單軸壓縮作用下孔隙砂巖破壞過程試驗

劉慧 張堯 張二鋒 藺江昊 贠燁輝

摘 要：孔隙砂巖在單軸壓縮作用下的破壞過程及模式對能源開采和地下空間工程建設具有重要意義。以陜西渭南細粒砂巖和咸陽粗粒砂巖為研究對象，進行了不同粒徑的砂巖在單軸壓縮荷載作用下的高速攝影實時觀測試驗，獲得了兩種粒度巖樣在各個破壞階段的圖像，揭示出兩種不同粒度巖樣單軸壓縮過程中宏觀裂紋萌生、擴展、貫通直至巖樣破壞的全過程。探討了孔隙砂巖粒度對其宏觀變形破壞過程和模式的影響規(guī)律。研究表明，粒徑是影響孔隙砂巖單軸壓縮破壞模式的一個重要因素，細粒砂巖在破壞瞬間產(chǎn)生強烈的動力效應，而粗粒砂巖在破壞瞬間則沒有。粗粒砂巖破壞模式表現(xiàn)為拉伸劈裂，而細粒砂巖破壞模式表現(xiàn)為剪切滑移。從巖樣宏觀裂紋產(chǎn)生到裂紋貫通過程中，粗粒砂巖裂紋擴展持續(xù)時間較長，而細粒砂巖持續(xù)時間較短。在殘余試件完整性方面，粗粒砂巖完整性較好，細粒砂巖較差。關鍵詞：孔隙砂巖;高速攝影;實時觀測;破壞過程;模式中圖分類號：TU 458

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）06-01010-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0611開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Experimental on failure process of porous

sandstone under uniaxial compression

LIU Hui，ZHANG Yao，ZHANG Er-feng，LIN Jiang-hao，YUN Ye-hui

（College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and

Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The failure process and mode of porous sandstone under uniaxial compression have importanct influenceon energy exploitation and underground space engineering construction.Taking the Weinan finely-grained sandstone and Xianyang coarsely-grained sandstone in Shanxi as the research object，the high-speed photographic real-time observation experiment of sandstones with different grain sizes under uniaxial loading were carried out，and the images of the two granularity rock samples in each failure process stage were obtained.The whole process of initiation，propagation and penetration of macroscopic cracks in the uniaxial compression process of rock samples with different particle sizes is carried out.The influence of particle size of sandstone on its macroscopic deformation and failure process and mode is discussed.It is found that particle size is an important factor to affect the uniaxial compression failure mode of pore sandstone.Finely-grained sandstone produces strong dynamic effects at the moment of failure，while coarsely-grained sandstone does not have.The coarse sandstone failure mode is tensile splitting，while the fine sandstone failure mode is shear slip.During the crack propagation from the macroscopic crack of the rock sample，the crack propagation of the coarsely-grained sandstone lasts longer than the finely-grained sandstone.In terms of the integrity of the residual test piece，the coarsely-grained sandstone has better integrity than the finely-grained sandstone.

Key words：porous sandstone;high speed photography;real-time observation;failure process;mode

0 引 言

中國孔隙砂巖分布廣泛，主要分布于四川、云南、山東以及陜西、山西、河北和河南等地。這些地區(qū)蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，砂巖的破壞過程和破壞模式對這些地區(qū)的能源開采和地下空間工程建設具有重要影響。因此，進行孔隙砂巖受荷破壞過程及模式的研究，具有重要理論價值和實際工程應用意義。

