排水條件對砂巖力學(xué)及其變形局部化特性影響試驗研究

許 江 ，曹 琦 ，彭守建 ，陳奕安 ，張倩文 ，饒豪魁

（1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室, 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)合工程實驗室, 重慶 400044）

0 引 言

地下水滲流場和應(yīng)力場之間的相互作用和影響被稱之為滲流-應(yīng)力耦合。工程巖體在滲流場與應(yīng)力場的共同作用下其力學(xué)性質(zhì)與單一場作用下的力學(xué)性質(zhì)有所差別[1-2]。因此，開展巖石在水力耦合作用下的破壞特性研究，對預(yù)防隧道圍巖坍塌、堤壩塌陷等具有實際意義。

國內(nèi)外學(xué)者在巖石滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石的各項性質(zhì)展開了不少研究，得到了很多成果。曾晉[3]分析了黏土巖在不同地質(zhì)環(huán)境下的變形特征、滲透特性、損傷及聲發(fā)射演化特征。孫文吉斌[4]得到頁巖中局部化帶的出現(xiàn)對滲透率有抑制作用。張超等[5]從力學(xué)角度解釋了巖體漸進性破壞過程，并揭示了滲流-應(yīng)力耦合試驗中巖體的致災(zāi)演變規(guī)律。劉曉冬[6]對煤樣和頁巖試件進行了不同應(yīng)力條件下的實驗,分析了不同應(yīng)力條件下煤樣和頁巖試件的力學(xué)特性、滲流特性及孔裂隙演化規(guī)律。KOU等[7]揭示了巖石三維碎片的分形維數(shù)與其最大滲透性之間存在正相關(guān)。HAMIEL 等[8]分析了在剪切作用條件下巖石的非線性特征、膨脹特性及孔隙水壓力的變化。XIAO 等[9]通過滲流-應(yīng)力耦合試驗分析了巖石的變形破壞及滲流特性，進而探究了巖石在滲流-應(yīng)力耦合作用下的破壞機制。張培森等[10-13]推導(dǎo)出巖石損傷指標(biāo)與滲透率的關(guān)系式，揭示了滲透率隨巖石損傷指標(biāo)變化的演化規(guī)律。

在研究巖石變形局部化時，采取CT 掃描、數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)等技術(shù)手段對變形局部化的形成進行觀測及定性、定量分析，并取得了大量的研究成果。TANG 等[14]采用3D-DIC 系統(tǒng)研究了凝灰?guī)r在壓-拉循環(huán)荷載過程中變形局部化的演化過程，并分析了裂紋擴展對巖石的力學(xué)特征參數(shù)以及能量耗散的影響。SHARAFIFISAFA[15]、 ALIABADIAN 等[16]采用DIC 技術(shù)分別研究了巴西劈裂條件下的3D 打印巖石試樣和砂巖圓盤的裂紋萌生和擴展過程。宋義敏等[17]基于數(shù)字散斑相關(guān)方法和有限元法（DSCM-FEM）進行了相似模型力學(xué)參數(shù)反演方法研究，使得散斑域內(nèi)位移測量值和位移仿真值在數(shù)值上和規(guī)律上都吻合。楊小彬等[18]利用數(shù)字散斑相關(guān)方法，分析了巖石在等幅循環(huán)加載過程中試件變形局部化帶位移演化規(guī)律。王學(xué)濱等[19]采用數(shù)字圖像相關(guān)方法研究了單軸壓縮煤樣應(yīng)變局部化過程，并發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)變和最大主應(yīng)變的變異系數(shù)可以用來較好識別巖石變形局部化的啟動。大久保誠介等[20]研發(fā)了3DDIC 系統(tǒng)，利用散斑圖像技術(shù)，盡可能在較大范圍內(nèi)捕捉試驗表面的變形并進行分析，且驗證了其測量結(jié)果的可靠性。

