不排氣條件下低滲透巖石力學(xué)特性試驗

王 偉，張 寬，梅勝堯，曹亞軍, 朱其志

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

在深層地下能源的開發(fā)和利用過程中，致密巖石作為地下工程常見的地質(zhì)體，其特性對于地下巖石工程的安全與穩(wěn)定性至關(guān)重要。天然氣儲存與核廢料處置等重大工程，其所處地質(zhì)環(huán)境巖層組成多為致密低滲透巖石，是由固相、液相、氣相三者組成的耦合復(fù)雜體系，具備微裂隙、微裂紋、節(jié)理孔隙等缺陷，都會遇到水、氣體等介質(zhì)在巖體中的滲透所引發(fā)的巖石特性變化問題。因此測定低滲透巖石在氣固耦合條件下的巖石力學(xué)特性具有重要的工程意義。

國內(nèi)外學(xué)者對液體、氣體等介質(zhì)在致密脆性巖石中滲透所誘發(fā)的滲流應(yīng)力耦合問題進(jìn)行了很多研究[1-11]。在利用液體介質(zhì)進(jìn)行的滲流試驗中，張俊文等[1-3]通過砂巖的三軸壓縮試驗，獲取了不同排水條件下巖石力學(xué)特性對圍壓與孔壓的響應(yīng)規(guī)律；儲昭飛等[4]認(rèn)識到軸壓恒定下砂巖軸向應(yīng)變隨孔隙水壓降低而減小,進(jìn)而推導(dǎo)出用以模擬地層失水沉降的計算公式；王偉等[5]通過花崗巖在考慮滲透水壓作用下的三軸試驗，得到巖石具有典型的脆性特征的結(jié)論，并給出了滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系式。在利用氣體作為滲透介質(zhì)的條件下，陳衛(wèi)忠等[6]建立了多孔介質(zhì)下的等效邊界氣體滲流模型，能正確模擬夾層層面滲流問題，模擬結(jié)果表明夾層的滲透性對儲氣庫氣體滲透范圍有重要影響；Metwally等[7]針對致密砂巖和頁巖分別進(jìn)行了液體和氣體滲透試驗，分析了在不同圍壓與孔壓條件下，滲透率各向異性的變化規(guī)律；陳衛(wèi)忠等[8]和王環(huán)玲等[9]分別對大理巖和致密砂巖進(jìn)行了氣體穩(wěn)態(tài)滲流條件下的滲透特性研究，探討了圍壓、孔壓、滑脫效應(yīng)三者關(guān)系，證明了考慮氣體滑脫效應(yīng)的必要性；胡少華等[10]利用壓力脈沖法對北山花崗巖在三軸壓縮過程中的氣體滲透率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明花崗巖滲透特性與巖石內(nèi)部微裂紋及連通性的變化密切相關(guān)；巢志明等[11]采用低滲透砂巖進(jìn)行了不同飽和度下氣體滲透試驗，提出采用氣體滲透率與孔隙壓力的指數(shù)關(guān)系來反映巖石應(yīng)力-滲流耦合特征；Zhang等[12]進(jìn)行了煤巖在多梯度、不連續(xù)應(yīng)力條件下的氣體真三軸滲透試驗，結(jié)果表明隨著氣體壓力降低滲透率有增大的趨勢，同時在簡化平均有效應(yīng)力概念的基礎(chǔ)上，確定了平均有效應(yīng)力對煤巖滲透性的主導(dǎo)影響；Yang等[13]通過增大和減小三軸試驗中氣體壓力來研究不同損傷程度下砂巖的滲透特性，結(jié)果表明隨著氣體壓力的增大，損傷砂巖試樣的滲透率增大，且在相同的氣體壓力條件下，有效圍壓遞減過程中的滲透率普遍高于有效圍壓遞增過程中的滲透率。

以上多為針對液體與氣體介質(zhì)滲透作用下巖石滲透特性變化趨勢的研究，考慮到深部天然氣開采的工程特點，深部巷道圍巖內(nèi)部封存氣體對巖體的穩(wěn)定性具有重要影響，而目前對封閉孔隙氣壓即不排氣條件下低滲透巖石力學(xué)特性研究較少。本文以低滲透致密紅砂巖(以下簡稱“砂巖”)為研究對象，開展不排氣條件下不同圍壓和孔壓時巖石力學(xué)行為與破裂損傷的變化規(guī)律試驗研究，以期為地下巖體工程的穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試 驗 方 法