國內(nèi)外眾多專家學者對單軸壓縮荷載作用下的砂巖力學特性進行了大量的研究。楊圣奇等通過單軸壓縮試驗，探究了含孔洞裂隙砂巖的力學特性，分析了裂隙角對含組合缺陷砂巖試件強度和變形行為的影響及裂紋聚結過程在巖石的變形破壞中起的作用[1-2]。朱譚譚等開展了預制雙圓形孔洞的板狀砂巖的壓縮試驗，研究了孔心距和傾角對砂巖強度、變形特征及破裂演化過程等的影響規(guī)律[3]。張仕林等采用單軸壓縮試驗，結合數(shù)值模擬方法，研究了紅砂巖裂隙在不同張開度條件下的擴展機理[4]。趙程等利用數(shù)字圖像相關方法（DICM），對含不同預置單裂紋的類巖石材料在單軸壓縮作用下的裂紋擴展規(guī)律及巖體細觀損傷演化機制進行了系統(tǒng)研究[5]。李樹剛等利用自主研發(fā)的YYW-Ⅱ應變控制式無側限壓縮儀及高精度聲發(fā)射（AE）監(jiān)測系統(tǒng)，研究了含不同寬度預制裂隙的類巖石材料試樣在單軸壓縮條件下的受力變形和破壞模式，分析了預制裂隙寬度對類巖石材料破壞的影響規(guī)律[6]。李化敏等利用偏光顯微鏡、掃描電鏡、核磁共振儀等試驗手段，獲得了砂巖的成分、微觀結構與孔隙特征，研究了砂巖的孔隙結構與其彈性模量、單軸抗壓強度等之間的關系[7]。種玉配等以粗粒砂巖為研究對象，進行不同低溫條件下的單軸壓縮試驗，探討了低溫對飽水粗粒砂巖彈性模量、單軸抗壓強度和泊松比的影響以及低溫飽水粗粒砂巖的破壞模式[8]。陳紹杰等對不同粒度紅砂巖進行了巴西劈裂拉伸與單軸壓縮試驗，分析了顆粒粒度對巖石力學特性的影響規(guī)律[9]。魏洋等進行了砂巖單軸壓縮實驗，從臨界慢化的角度研究巖體破裂失穩(wěn)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征[10]。肖福坤等利用TAW-2000 kN壓力機、TYJ-500 kN壓力機和SH-II聲發(fā)射系統(tǒng)，對粗砂巖和細砂巖裂紋擴展過程中的力學特性和聲學特征開展了研究[11]。劉強等針對南方廣泛存在礦山巖體含水層中的砂巖，利用RMT-150C試驗機進行了單軸壓縮試驗[12]。劉之喜等為了探究巖石單軸壓縮試驗過程中的能量演化規(guī)律，利用RMT-150b巖石力學測試系統(tǒng)采用相同的加載速率對白砂巖分別進行了單軸壓縮試驗、單軸分級加卸載試驗，并對單軸壓縮過程中彈性能、耗散能及其比值等進行了分析[13]。楊大方等對含有不同幾何狀態(tài)的裂隙細砂巖進行了單軸壓縮試驗，分析了巖橋傾角和巖橋寬度對裂隙細砂巖試樣裂紋起裂、擴展過程以及破壞模式的影響[14]。趙國彥等采用INSTRON-1346型液壓伺服控制試驗機對含不同幾何形狀孔洞的紅砂巖進行單軸壓縮試驗，分析了孔洞形狀對巖石力學特性和斷裂損傷演化規(guī)律的影響[15]。季晶晶等開展單軸壓縮條件下巖石預制裂隙擴展破壞過程試驗，分析了裂隙傾角對巖石變形、強度和裂隙擴展破壞方式的影響規(guī)律[16]。

PRIKRYL等研究了花崗巖礦物顆粒的大小與單軸抗壓強度相關關系，認為其強度與顆粒粒度是對數(shù)關系[17]。

在加載速率、破裂損傷演化特征、圍壓效應、溫度等方面對砂巖單軸壓縮力學性能的影響方面也有不少學者進行了一系列研究[18-26]。

上述研究成果通過開展砂巖在單軸壓縮作用下宏、細觀實驗，著重探討砂巖在單軸壓縮荷載作用下的受力及變形特性研究，且相關成果多集中于含裂隙砂巖的研究，對于孔隙砂巖在單軸壓縮作用下的破壞過程中的特性及破壞模式的研究較少。文中采用高速攝影技術，實時觀測不同粒度孔隙砂巖在單軸壓縮荷載作用下的破壞過程，通過分析不同加載階段兩種不同粒度孔隙砂巖的宏觀破壞圖像，探討不同粒度孔隙砂巖的破壞模式，為地下工程圍巖穩(wěn)定性及支護設計等技術問題提供科學依據(jù)。