由于巖石試驗觀測設(shè)備的限制，有關(guān)砂巖在不同排水條件作用下的表面變形局部化特性研究還較少涉及。鑒于此，筆者基于可視化三軸壓縮伺服控制系統(tǒng)和3D-DIC 觀測系統(tǒng)，開展了不同排水條件下的砂巖三軸壓縮試驗，對不同排水條件下砂巖的表面變形場、力學(xué)特性、滲流特性、局部化帶內(nèi)外應(yīng)變差值演化規(guī)律及其破裂面微觀形貌進行分析。

1 試驗方法

1.1 試件制備

試驗所需巖樣為砂巖（沉積巖），取自重慶市井口鎮(zhèn)，質(zhì)地較為均勻，平均孔隙率為12.32%。經(jīng)X射線衍射（XRD）獲得其礦物主要成分為石英、鈉長石、鉀長石、白云母和綠泥石。按照國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）標(biāo)準(zhǔn)[21]對巖塊進行取芯、切割、研磨，將試件制備成?25 mm×50 mm 的圓柱形試件，端面平整度控制在0.02 mm 之內(nèi)。對加工好的試件進行波速測定，平均P 波波速為3 172 m/s，篩選波速相近的試件用于試驗。對篩選后的試件在其側(cè)面涂上防水膠以及制作適用于3D-DIC 系統(tǒng)的散斑，如圖1 所示。表1 為砂巖在單軸壓縮下的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 單軸壓縮下砂巖的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of sandstone under uniaxial compression

圖1 制備完成的砂巖試件Fig.1 Processed sandstone specimen

1.2 試驗設(shè)備

試驗所用設(shè)備為可視化三軸壓縮伺服控制試驗系統(tǒng)[22]，如圖2 所示。其中加載系統(tǒng)主要由軸向加載機架、軸壓油源系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、水壓加載系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的最大軸向荷載為500 kN，最大軸向位移為10 mm。3D-DIC 系統(tǒng)包含圖像采集系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)、采集控制及分析系統(tǒng)，其中采集系統(tǒng)的6 臺工業(yè)相機兩兩組合均勻分布于透明三軸圍壓室周圍。水壓加載系統(tǒng)采用ISCO 公司生產(chǎn)的260D 型柱塞泵，其流量范圍為0.001～107 mL/min，壓力范圍為0.07～51.7 MPa，外接數(shù)據(jù)采集卡，采用DAM3000型高級測控系統(tǒng)來對滲流數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。圖3a、圖3b 分別為在排水條件下和不排水條件下三軸圍壓室出口處的狀態(tài)，排水條件下將出口處打開，允許流體通過，不排水時對其進行密封處理。

圖2 可視化三軸壓縮伺服控制試驗系統(tǒng)Fig.2 Visualize the three-axis compression servo control test system

圖3 不同排水條件示意Fig.3 Schematic diagram of different drainage conditions

1.3 試驗方案及試驗步驟

本次試驗設(shè)置圍壓恒定為6.0 MPa，在排水條件和不排水條件下，進水口水壓均分別設(shè)定為0、2.0 、3.5、5.0 MPa，出水口則按照是否排水設(shè)定打開或封閉，試驗方案見表2。

表2 試驗方案Table 2 Experimental conditions

具體試驗步驟如下：

1）對砂巖試件進行3D-DIC 系統(tǒng)使用前的預(yù)處理，在試件側(cè)面涂抹防水膠，并制作人工散斑（白底黑斑），使噴漆與試件表面充分貼合后，將帶有散斑的試件放置于真空飽水器中，飽水48 h 至試件完全飽水后開展試驗。

2）將飽水狀態(tài)的試件放置于三軸圍壓室的上下端塊之間，并套上透明熱縮管后使用熱風(fēng)槍均勻吹緊，確保熱縮管與巖樣表面保持緊密接觸，再用防水膠對兩端的縫隙處進行密封，待防水膠充分凝固后進行圍壓室的組裝，若進行排水狀態(tài)下的試驗，則將出水口打開，使其連接大氣壓，若進行不排水條件下的試驗，則使用生料帶和螺帽封住出水口。

