裂特性，建立了各階段對(duì)應(yīng)的損傷演化方程和本構(gòu)模型，通過UPV 的變化間接反映變形過程中的復(fù)雜力學(xué)行為。

目前針對(duì)含裂隙巖體的力學(xué)性能測(cè)試多集中于單軸、常規(guī)三軸、循環(huán)加載和卸載路徑，鮮有涉及綜放開采過程中形成的加卸載三軸應(yīng)力路徑下含裂隙巖體的力學(xué)特性和變形過程中的裂紋演化規(guī)律。 為研究綜放采動(dòng)狀態(tài)下含裂隙頂板巖體的破壞形式和裂紋演化規(guī)律，對(duì)含特定長度和角度的單裂隙砂巖進(jìn)行恒定卸圍壓同時(shí)變速率加軸壓的加卸載三軸試驗(yàn)，以模擬綜放開采過程中含裂隙頂板巖體經(jīng)歷的真實(shí)應(yīng)力路徑，對(duì)比常規(guī)三軸應(yīng)力路徑的試驗(yàn)結(jié)果，分析試件的破壞形式，并利用超聲波研究其應(yīng)力、應(yīng)變、超聲波特性之間的關(guān)系，分析研究裂紋演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試樣制備和試驗(yàn)裝置

試件選取質(zhì)地均勻和完整性較好的砂巖，根據(jù)國際巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程要求加工尺寸為?50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。 通過磨料射流加工車床，在試件中部切割1 條張開度約為1 mm 的裂隙，裂隙貫穿整個(gè)試件，如圖1 所示，在保持裂隙長度2L或裂隙角度α不變情況下，通過改變其中一個(gè)參數(shù)確定單裂隙參數(shù)。 試驗(yàn)使用GCTS RTX-3000 高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)全程實(shí)時(shí)地發(fā)射和接收超聲波。 GCTS RTX-3000 高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)三軸壓力室包括萬向頭、超聲波壓頭、底座和用于連接軸向、環(huán)向變形裝置和超聲波傳感器的連接器。

圖1 不同長度和角度的單裂隙砂巖Fig.1 Single fissure sandstone with different lengths and agles

1.2 試驗(yàn)方案

1）方案Ⅰ：常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。 綜放采動(dòng)力學(xué)行為試驗(yàn)下的完整砂巖破壞時(shí)，圍壓卸載至6 MPa［2］，所以常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)采用應(yīng)力控制方式手動(dòng)將圍壓加載至恒定6 MPa，然后以位移控制加載直至砂巖破壞。 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力路徑分為2 個(gè)階段：①先將軸向壓頭與試件充分接觸，再采用手動(dòng)操作施加圍壓，并保持不變。 ②軸向位移、側(cè)向位移和軸壓數(shù)據(jù)歸0，采用位移控制，以0.03 mm／min的速率加載，直至試件破壞。

2）方案Ⅱ：加卸載三軸試驗(yàn)。 綜放采動(dòng)狀態(tài)下，工作面前方煤巖體的應(yīng)力分布如圖2 所示，其中②和③點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1分別為初始地應(yīng)力的1.5和2.5倍，且2 個(gè)卸載階段（①②和②③）的軸向加載速率和側(cè)向加載速率之比分別為2.25 ∶1 和3.5 ∶1［2］。 為了模擬600 m（地應(yīng)力約為15 MPa）的采深，假設(shè)工作面前方煤巖體和圍巖在③點(diǎn)同時(shí)到達(dá)峰值強(qiáng)度，此時(shí)圍壓約為6 MPa，常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的峰值強(qiáng)度約為105 MPa，根據(jù)煤巖體軸向加載速率和側(cè)向卸載速率之比為3.5 ∶1，則圍巖Δσ1／Δσ3為20 ∶1，試驗(yàn)中圍壓的卸載速率均為0.5 MPa／min。 由此出設(shè)計(jì)模擬綜放采動(dòng)狀態(tài)下圍巖的加卸載三軸應(yīng)力路徑。 加卸載三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑分為3 個(gè)階段，如圖3 所示。

圖2 綜放采動(dòng)狀態(tài)下工作面前方煤巖體應(yīng)力分布［2］Fig.2 Stress distribution of coal and rock mass in front of working face under fully-mechanized top-coal caving condition［2］