1.1 試驗巖樣與試驗儀器

試驗巖樣取自湖南某地下工程鉆孔巖芯，表面為紅色，高倍電鏡下呈顆粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，顆粒之間的空隙較小，多為微小孔洞，接觸面黏結(jié)較為緊密，無明顯的節(jié)理或裂隙等缺陷，整體均勻性與致密性較好，氣體滲透率為(1.5～3.0)×10-17m2。巖樣天然密度為2.47 g/cm3，主要礦物成分為石英、長石、方解石和云母、綠泥石等，其中石英占52%，長石占31%，硬度較大，強(qiáng)度較高。巖樣根據(jù)國際巖石力學(xué)會(ISRM)推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備，直徑50 mm、長100 mm，如圖1所示。

圖1 試驗巖樣Fig.1 Test samples

試驗儀器為全自動多場耦合三軸試驗儀(圖2)，由河海大學(xué)與中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所共同研制，主要由三軸壓力室、軸壓伺服儀、圍壓伺服儀、孔壓伺服儀和計算機(jī)控制系統(tǒng)組成，可以完成巖石常規(guī)三軸壓縮試驗、蠕變試驗以及各類多場耦合試驗，適用范圍廣且精度高。

圖2 三軸試驗儀Fig.2 Triaxial testing device

1.2 試驗步驟

為充分反映砂巖在不排氣條件下的力學(xué)性質(zhì)，減少溫度變化對試驗的影響，試驗中嚴(yán)格控制實驗室溫度((20±0.5)℃)。根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場巖體初始應(yīng)力條件，試驗圍壓σ3分別設(shè)置為5 MPa、10 MPa和15 MPa；試驗中流體為高壓氬氣，孔隙氣壓P分別設(shè)置為1 MPa和2 MPa，以此對比分析不同圍壓與孔隙氣壓對砂巖力學(xué)特性的影響。具體試驗步驟如下：

a.巖樣高溫干燥處理，去除砂巖內(nèi)部的孔隙結(jié)晶水。

b.無孔隙氣壓加載試驗。先加載圍壓至預(yù)定值，打開進(jìn)氣閥門，緩速加載一定氣壓至出氣口形成穩(wěn)定氣體滲流后打開出氣閥門，保證砂巖內(nèi)部無孔隙氣壓，以恒定速率進(jìn)行偏壓加載至砂巖破壞。

c.孔隙氣壓加載試驗。保持進(jìn)、出氣口開啟，加載孔隙氣壓至預(yù)定值后關(guān)閉進(jìn)、出氣閥門，保證砂巖內(nèi)部孔隙氣壓穩(wěn)定，以恒定速率進(jìn)行偏壓加載至砂巖破壞。

d.砂巖發(fā)生破壞時(加載過程中當(dāng)偏壓值不再增大并急劇下降時)停止加載，停止記錄數(shù)據(jù)，軸壓、孔壓、圍壓依次卸載，取出巖樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

圖3為砂巖三軸壓縮試驗全過程偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖中ε1為軸向應(yīng)變，ε3為環(huán)向應(yīng)變；右側(cè)為試樣破壞面與素描圖，反映不同應(yīng)力下砂巖的破壞形式)。通過軸壓σ1與圍壓σ3繪制不同孔隙氣壓條件下三向應(yīng)力莫爾圓，對莫爾圓作破壞包絡(luò)線，得到的截距與斜率大小即為砂巖黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ，與試驗得到的砂巖力學(xué)參數(shù)一并列于表1。

圖3 砂巖三軸壓縮試驗偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Deviatoric stress-strain curve from triaxial compression test of sandstone

表1 砂巖力學(xué)參數(shù)

由圖3和表1可知，同孔隙氣壓，隨圍壓增大，砂巖峰值強(qiáng)度不斷增大，彈性模量也相應(yīng)增大，泊松比則沒有表現(xiàn)出相似的規(guī)律性。低圍壓(σ3=5 MPa)條件下，隨孔隙氣壓增大，砂巖峰值強(qiáng)度具有微弱的減小趨勢，同時砂巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角均有一定的變化，孔隙氣壓從0 MPa增大到1 MPa和從1 MPa增大至2 MPa，內(nèi)摩擦角分別減小4.56%和5.42%，黏聚力分別減小5.31%和3.98%。