3）打開加載系統(tǒng)和3D-DIC 系統(tǒng)的控制硬件和軟件，先施加6.0 MPa 的軸壓和6.0 MPa 圍壓，再施加試驗方案所設(shè)定的水壓，并保持3 h 使試件內(nèi)部的水壓分布達(dá)到動態(tài)平衡，再開始三軸壓縮試驗。

4）對破壞后的砂巖試件破裂面拍照并取樣進行電鏡掃描（SEM），以分析滲流-應(yīng)力耦合作用下不同排水條件對于砂巖斷裂面微觀形貌的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 砂巖表面變形場云圖演化

根據(jù)3D-DIC 系統(tǒng)采集的試件受載破壞全過程的表面圖片，分析滲流-應(yīng)力耦合作用下砂巖表面變形場云圖的演化規(guī)律。應(yīng)變場云圖中的顏色能夠反映應(yīng)變值的大小及其分布區(qū)域，其色度條以拉伸為正值，壓縮為負(fù)值。根據(jù)巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線選取6 個具有代表性的時間點，分別為加載起始點（A點），彈性階段的起始點（B點），屈服點（C點），應(yīng)力峰值點（D點），出現(xiàn)貫通裂紋的點（E點），殘余強度點（F點）。圖4 為巖石在排水條件下圍壓6.0 MPa、滲透水壓2.0 MPa 時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，展示了6 個特征點在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的位置，其他條件下的特征點選點與該條件一致。

圖4 變形場云圖演化特征點選取Fig.4 Selection of evolution feature points of deformation field cloud map

在排水條件下，以滲透水壓為2.0 MPa 下砂巖三軸壓縮過程中的6 個特征點徑向應(yīng)變云圖為例進行砂巖變形局部化演化分析，如圖5 所示。砂巖在滲流-應(yīng)力耦合作用下6 個特征時刻點徑向應(yīng)變場云圖較好地展示了巖樣3 個面（L1、L2、L3）的變形局部化漸進破壞特征。A點為加載起始點，云圖呈現(xiàn)出均勻的綠色，此時還沒有產(chǎn)生變形；B點為砂巖彈性階段的起始點，云圖分布較為均勻，忽略噪點的影響，面上出現(xiàn)了一些零散的點，表明巖石表面已經(jīng)開始出現(xiàn)徑向變形；C點為巖石的屈服點，較B點而言出現(xiàn)了部分徑向應(yīng)變增大的現(xiàn)象，黃色的點增多；D點為應(yīng)力峰值點，此處變形逐漸增大，黃色區(qū)域逐漸擴大，但尚未形成變形局部化帶；E點處巖石出現(xiàn)宏觀裂紋， L1 面呈現(xiàn)一條完整變形局部化帶，L2 和L3面拼湊起來形成一條與L1 面對稱的變形局部化帶，說明變形局部化帶出現(xiàn)在峰后階段；F點為巖石的殘余變形強度點，受圍壓的限制作用，其變形局部化帶較E點略有增大，但變化不太明顯。圖6 為在排水條件下，滲透水壓2.0 MPa 下砂巖三軸壓縮過程中的軸向應(yīng)變場云圖。在峰值強度之前，試件的軸向應(yīng)變變化比徑向應(yīng)變明顯，試件呈整體被壓縮的趨勢。軸向應(yīng)變場在E點后的演化規(guī)律與徑向應(yīng)變場相似，其變形局部化帶內(nèi)區(qū)域呈藍(lán)色。

圖5 排水條件下不同時刻的徑向應(yīng)變場云圖（水壓為2.0 MPa）Fig.5 Cloud diagram of radial strain field at different times under drainage conditions (the seepage pressure is 2.0 MPa)