1 不同粒度砂巖單軸壓縮破壞過程試驗

1.1 兩種不同粒度孔隙砂巖試樣

1.1.1 粗粒砂巖

取自陜西咸陽，呈褐紅色，質地均勻，色澤統(tǒng)一，內(nèi)部孔隙較大，密實性差，顆粒粒徑在0.5～2 mm內(nèi)，屬于粗粒砂巖。由砂礫泥質膠結而成，主要成分為長石、石英和白云母等。

1.1.2 細粒砂巖

取自陜西渭南，呈淺褐紅色，質地均勻，色澤統(tǒng)一，內(nèi)部孔隙較小，密實性好，顆粒粒徑在0.05～0.25 mm內(nèi)，屬于細粒砂巖。由砂礫泥質膠結而成，主要成分為長石、石英和白云母等。

依據(jù)《水利水電工程孔隙砂巖試驗規(guī)程》（SL264—2001）在西安科技大學巖石力學實驗室完成標準巖石試樣的加工（圖1），巖樣物理參數(shù)見表1。

1.2 試驗設備及方案

觀測不同粒度孔隙砂巖在單軸壓縮荷載作用下的破壞過程的試驗測試系統(tǒng)（圖2）包括高速攝像機、光源和電液伺服控制低溫高壓巖土三軸測試系統(tǒng)。

Photron FASTCAM Mini UX型高速攝像機，最高分辨率為1 280×1 024，拍攝速率為4 000 fps，最短曝光時間為3.9 μs，能夠完成孔隙砂巖破壞瞬間高分辨率影像的采集，捕捉顆粒、碎塊的運動軌跡。本次試驗采用1 280×1 000的分辨率，拍攝速率采用

1 000 fps.

RTX-1500型電液伺服控制低溫高壓巖土三軸測試系統(tǒng)，最大加載荷載為1 500 kN，最大測量變形為軸向12 mm和徑向±6 mm，與高速攝像機同步試驗，實時采集兩種不同粒度砂巖在各個加載階段的徑向、軸向變形數(shù)據(jù)。本次試驗加載速率為0.06 mm/min，加載速率在試驗全過程保持不變。

調試兩臺攝像機和光源，從兩個不同角度全方位捕捉單軸壓縮破壞過程中巖樣破壞圖像。加載的同時立即進行初攝，以獲取加載前的巖樣圖像和加載時間。采用位移控制式進行加載，加載速度為0.06 mm/min.加載后隨時觀察巖樣表面和應力-應變曲線，分別在彈性階段、接近屈服強度前、巖樣破壞后進行多次拍攝，特別是在巖樣表面產(chǎn)生宏觀裂紋后進行多次抓拍，以獲取兩組不同粒度孔隙砂巖6個巖樣在加載過程中不同破壞階段的全過程圖像。試驗機自動采集并換算成對應的應力與應變數(shù)據(jù)并輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，繪制出應力-應變曲線。

2 試驗結果及分析

2.1 單軸壓縮試驗結果

圖3～圖4為試驗得到的兩組不同粒度孔隙砂巖單軸壓縮過程中的應力-應變關系曲線。

圖5、圖6為巖樣在不同加載過程中裂紋擴展貫通的圖像。根據(jù)拍攝時間，可計算出各破壞圖像所對應的加載大小和巖樣強度。限于篇幅，僅以巖樣B1和E5為例，進行破壞過程的分析。巖樣B1強度為圖3中A、B、C點時，其破壞過程圖像分別對應圖5中（a）、（b）、（c）圖像。巖樣E5強度為圖4中D、E、F點時其破壞過程圖像分別對應圖6中（a）、（b）、（c）圖像。

2.2 單軸壓縮作用下孔隙砂巖破壞過程分析

根據(jù)試驗結果，統(tǒng)計出巖樣B1和E5宏觀裂紋在單軸壓縮荷載全過程的變化情況，見表2.