由圖3可見，當(dāng)砂巖強(qiáng)度達(dá)到峰值后，強(qiáng)度快速削減，內(nèi)部裂隙匯集、貫通最終發(fā)生破壞。當(dāng)孔隙氣壓為0 MPa時，在低圍壓即5 MPa條件下，砂巖破壞呈現(xiàn)以張拉為主的宏觀劈裂破壞，且微小破裂面較多；伴隨著圍壓增大，砂巖延性增強(qiáng)，砂巖的破壞形式開始逐漸呈現(xiàn)剪切破壞形式，主要裂隙呈對角狀，砂巖破裂斷面更為明顯。這是由于圍壓增大導(dǎo)致砂巖脆性降低，對砂巖保護(hù)效應(yīng)更明顯，砂巖剪切破壞增強(qiáng)；高圍壓條件下砂巖的破壞機(jī)理更多歸結(jié)為剪切的發(fā)生。

由圖3(c)可知，砂巖在2 MPa的孔隙氣壓條件下，破壞斷面在端口部分多呈豎向的劈裂破壞面，伴隨圍壓增大，剪切破壞部分加強(qiáng)，砂巖主要表現(xiàn)為劈裂破壞。這是由于砂巖在孔隙氣壓作用下，內(nèi)部脆性提高，更易產(chǎn)生張拉、劈裂破壞面。

2.2 強(qiáng)度特征

圖4為試驗得到的砂巖峰值強(qiáng)度σc與初始有效圍壓σ3a關(guān)系曲線。

圖4 砂巖峰值強(qiáng)度擬合曲線Fig.4 Fitting curves of peak strength of sandstone

如圖4(a)所示，在無孔隙氣壓條件下，砂巖的峰值強(qiáng)度隨圍壓增大而增大，并且相較于對數(shù)形式非線性函數(shù)關(guān)系，巖樣峰值強(qiáng)度與圍壓之間更符合線性遞增關(guān)系。表明對于致密砂巖而言，在無孔隙氣壓的條件下，圍壓對于砂巖強(qiáng)度具備線性強(qiáng)化作用。由圖4(b)可知，有孔隙氣壓條件下砂巖的峰值強(qiáng)度與初始有效圍壓之間同樣呈現(xiàn)正比增長規(guī)律，且增長速率逐漸減低，表現(xiàn)為“上凸”曲線，較之于線性關(guān)系，更符合對數(shù)形式的非線性增長規(guī)律，說明在不排氣條件下，封閉孔隙氣壓的存在削弱了圍壓的強(qiáng)化作用，降低了砂巖的峰值強(qiáng)度及其增長速率。

同樣，由表1可知，在同一圍壓下，有孔隙氣壓試驗中砂巖的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變要低于無孔隙氣壓試驗。在孔隙氣壓1 MPa和2 MPa條件下，當(dāng)圍壓為5 MPa時，試驗中砂巖的峰值強(qiáng)度比無孔隙氣壓試驗的峰值強(qiáng)度分別減小了9.04%和9.54%，峰值應(yīng)變分別減小了21.41%和30.20%；當(dāng)圍壓為10 MPa時，峰值強(qiáng)度在孔隙氣壓作用下降低幅度在1%左右，峰值應(yīng)變分別減小了42.28%和20.46%；當(dāng)圍壓為15 MPa時峰值強(qiáng)度分別減小了12.38%和8.19%，峰值應(yīng)變分別減小了39.81%和45.34%。這是由于砂巖在不排氣條件下，內(nèi)部空間整體是封閉狀態(tài)，隨著荷載的增加，孔隙氣壓對砂巖內(nèi)部裂紋具有加劇破壞的作用，進(jìn)而降低砂巖的峰值強(qiáng)度。同時，砂巖內(nèi)部微裂紋和微裂隙非穩(wěn)定發(fā)展的速度加快，砂巖破壞的時間縮短，砂巖峰值應(yīng)變降低。