圖3 加卸載三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑示意Fig.3 Schematic diagram of stress path of loading and unloading triaxial test

1） 靜水壓力階段（OA）：采用應(yīng)力控制，以3 MPa／min 將σ1和σ3同時(shí)加載至預(yù)定值15 MPa（約深600 m 的靜水壓力）。

2）第1 卸載階段（AB）：采用應(yīng)力控制，σ1加載至22.5 MPa，加載速率v1為1.125 MPa／min，σ3卸載至11.7 MPa，卸載速率v3為0.5 MPa／min，v1／v3＝2.25 ∶1。

3）第2 卸載階段（BC）：繼續(xù)采用應(yīng)力控制，σ1以v1＝10 MPa／min 繼續(xù)加載，σ3以v3＝0.5 MPa／min繼續(xù)卸載，v1／v3＝20 ∶1，直至試件破壞。

試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案見表1。

表1 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案Table 1 Specimen design and tests plan

1.3 試驗(yàn)原理及參數(shù)計(jì)算

GCTS RTX-3000 高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的壓力室是封閉的，且沒有聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此僅通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞后的試件是無法了解其在受力過程中的起裂情況。

超聲波測(cè)試作為一種評(píng)估巖石力學(xué)特性的無損檢測(cè)工具，顯示了其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)［25］。 利用超聲波測(cè)試系統(tǒng)來實(shí)時(shí)地測(cè)量砂巖試件在受力過程中的波速，以探索砂巖試件的起裂特性。 當(dāng)砂巖試件受力產(chǎn)生裂紋，其內(nèi)充滿空氣，由于P 波在巖石的傳播速度要高于空氣，所以傳播速度會(huì)減小；相反若孔隙裂隙被壓密或是剪切過程中裂紋被嚙合，則傳播速度會(huì)增大。

WANG 等［22］指出，通過砂巖試件的P 波速度增減基本上是由裂紋開裂和壓密引起的。 當(dāng)砂巖試件處于微變形狀態(tài)時(shí)，P 波通過試件的時(shí)間增量與通過裂紋填充空氣的時(shí)間增量相等，最終關(guān)系為

式中：w為總的裂紋寬度；V為任何壓力水平下通過砂巖試件的波速；V0為加載前通過砂巖試件的波速；H為砂巖試件的高度；Va為在空氣中傳播的波速，其值為340 m／s。

當(dāng)砂巖試件是完整試件時(shí)，w為正值，表明試件處于裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；w為負(fù)值，表明試件處于固結(jié)狀態(tài)。

在測(cè)試過程中，超聲波軟件模式選用ULT-200，傳感器的頻率選擇為40 MHz，發(fā)射超聲波時(shí)間間隔為15 s。 試件的頂部和底部與帶有超聲波裝置的壓頭接觸，接觸面涂一層耦合劑。 試驗(yàn)前將激發(fā)探頭與接收探頭對(duì)接進(jìn)行一次超聲波透射試驗(yàn)，獲得探頭對(duì)接時(shí)的初始波起跳時(shí)間t1，然后再進(jìn)行試件超聲波透射試驗(yàn)，獲得超聲波透射試件的初始波起跳時(shí)間t2，2 次初始波起跳時(shí)間差值為試件首波到達(dá)時(shí)間Δt，即Δt＝t2-t1。 超聲波P 波速度VP由試件高度H與首波到達(dá)時(shí)間Δt的比值計(jì)算求出：

VP（H，Δt）＝H／Δt。

在相同的超聲波傳感器和接觸條件下，第一周期波穩(wěn)定，可重復(fù)，因此將第一周期波作為初始波。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 破壞形式分析

對(duì)不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)后的砂巖試件進(jìn)行拍照并分析破壞形式。 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式如圖4 所示。 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下砂巖破壞后的裂紋形式基本為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪復(fù)合型裂紋。 完整砂巖試件在破壞后形成一個(gè)貫通整個(gè)試件的破裂面，破裂面由剪切裂紋形成，屬于純剪切破壞。

圖4 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式Fig.4 Diagrams of failure modes of intact sandstone and single fissure sandstone under conventional triaxial compression test