對于細粒砂巖B1，其加載破壞過程表現(xiàn)為：在加載時間為1 228.64 s時，細粒砂巖第1條宏觀裂紋出現(xiàn);且該裂紋快速擴展，在極短的時間內(nèi)迅速分叉并貫通，整體破壞發(fā)生在瞬間，破壞時能量釋放在瞬間完成，伴有巖屑崩濺以及巨大響聲等類似巖爆現(xiàn)象。整個破壞過程裂紋形態(tài)變化快，破壞后的巖樣整體性較差，碎塊、巖屑多。

對于粗粒砂巖E5，其加載破壞過程表現(xiàn)為：在加載時間為520.83 s時，粗粒砂巖第1條宏觀裂紋出現(xiàn)，但是該裂紋擴展慢，無分叉，經(jīng)過198.98 s后該裂紋才貫通，整體破壞過程較慢。破壞時巖樣沒有產(chǎn)生巖石碎屑，破壞時能量散發(fā)較為緩和。粗粒砂巖孔隙大，膠結差，利于能量耗散，在破壞時沒有很大響聲;裂紋形態(tài)簡單且變化慢。

兩種不同粒度巖樣的應力-應變曲線均經(jīng)過壓密階段、彈性階段、彈塑性階段以及破壞階段，但粗粒砂巖和細粒砂巖在應力-應變曲線各個階段內(nèi)展現(xiàn)出不同的特征（圖3、圖4）。

2.2.1 壓密階段

粗粒砂巖的壓密階段相對細粒砂巖較長，粗粒砂巖內(nèi)部含有更多孔隙、微孔洞等缺陷，礦物顆粒膠結程度較弱，而細粒砂巖整體性和均質性較好。

2.2.2 彈性階段

在彈性變形期間，細粒砂巖加載過程比粗粒砂巖長，其彈性模量遠高于粗粒砂巖。細粒砂巖致密，具有更好的整體性，剛度大，抵抗彈性變形的能力強。

2.2.3 彈塑性階段

細粒砂巖曲線到達其峰值強度以近似直線的方式，而粗粒砂巖曲線仍具有一定的平滑區(qū)域在到達峰值強度前，粗粒砂巖和細粒砂巖相比有較大的塑性變形。細粒砂巖彈塑性階段較短，近乎沒有出現(xiàn)。

2.2.4 破壞階段

試件到達峰值強度后很快破壞，細粒砂巖瞬間破裂，且破裂時伴隨有巨大爆裂聲。粗粒砂巖破壞時的應變值較大，說明在承受載荷后具有較高的變形特性。

2.3 粒徑對孔隙砂巖力學特性影響分析

試驗結果表明，細粒砂巖的單軸抗壓強度是粗粒砂巖的21.34倍，彈性模量為粗粒砂巖的10.24倍，密度為粗粒砂巖的1.33倍（表3）。細粒砂巖粒徑小，內(nèi)部構造嚴密，密實性好，膠結強度高，宏觀上也呈現(xiàn)出很強的力學性質。而粗粒砂巖粒徑大，內(nèi)部結構松散，膠結強度弱，宏觀力學性能低。可見，粒徑是影響巖石力學性能的重要因素。

3 粒度對砂巖破壞模式的影響分析

3.1 表面宏觀裂紋形態(tài)分析

采用全局閾值法中的大津法對高速攝影試驗結果進行圖像處理和分析。大津法的基本原理是：通過設定閾值，將圖像分割為兩組，一組灰度對應目標，另一組灰度對應背景，則這兩組灰度值的類間方差最大，類內(nèi)方差最小。對于巖樣破壞過程產(chǎn)生的裂紋而言，裂紋即為目標，除裂紋外的其他部分即為背景。通過圖像分割，可準確提取裂紋，展現(xiàn)巖樣破壞過程中裂紋的萌生、擴展、貫通和破壞的全過程，并對巖樣破壞過程進行定量分析。對兩種不同粒度孔隙砂巖破壞過程圖像進行二值化處理結果如圖7～圖8所示。

根據(jù)二值化圖像處理結果可直觀地觀察巖樣破壞過程中裂紋形態(tài)及變化特征。細粒砂巖B1在開始加載至89.77 MPa時，經(jīng)歷時間1 228.64 s，在巖樣右下角產(chǎn)生翼裂紋（圖7（a））;繼續(xù)加載至應力達到100.46? MPa，在1 285.58 s時該裂紋擴展接近貫通（圖7（b））;在加載時間到達1 356.52 s時，巖樣應力達到103.14 MPa，砰的一聲，巖石碎裂，巖塊四濺，產(chǎn)生巨響，在破壞瞬間產(chǎn)生強大的的動力效應，在工程實踐中應對這種情況加以預防。