2.3 變形特征

巖石作為非均勻材料，內(nèi)部存在隨機(jī)分布的微裂紋、微裂隙等天然缺陷，在外力作用下產(chǎn)生局部開裂，逐步發(fā)展至整體破壞。一般認(rèn)為在巖石受壓縮作用產(chǎn)生變形時，內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展均有臨界值，即裂紋起裂應(yīng)力σci和裂紋擴(kuò)容應(yīng)力σcd。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到σci時，表示巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生拉張微裂紋，平行于最大主應(yīng)力方向，此時巖石進(jìn)入應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展的非線性階段，微裂紋處于穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，應(yīng)力水平多為峰值強(qiáng)度σc的40%[14]。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σcd時，此時巖石內(nèi)部微裂紋和微裂隙開始迅速擴(kuò)展，進(jìn)入微裂隙非穩(wěn)定發(fā)展時期，裂紋逐漸貫通，巖石環(huán)向變形迅速增大，最終導(dǎo)致巖石發(fā)生破裂。

基于Martin[15]提出的裂隙體積應(yīng)變模型，進(jìn)一步研究砂巖內(nèi)部微裂紋和微裂隙擴(kuò)展規(guī)律。對于巖石材料，裂紋的產(chǎn)生、起裂與擴(kuò)展導(dǎo)致的軸向變形與環(huán)向變形共同導(dǎo)致裂隙的體積變化，通常，可用軸向應(yīng)變ε1與環(huán)向應(yīng)變ε3表示總體積應(yīng)變εv，同樣，可由裂紋體積應(yīng)變εcv與同應(yīng)力水平下彈性體積應(yīng)變εev兩部分構(gòu)成總體積應(yīng)變。計算時采用偏應(yīng)力進(jìn)行體積應(yīng)變計算[3]：

εv=ε1+2ε3=εcv+εev

(1)

(2)

根據(jù)式(1)(2)計算結(jié)果繪制出巖樣在圍壓10 MPa、孔隙氣壓1 MPa壓縮作用漸進(jìn)破壞條件下體積應(yīng)變階段如圖5所示(取體積壓縮為正值)。由圖5可知脆性砂巖的變形破壞過程主要分為5個階段：階段1為以裂隙閉合應(yīng)力σcc為閾值的非線性壓密階段；階段2為彈性變形階段，總體積應(yīng)變增量等于彈性體積應(yīng)變增量，原始裂紋閉合，軸向和環(huán)向應(yīng)變呈線性變化；階段3為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，裂紋張開，體積膨脹，裂紋體積應(yīng)變曲線向負(fù)方向偏移，其拐點對應(yīng)軸向應(yīng)力即為起裂應(yīng)力σci；階段4即裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，以σcd為特征應(yīng)力，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)張；階段5為砂巖應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度σc后的裂紋破裂變形階段，由于應(yīng)變片對峰后應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的限制，階段5曲線未繪出。

圖5 砂巖體積應(yīng)變階段示意圖Fig.5 Sketch map of volume strain stage of sandstone

依據(jù)上述判據(jù)，圖6給出了不同圍壓和孔隙氣壓條件下砂巖裂紋體積應(yīng)變、總體積應(yīng)變與偏應(yīng)力關(guān)系曲線。

圖6 砂巖裂紋體積應(yīng)變、總體積應(yīng)變和偏應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.6 Deviatoric stress-crack volume strain/total volume strain relationship curves of sandstone

根據(jù)圖6中各應(yīng)力狀態(tài)下裂紋體積應(yīng)變曲線拐點處偏應(yīng)力值可確定起裂應(yīng)力σci，利用總體積應(yīng)變曲線頂點數(shù)值確定擴(kuò)容應(yīng)力σcd。考慮到砂巖在壓縮過程中，裂紋體積存在從壓密到擴(kuò)容的轉(zhuǎn)變，即某應(yīng)力下裂紋體積應(yīng)變可視為未產(chǎn)生變化(即εcv= 0)，定義此時的應(yīng)力為σcl。表2為裂紋體積應(yīng)變曲線特征應(yīng)力。