不同長度裂隙砂巖試件中，試件A2-1 預(yù)制裂隙的兩個(gè)尖端形成1 條拉伸-剪切混合裂紋、1 條拉伸裂紋和1 條剪切裂紋，且在剪切裂紋附近產(chǎn)生多條次生裂紋。 試件B2-1 預(yù)制裂隙的兩個(gè)尖端形成1 條拉伸裂紋，3 條剪切裂紋，其中有1 條為共面剪切裂紋，且在裂隙尖端有多條次生裂紋。 試件C2-1預(yù)制裂隙的兩個(gè)尖端共形成3 條拉伸-剪切混合裂紋。 試件D2-1 試件預(yù)制裂隙的兩個(gè)尖端形成2 條剪切裂紋和1 條拉伸裂紋。

不同角度裂隙砂巖試件中，試件B0-1 預(yù)制裂隙的兩個(gè)尖端共形成2 條拉伸裂紋。 試件B1-1 出現(xiàn)非貫通純剪切破壞，預(yù)制裂隙端部產(chǎn)生2 條剪切裂紋，且在剪切裂紋的附近產(chǎn)生2 條次生剪切裂紋。試件B3-1 預(yù)制裂隙角度為90°，其破壞與完整砂巖試件相近，形成1 條貫通型的剪切裂紋，但由于預(yù)制裂隙的存在，在預(yù)制裂隙端部除了產(chǎn)生剪切裂紋，還有拉伸裂紋，在預(yù)制裂隙附近產(chǎn)生了多條次生裂紋，并伴有剝落現(xiàn)象。

加卸載三軸試驗(yàn)下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式如圖5 所示。 加卸載三軸試驗(yàn)砂巖破壞后的裂紋種類與常規(guī)試驗(yàn)后的相似，基本為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪復(fù)合裂紋。 完整砂巖試件形成了和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下相同的單一破裂面，但破裂面形成了拉剪復(fù)合型裂紋，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定破壞特征，巖石破斷角β＝71°（巖石破斷角β為破壞面法線與最大主應(yīng)力方向的夾角）。

不同長度裂隙砂巖試件中，試件A2 在應(yīng)力載荷的作用下，裂隙傾角被偏轉(zhuǎn)并與最大主應(yīng)力方向平行，形成單一剪切破壞面，在裂隙端部出現(xiàn)1 條剪切裂紋和2 條拉伸裂紋，拉伸裂紋的起裂角θ為29°（裂紋起裂角θ為不同裂紋擴(kuò)展路徑在初始起裂點(diǎn)的切線方向與初始裂紋延伸方向的夾角，正值為逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，負(fù)值為順時(shí)針轉(zhuǎn)向），剪切裂紋起裂角θ為7°，如圖5b 所示；試件B2 和C2 在裂隙端部出現(xiàn)2 條拉伸裂紋和2 條剪切裂紋，拉伸裂紋的起裂角θ為14° ～35°，剪切裂紋起裂角θ為-99° ～-130°，如圖5c 和圖5d 所示；試件D2 破壞時(shí)的圍壓較大，拉伸紋受到抑制，在裂隙端部出現(xiàn)2 條剪切裂紋和1 條次生共面剪切裂紋，剪切裂紋的起裂角θ為-128°～-129°，且隨著砂巖裂隙長度的增加，拉伸裂紋會(huì)被次生共面剪切裂紋所替代，如圖5e 所示。

圖5 加卸載三軸試驗(yàn)下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式Fig.5 Diagrams of failure modes of intact sandstone and single fissure sandstone under loading and unloading triaxial test

不同角度裂隙砂巖試件中，B0 試件在裂隙端部產(chǎn)生2 條剪切裂紋，在裂隙端部和中部產(chǎn)生2 條與最大主應(yīng)力平行的拉伸裂紋，剪切裂紋的起裂角θ為-64°～-71°，如圖5f 所示；B1 和B3 試件在裂隙端部只產(chǎn)生2 條剪切裂紋，剪切裂紋的起裂角θ別為-100°～-156°，如圖5g 和圖5h 所示；B0 和B2 試件在裂隙周圍的破壞程度比較復(fù)雜，存在剝落現(xiàn)象，表明裂隙周圍的應(yīng)力分布復(fù)雜。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，預(yù)置裂隙的長度和角度對(duì)砂巖試件的破壞形式存在影響，裂紋數(shù)量和種類隨著裂隙長度的增加而減少，隨著裂隙角度的增加而增加。 加卸載三軸試驗(yàn)下的單裂隙砂巖試件相較常規(guī)三軸試驗(yàn)破壞更加徹底，裂紋長度少，但裂紋長度長，擴(kuò)展至試件端部，剝落現(xiàn)象明顯。