圖7 為不同排水條件下砂巖在F點時刻的徑向應(yīng)變場云圖，圖8 為不同排水條件下砂巖在F點時刻的軸向應(yīng)變場云圖，不同排水條件下的云圖均采用相同的色度條，由巖石破壞形態(tài)可知巖石在6 種排水條件下均發(fā)生剪切破壞，破壞產(chǎn)生的斷裂面為單一斜剪切結(jié)構(gòu)面。逐一對比相同滲透水壓時在排水條件和不排水條件下的云圖，試件在不排水狀態(tài)下其流體質(zhì)量處于一種極限狀態(tài)，徑向變形的趨勢越明顯，形成的變形局部化帶更寬，即大應(yīng)變的區(qū)域面積更大。這是由于在不排水的條件下，其滲流通道處于封閉狀態(tài)，水流不能將巖石內(nèi)部的礦物顆粒帶走，其不溶或難溶性礦物顆粒移動到巖石裂紋發(fā)展處并產(chǎn)生作用力，促使巖石裂隙的生成與擴展[23]。由于巖石內(nèi)部流體質(zhì)量不變以及孔隙的隨機分布，巖石內(nèi)部裂紋起裂處所承受的力不均勻，導(dǎo)致裂紋擴展的范圍更大，表現(xiàn)出2 條變形局部化帶不完全對稱的現(xiàn)象。而在排水條件下，巖石內(nèi)部的滲透水壓具有連貫性，在軸壓、圍壓以及孔隙水壓的綜合作用下，巖石發(fā)生剪切破壞的特征更明顯，裂紋斷裂區(qū)域更加集中，其變形局部化帶展現(xiàn)出對稱的趨勢[24]。

2.2 排水條件對砂巖力學(xué)特性的影響

通過3D-DIC 技術(shù)，在變形場云圖上布置虛擬應(yīng)變片來獲得應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)，圖9 為不同排水條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)參數(shù)演化規(guī)律曲線。

圖9 不同排水條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)參數(shù)演化曲線Fig.9 Stress-strain curves and evolution curves of mechanical parameters under different drainage conditions

從圖9a 可以看出，在相同的加載速率下，巖石在不排水條件下峰值強度出現(xiàn)的時間早于排水條件下峰值強度出現(xiàn)的時間，即巖石在不排水條件下更容易被破壞。從圖9b—圖9d 可以看出，巖石的峰值強度隨滲透水壓的增大而減小，彈性模量、泊松比隨滲透水壓的增大而增大，巖石在常規(guī)三軸壓縮下的峰值強度高于有滲透水壓作用時的值，排水條件下的彈性模量高于常規(guī)三軸壓縮下的值，不排水條件下的彈性模量低于常規(guī)三軸壓縮下的值，常規(guī)三軸壓縮下的泊松比低于有滲透水壓作用時的值。對比不同排水條件下的各力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，不排水條件下的峰值強度低于排水條件下的值，其均值約低了12 MPa，在滲透水壓2.0、3.5、5.0 MPa 下，不排水比排水條件下峰值強度分別減少了14.9%，18.13%和20.23%，且隨著滲透水壓的增大其弱化現(xiàn)象越明顯，這是由于巖石在不排水時受到更明顯的應(yīng)力集中，更容易發(fā)生破壞所致，說明巖石在受到水壓作用但流體不能流出巖石內(nèi)部時，發(fā)生失穩(wěn)破壞的風(fēng)險更大。巖石在不同排水條件下峰值強度被弱化的現(xiàn)象與王偉等[25]的研究結(jié)果一致。排水條件下的彈性模量大于不排水時的值，且隨著滲透水壓的增大其在排水條件下的增值明顯，不排水條件下的增值不明顯，致其差值越來越大，相應(yīng)地巖石在排水條件下更不容易變形，故其在排水條件下產(chǎn)生的變形局部化現(xiàn)象相對較弱，這與前文其變形局部化帶所呈現(xiàn)的結(jié)果相對應(yīng)。泊松比在低滲透水壓時不排水條件下的值高于排水條件下的值，但隨著滲透水壓的增大，排水條件下的增幅更明顯，當(dāng)滲透水壓為5.0 MPa 時，不排水條件下的泊松比高于排水條件下的泊松比。在滲透水壓的作用下，巖石的峰值強度被弱化，即所能承受的軸壓減小，滲透水壓越大，巖石內(nèi)部孔隙水流量越多，其徑向變形的趨勢越大，故其泊松比也隨之增大。