表2 裂紋體積應(yīng)變曲線特征應(yīng)力

由表2可知，σci和σcl與圍壓呈正比增長關(guān)系，且趨勢具有一致性。由于初始圍壓加載對于砂巖內(nèi)部微裂紋與孔隙具有約束作用，隨著圍壓的增大，砂巖內(nèi)部孔隙間壓密程度增大，微裂紋產(chǎn)生時間延后，起裂應(yīng)力增大。同樣，相同孔隙氣壓條件下，砂巖擴(kuò)容應(yīng)力σcd和σcd/σc也隨著圍壓的增大而增大，并且高圍壓條件下擴(kuò)容應(yīng)力與峰值強(qiáng)度更為接近，考慮到高圍壓會限制砂巖內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，裂紋產(chǎn)生的寬度會受到限制，砂巖體積膨脹的趨勢會滯后；高圍壓條件下，σcd/σc隨孔隙氣壓增大呈現(xiàn)減小的趨勢，可以理解為在更高孔隙氣壓作用下，進(jìn)入裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段后，裂紋體積膨脹速率更快，迅速發(fā)生破壞。

表2反映出起裂應(yīng)力水平在0.31～0.75之間，其值越小表示砂巖的非均勻程度越大?？梢钥闯龈邍鷫合掠捎诹鸭y閉合度高，閉合速率較快，砂巖表現(xiàn)出更好的均質(zhì)性，并且在不同孔隙氣壓作用下，表現(xiàn)出的裂隙應(yīng)力水平也具有一定差異，說明孔隙氣壓對砂巖破壞作用主要表現(xiàn)在破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和加速裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展?；谏皫r起裂應(yīng)力水平，參考王宇等[14]提出的巖石脆性指標(biāo)公式，隨著σci/σc值提高即巖石具備更好的均質(zhì)性，巖石的脆性指標(biāo)降低。利用起裂應(yīng)力與峰值強(qiáng)度比值定義的脆性指標(biāo)，更多的反映巖石的強(qiáng)度特征，體現(xiàn)為高圍壓、低孔隙氣壓下砂巖脆性程度降低，不易迅速破壞。

2.4 能量特征

在上述砂巖變形特征的分析中，強(qiáng)調(diào)了在荷載作用下砂巖發(fā)生軸向與環(huán)向變形的過程。實際上砂巖在荷載作用下發(fā)生變形破壞可以認(rèn)為是一個熱力學(xué)過程，是砂巖對外部環(huán)境的能量進(jìn)行吸收、釋放和轉(zhuǎn)化的過程。當(dāng)砂巖受到外界荷載作用后，會吸收這些輸入的能量，砂巖在部分能量作用下發(fā)生彈性變形，并以彈性能的形式儲存，砂巖內(nèi)部的微裂紋在其余部分能量作用下擴(kuò)展，降低砂巖的儲能極限，一旦外界輸入的能量超過儲能極限，釋放出來的能量將使砂巖發(fā)生破壞。

試驗中假設(shè)砂巖與試驗系統(tǒng)是一個封閉系統(tǒng)，試驗時沒有發(fā)生熱量交換，忽略砂巖在峰值強(qiáng)度處發(fā)生破壞時轉(zhuǎn)化的動能，此時砂巖內(nèi)所有的能量均來自千斤頂軸向荷載和環(huán)向油壓的做功，此時的總輸入能量密度U[16]為

U=Ud+Ue

(3)

式中：Ud為耗散能密度；Ue為彈性能密度。

不考慮滲流應(yīng)力耦合過程中孔隙氣壓對砂巖做的功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，總能量密度可以表示為

(4)

考慮到試驗中第二主應(yīng)力與第三主應(yīng)力大小相等，彈性能密度可以表示為

(5)

根據(jù)公式(3)(4)(5)，結(jié)合已知試驗數(shù)據(jù)，對不排氣條件下砂巖三軸壓縮變形破壞過程中能量演化與軸向變形的關(guān)系進(jìn)行分析，圖7為不同應(yīng)力狀態(tài)下三軸壓縮不排氣試驗中的能量特征曲線。

圖7 砂巖三軸壓縮試驗?zāi)芰刻卣髑€Fig.7 Energy characteristic curves of sandstone under triaxial compression test