2.2 超聲波P 波波速分析

將波速、軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的關(guān)系繪制在一起以分析砂巖試件變形過程中P 波波速的變化情況。 波速的變化間接反映了變形過程中砂巖試件密度的變化，其中裂紋的開裂和閉合等非線性力學(xué)行為影響著砂巖試件的壓實(shí)度。

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下砂巖試件在變形過程中波速、軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下單裂隙砂巖試件的應(yīng)力、應(yīng)變與P 波波速的關(guān)系Fig.6 Relationship between stress and strain and P wave velocity of single fissure sandstone under conventional triaxial compression test

當(dāng)裂隙角度一定時(shí)，P 波波速整體上隨軸向應(yīng)變?chǔ)?的增大先增加后減小。 P 波波速在峰值強(qiáng)度σP的20%～40%達(dá)到最大值，此時(shí)砂巖試件原有的孔隙和微裂紋被壓密，尤其對(duì)于A2-1 試件，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的壓密階段，P 波波速上升趨勢(shì)明顯。

當(dāng)裂隙長度一定時(shí)，B0-1 和B2-1 試件的P 波波速基本上是隨著軸向應(yīng)變?chǔ)?的增大先增加后減小，B1-1 和B3-1 試件的P 波速度基本上是隨著軸向應(yīng)變?chǔ)?的增大先減小后增大。 B0-1 和B2-1 試件的P波波速在峰值強(qiáng)度σP的60%和40%處達(dá)到最大值，B1-1 和B3-1 試件的P 波波速在未受力時(shí)為最大值，表明受力時(shí)砂巖試件已處于損傷開裂狀態(tài)。

P 波波速在應(yīng)力跌落附近波動(dòng)比較明顯。 單裂隙砂巖試件在高應(yīng)力水平下會(huì)發(fā)生應(yīng)力跌落現(xiàn)象，此時(shí)裂紋快速發(fā)展，導(dǎo)致試件的壓實(shí)度降低；隨著軸向位移繼續(xù)增加，新產(chǎn)生的裂紋再次被壓密，軸向應(yīng)力σ1會(huì)再一次增加，經(jīng)過幾次這樣的重復(fù)，裂紋逐漸交叉且相互聯(lián)合，形成宏觀的裂縫，應(yīng)力迅速跌落，此時(shí)試件側(cè)向塑性變形增加，體積擴(kuò)容明顯。

加卸載三軸試驗(yàn)下砂巖試件在變形過程中波速、軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 加卸載三軸試驗(yàn)下單裂隙砂巖試件的應(yīng)力、應(yīng)變與P 波波速的關(guān)系Fig.7 Relationship between stress and strain and P wave velocity of single fissure sandstone samples under loading and unloading triaxial test

加卸載三軸試驗(yàn)下P 波速度整體上隨軸向應(yīng)變的增大而增大。 由于圍壓從第一卸載點(diǎn)開始卸荷，導(dǎo)致一部分彈性能向側(cè)向轉(zhuǎn)移，試件的壓實(shí)速率減小，P波波速增長變慢。 結(jié)合圖3 應(yīng)力路徑圖，在低應(yīng)力水平下（OA和AB），試件內(nèi)部存在的孔隙和微裂隙被壓密，P 波波速增長較快；在高應(yīng)力水平時(shí)（BC），試件的壓實(shí)度逐漸達(dá)到臨界值，P 波波速增長變慢。

P 波波速在砂巖試件屈服應(yīng)力點(diǎn)附近達(dá)到峰值，且出現(xiàn)波速穩(wěn)定段。 在屈服點(diǎn)附近，密度達(dá)到最大值且基本穩(wěn)定直到波速穩(wěn)定段結(jié)束，波速穩(wěn)定段表明試件由體積壓縮主導(dǎo)轉(zhuǎn)為體積壓縮和體積擴(kuò)容程度相當(dāng)，體積壓縮和擴(kuò)容達(dá)到平衡，試件處于相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；P 波波速在砂巖試件峰值強(qiáng)度處波動(dòng)最明顯。 在峰值強(qiáng)度附近，其軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大，砂巖試件的塑性變形量增大，試件內(nèi)裂紋的交叉且相互聯(lián)合的現(xiàn)象加劇。