粗粒砂巖E5在加載到4.85 MPa時，經(jīng)過520.83 s在巖樣下方中部萌生單裂紋（圖8（a））;繼續(xù)加載至601.32 s時，該裂紋僅沿軸向擴展并無分叉現(xiàn)象（圖8（b））;當加載至5.63 MPa時，裂紋貫通，巖樣破壞（圖8（c））。

綜上，對2種不同粒度孔隙砂巖破壞過程進行對比分析可知，粒度不僅影響巖石的力學性能，對其破壞過程也產(chǎn)生巨大差異。細粒砂巖破壞時巖塊飛濺而粗粒砂巖則沒有，細粒砂巖在加載過程中吸收能量較多，在破壞的瞬間急劇釋放，宏觀上表現(xiàn)為脆性破壞。粗粒砂巖從宏觀裂紋產(chǎn)生至破壞時間歷程較長，產(chǎn)生較大的應變，具有較強的塑性形變。

3.2 粒度對孔隙砂巖破壞模式的影響機理分析

孔隙砂巖的微細觀結構決定其宏觀力學特性，其最基本構成單位為顆粒，大小差異引起砂巖內(nèi)部空間結構的不同，如圖9所示為其微觀示意圖。細粒砂巖含有碎屑礦物顆粒較多，有膠結作用的黏土性礦物顆粒含量較少，粗粒砂巖則相反。

如圖10所示，細粒砂巖粒度較小，碎屑顆粒平均密度高，整體密實性較好，微觀成分之間接觸面積較大，膠結作用強，宏觀上表現(xiàn)出較大的抗壓強度，但其殘余試件完整性偏低，試件崩解、解體特性嚴重;粗粒砂巖則相反，顆粒粒徑較大，膠結作用較弱，殘余試件完整性較好?？紫渡皫r的顆粒粒度、膠結方式、組構特點、礦物成分等微細觀特征，引起其宏觀物理力學特性差異較大，進而形成不同的破壞過程及破壞模式。

細粒砂巖B1、B2、B3破壞模式如圖11所示，3個細粒砂巖均沿主剪切貫通面，主裂紋有分叉，表現(xiàn)為剪切破壞。而粗粒砂巖C5、D5、E5破壞模式如圖12所示，3個粗粒砂巖均沿一條主裂紋劈裂破壞，主裂紋無分叉，巖樣破壞時能夠保持較好的完整性，表現(xiàn)為劈裂破壞。

4 結 論

1）兩種不同粒度巖樣的應力-應變曲線均經(jīng)過壓密階段、彈性階段、彈塑性階段以及破壞階段，但在彈性變形期間，細粒砂巖加載過程比粗粒砂巖長;細粒砂巖曲線到達其峰值強度以近似直線的方式，而粗粒砂巖曲線仍具有一定的平滑區(qū)域;細粒砂巖彈塑性階段較短。

2）粒徑對巖樣整個破壞過程有重要影響。細粒砂巖在單軸壓縮荷載作用下。第1條宏觀裂紋產(chǎn)生后，巖樣應力迅速到達峰值強度，且裂紋快速分叉。彈性變形階段所積聚的彈性能在巖樣破壞時瞬間釋放，使得細粒砂巖在破壞時產(chǎn)生很強的動力效應。而粗粒砂巖從宏觀裂紋產(chǎn)生至巖樣破壞過程中，裂紋擴展慢，主裂隙無分叉，裂紋形態(tài)簡單且變化慢。粗粒砂巖孔隙大，膠結差，利于能量耗散，因而破壞時能量散發(fā)較為緩和，沒有巖屑飛濺等動力效應。

3）單軸荷載作用下的高速攝影實時觀測試驗中的細粒砂巖B1、B2、B3殘余試件完整性較差，而粗粒砂巖C5、D5、E5完整性較好。細粒砂巖B1、B2、B3單軸壓縮破壞模式表現(xiàn)為剪切破壞，而粗粒砂巖C5、D5、E5表現(xiàn)為劈裂破壞。

4）本文初步分析了單軸壓縮荷載作用下粒度對受荷砂巖破壞過程及破壞模式的影響，今后應考慮更多因素開展不同荷載條件下的試驗，更全面系統(tǒng)地分析粒度對砂巖破壞過程及破壞模式的影響規(guī)律。

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