由圖7可以看出，裂紋體積在非線性壓密階段隨著偏應(yīng)力的不斷加載，即輸入的能量不斷增加，砂巖的彈性能密度隨著軸向應(yīng)變緩慢增加，而砂巖內(nèi)部原生的微裂紋不斷壓密閉合并發(fā)生摩擦，導(dǎo)致輸入的一小部分能量被耗散，耗散能密度較小。在線彈性階段，砂巖內(nèi)部微裂隙基本都壓密閉合，砂巖在不斷吸收能量，應(yīng)變硬化機(jī)制起主導(dǎo)作用，大部分能量轉(zhuǎn)化為彈性能儲存在砂巖中，表現(xiàn)為彈性能密度隨著軸向應(yīng)變保持線性增長，而耗散能密度基本保持不變。到了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，砂巖內(nèi)部新的微裂紋逐漸擴(kuò)展，越來越多的能量會以裂紋表面能等形式耗散釋放，此時彈性能仍處于主導(dǎo)地位。隨著荷載水平超過砂巖的起裂應(yīng)力，砂巖開始進(jìn)入裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，砂巖內(nèi)部微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)展，大量能量以其他形式耗散釋放，此時彈性能密度增速逐漸變緩，耗散能密度出現(xiàn)快速增長，占比升高。隨著損傷程度的不斷加劇，砂巖內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)展，交互貫通形成宏觀斷裂帶，當(dāng)砂巖強(qiáng)度到達(dá)峰值強(qiáng)度后，之前儲存的彈性能瞬間大量釋放，轉(zhuǎn)化成砂巖的動能、熱能等耗散。

由上述分析可知，耗散能的迅速增長是導(dǎo)致砂巖損傷加劇的重要原因，因此可通過分析耗散能的演變規(guī)律研究不同圍壓和孔隙壓力對砂巖損傷特性的影響。由圖7(b)可知相同孔隙氣壓條件下，圍壓越高，耗散的應(yīng)變能越大。這說明高圍壓條件下砂巖內(nèi)部的儲能極限更高，能夠耗散釋放的彈性能更大。在圍壓5 MPa、15 MPa條件下，隨著孔隙氣壓的增大，砂巖耗散能密度曲線增長速率越快，說明孔隙氣壓的作用使得砂巖內(nèi)部損傷加劇，發(fā)生損傷時能量釋放更加劇烈。

2.5 損傷破壞

考慮到砂巖均質(zhì)性較好，宏觀上表現(xiàn)為各向同性，根據(jù)Lemaitre[17]對各向同性材料損傷因子的定義和劉東橋等[18]的假設(shè)，通過對圍壓15 MPa、孔隙氣壓1 MPa條件下砂巖變形過程進(jìn)行參數(shù)反演，進(jìn)而得到軸向應(yīng)變的砂巖損傷因子演化曲線，圖8為偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變、損傷因子-軸向應(yīng)變曲線。由圖8可知，在加載前期，即裂紋閉合之前，損傷未見明顯發(fā)展；隨后微裂紋不斷閉合摩擦，局部能量耗散，損傷緩慢發(fā)展；加載至起裂應(yīng)力σci后進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，能量耗散加劇，損傷迅速發(fā)展。

圖8 三軸壓縮不排氣試驗偏應(yīng)力、損傷因子與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.8 Relationships of deviatoric stress, axial strain and damage factor in triaxial compression test under gas undrained condition

3 結(jié) 論

a.圍壓對砂巖起著強(qiáng)化作用，砂巖的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變均與圍壓呈正比關(guān)系。隨圍壓的增大，砂巖延性明顯增大。

b.孔隙氣壓的加載會使砂巖的抗壓強(qiáng)度下降，使內(nèi)部顆粒黏結(jié)產(chǎn)生張力破壞作用。砂巖的起裂應(yīng)力和擴(kuò)容應(yīng)力均隨孔隙氣壓的增大而減小，在孔隙氣壓作用下氣體進(jìn)入砂巖內(nèi)部，改變內(nèi)部微裂隙結(jié)構(gòu)，加速砂巖損傷的發(fā)生，降低了砂巖強(qiáng)度。

c.砂巖在不排氣條件下主要呈現(xiàn)宏觀的劈裂破壞面，圍壓增大會降低砂巖脆性，砂巖更易發(fā)生剪切破壞，孔隙氣壓加載使砂巖脆性增強(qiáng)，加劇砂巖的劈裂破壞程度。