不同裂隙砂巖試件的P 波波速穩(wěn)定段不同。隨著裂隙長度增大，波速穩(wěn)定段逐漸縮短，完整砂巖試件的波速穩(wěn)定段最大為0.2%，A2 最大為0.15%，B2 最大為0.16%，C2 最大為0.08%，D2 最小為0.07%；這可能是由于裂隙長度的增加導(dǎo)致試件完整性受到影響，即試件在峰前的穩(wěn)定性隨裂隙長度增加而降低。 隨著裂隙角度增大，波速穩(wěn)定段先增大后逐漸減小，B0 最大為0.18%，B1 最大為0.21%，B2 最大為0.16%，B3 最大為0.1%。 整體趨勢(shì)表明，試件在峰前的穩(wěn)定性隨著裂隙角度增加先增加后減小，且大角度裂隙對(duì)其峰前穩(wěn)定性影響更大。

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下，除受力前已處于損傷開裂狀態(tài)的試件B1-1 與B3-1，其他單裂隙砂巖在峰值強(qiáng)度中段附近結(jié)束壓密狀態(tài)，達(dá)到密度最大階段，隨后在達(dá)到峰值強(qiáng)度前一直處于裂紋生成和裂紋擴(kuò)展的體積擴(kuò)容主導(dǎo)狀態(tài)。 而加卸載三軸試驗(yàn)下，整個(gè)階段試件處于較高圍壓的狀態(tài)，且最終圍壓高于常規(guī)三軸壓縮狀態(tài)，試件一直處于相對(duì)抑制體積擴(kuò)容的狀態(tài)，試件破壞前P 波波速全程增大，試件整體處于壓密狀態(tài)；同時(shí)不同階段的加載速率不同，環(huán)向的抵抗變形能力不同，試件原有微裂紋和張開性裂縫在加卸載前期更易壓密，從而導(dǎo)致不同階段壓密速率不同。

2.3 裂紋演化分析

裂紋總寬度按公式（1）計(jì)算，它們由壓縮過程中產(chǎn)生的微裂紋和塑性變形引起。 將各試件的裂縫寬度與軸向應(yīng)力繪制繪制在一起以研究裂紋演化規(guī)律。

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系如圖8 所示。

圖8 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系Fig.8 Relationship between axial stress and total crack width of sandstone under conventional triaxial compression test

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)下的裂紋演化根據(jù)圖8 可分為4 個(gè)階段。

裂紋壓密階段。 除試件B1-1 與B3-1，其余試件在這一階段中原有的微裂紋和孔隙逐漸閉合，巖石被壓密，且釋放的彈性能很小，A2-1 試件壓密階段的持續(xù)時(shí)間最短，B0-1 試件的持續(xù)時(shí)間最長。試件B1-1 和B3-1 在低應(yīng)力水平下，沒有壓密階段，但試件B3-1 在高應(yīng)力水平下出現(xiàn)壓密階段。

裂紋發(fā)展階段。 隨著軸向位移繼續(xù)增加，軸向應(yīng)力σ1不斷增大，預(yù)制裂隙的尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并有新的微裂紋產(chǎn)生，砂巖試件損傷不斷積累，其中B0-1 試件的裂紋發(fā)展階段持續(xù)時(shí)間最小，A2-1 試件的裂紋發(fā)展階段持續(xù)時(shí)間最大；在峰值強(qiáng)度附近，新裂紋產(chǎn)生的數(shù)量逐漸減少，裂紋的開裂量逐漸達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

裂紋穩(wěn)定階段。 在峰值強(qiáng)度附近，新產(chǎn)生的裂紋開裂量與閉合量基本相等，裂紋的總寬度基本保持不變，由于此時(shí)的砂巖試件處于高應(yīng)力水平狀態(tài)，已經(jīng)接近其所能承受的應(yīng)力極限，裂紋穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間較短。 各單裂隙試件的裂紋穩(wěn)定階段的持續(xù)范圍基本在50～100 MPa。

破壞后失穩(wěn)階段。 隨著軸向位移繼續(xù)增加，砂巖試件達(dá)到其所能承受的應(yīng)力極限（峰值強(qiáng)度），其內(nèi)部的裂紋迅速發(fā)展，相互交叉并聯(lián)合，形成宏觀的斷裂面，裂紋的總寬度繼續(xù)增加；同時(shí)，砂巖試件的軸向應(yīng)力σ1迅速跌落，但不為0，還有一定的殘余強(qiáng)度，所以其結(jié)構(gòu)保持完整狀態(tài)。

加卸載三軸試驗(yàn)下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系如圖9 所示。 加卸載三軸試驗(yàn)下的裂紋演化根據(jù)圖9 可分為3 個(gè)階段。

圖9 加卸載三軸試驗(yàn)下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系Fig.9 Relationship between axial stress and total crack width of sandstone under loading and unloading triaxial test

1）裂紋壓密階段。 在這一階段，砂巖試件原有微裂紋和張開性裂縫逐漸閉合，巖石被壓密，且在屈服應(yīng)力附近達(dá)到壓密臨界值，釋放的彈性能很小。在靜水壓力階段，砂巖試件裂紋閉合的速率較大，近似直線，且裂紋的閉合量大，但從第一卸載點(diǎn)開始，圍壓開始卸荷，砂巖試件裂紋閉合的速率迅速減??；從第一卸載點(diǎn)到屈服點(diǎn)，砂巖試件裂紋閉合的速率曲線呈非線性減小，且裂紋的閉合量較小。

2）裂紋穩(wěn)定階段。 在屈服點(diǎn)附近，隨著軸向應(yīng)力的增加，雖然砂巖試件體積有變形，但體積應(yīng)變?cè)隽拷?，即裂紋的開裂量和閉合量基本保持不變。隨著裂隙長度增加，裂紋穩(wěn)定階段整體上呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；對(duì)于含不同角度裂隙的砂巖試件，裂紋穩(wěn)定階段基本保持不變。 除了試件A2 由于初始裂隙在變形過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致屈服應(yīng)力增大，裂紋穩(wěn)定點(diǎn)基本在60 MPa 左右。

3）裂紋發(fā)展階段。 當(dāng)砂巖試件接近其峰值強(qiáng)度時(shí)，微裂紋的發(fā)展發(fā)生變化，裂紋的開裂量和閉合量動(dòng)態(tài)平衡被打破，其第2 階段累積的微裂紋相互連接造成裂紋快速發(fā)展。

3 結(jié) 論

1）綜放采動(dòng)應(yīng)力路徑下的單裂隙砂巖試件破壞后的裂紋形式與常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下相似，基本為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪復(fù)合型裂紋。 但兩種應(yīng)力路徑下的破壞模式不同：常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下單裂隙砂巖試件的破壞形式包含純剪切破壞、拉伸破壞、拉剪復(fù)合破壞和X 型共軛剪切破壞；綜放采動(dòng)應(yīng)力路徑下單裂隙砂巖試件的破壞形式包括單剪切破壞、拉剪復(fù)合型破壞、“X”型剪切破壞（共面和非共面）。

2）常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下，整體上P 波速度隨軸向應(yīng)變的增大先增大后減少。 波速在應(yīng)力跌落附近波動(dòng)比較明顯。 綜放采動(dòng)應(yīng)力路徑下，整體上P 波速度隨軸向應(yīng)變的增大而增大。 在第1 卸載點(diǎn)，試件的壓實(shí)度受圍壓影響，波速增長率迅速減??；在屈服應(yīng)力附近，試件壓實(shí)度達(dá)到臨界值，波速達(dá)到最大值；波速在砂巖試件峰值強(qiáng)度附近波動(dòng)明顯表明初始裂隙尖端應(yīng)力集中更加明顯，微裂紋出現(xiàn)交叉且相互貫通的現(xiàn)象加劇。

3）常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下，裂紋演化可分為4 個(gè)階段：裂紋壓密階段、裂紋發(fā)展階段、裂紋穩(wěn)定階段和破壞后失穩(wěn)階段，在峰值強(qiáng)度附近，新產(chǎn)生的裂紋開裂量與閉合量基本相等，裂紋的總寬度基本保持不變，但持續(xù)時(shí)間較短。 綜放采動(dòng)應(yīng)力路徑下，裂紋演化規(guī)律可分為3 個(gè)階段：裂紋壓密階段、裂紋穩(wěn)定階段和裂紋擴(kuò)展階段，裂紋穩(wěn)定階段隨裂隙長度增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，裂隙角度對(duì)裂紋穩(wěn)定階段基本沒有影響。