2.3 排水條件對砂巖的滲透特性的影響

當(dāng)砂巖處于不排水條件時，出水口處于封閉狀態(tài)，故不討論不排水條件下砂巖的滲透特性，僅討論排水條件下砂巖的滲流特性。本文選用穩(wěn)態(tài)法測試砂巖的滲透率，根據(jù)水壓加載系統(tǒng)所采集到的滲流量，利用達(dá)西定律計算出試驗時間內(nèi)的滲流率，公式為

式中：k為砂巖在 Δt時間內(nèi)的平均滲透率，m2；μ為水的動力黏滯系數(shù)，取μ= 100.5×10-5Pa·s（溫度T=20 ℃）； ΔQ為 Δt時間內(nèi)滲過砂巖試件的水流體積，m3；L為砂巖高度，m；A為試件橫截面面積，m2；ΔP為巖樣滲流上、下游滲透壓差，ΔP=P1-P2，P1 和P2分別為滲流上、下游壓力，Pa；Δt為記錄點間隔時間，s。

圖10 為排水條件下砂巖滲透率隨時間的變化曲線，由圖10 可知，在加載初期，滲透率出現(xiàn)略微的下降，這是因為巖石處于壓密階段，巖石的內(nèi)部孔隙作為流體的滲流通道在應(yīng)力的作用下而閉合，由于在試驗開始前已經(jīng)對試件施加了3 h 的圍壓和水壓，導(dǎo)致其被壓縮閉合的階段表現(xiàn)得并不明顯。而隨著巖石應(yīng)力的加載，巖石內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂紋，微裂紋之間相互連接形成裂隙，且礦物顆粒被水流帶走形成孔洞，從而形成新的滲流通道，滲透率也隨之增大。當(dāng)砂巖出現(xiàn)宏觀裂紋時，砂巖內(nèi)部存在穩(wěn)定的滲流通道，滲流量出現(xiàn)迅速增長的現(xiàn)象。試樣發(fā)生破壞后，停止試驗的第一步即為停止水壓，此時砂巖受到軸壓、圍壓的作用，滲透率迅速下降。對比不同滲透水壓下的滲透率變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著滲透水壓的增大，砂巖滲透率的最大值出現(xiàn)的時間點就越早，這是因為隨著滲透水壓的增大，在試驗加載過程中巖石受到的軸壓不斷增大，試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋后，水不斷流動和填充，水壓越大使得其微裂紋擴展更迅速，相應(yīng)更早進入損傷屈服階段，砂巖出現(xiàn)貫通裂紋的時間更早，這與砂巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的規(guī)律一致。巖石在同一圍壓不同滲透水壓下其滲透率的變化規(guī)律與其他學(xué)者[26]的研究結(jié)果具有一致性。

圖10 排水條件下滲透率隨時間演化曲線Fig.10 Evolution curve of permeability with time under drainage conditions

2.4 排水條件對變形局部化啟動應(yīng)力的影響

通過3D-DIC 技術(shù)，可以在觀測面的任意位置布置虛擬應(yīng)變片，為獲得砂巖由均勻變形向非均勻變形轉(zhuǎn)化的應(yīng)力水平，在主應(yīng)變場云圖的變形局部化帶內(nèi)外布置了虛擬應(yīng)變片，其布置方式如圖11 所示。

圖11 虛擬應(yīng)變片布置示意Fig.11 Schematic diagram of the arrangement of virtual strain gauges

在徑向應(yīng)變云圖中，在試件中部由左至右布置一條虛擬應(yīng)變片作為E1，在變形局部化帶內(nèi)由上至下布置等長的3 條虛擬應(yīng)變片E21、E22、E23，取其均值E2 作為變形局部化帶內(nèi)的應(yīng)變值，在變形局部化帶外布置一條與E2 等長的虛擬應(yīng)變片E3，作為變形局部化帶外的應(yīng)變值。在軸向應(yīng)變云圖中，在試件中部由上至下布置一條虛擬應(yīng)變片作為E4，在變形局部化帶內(nèi)由上至下布置等長的3 條虛擬應(yīng)變片E51、E52、E53，取其均值E5 作為變形局部化帶內(nèi)的應(yīng)變值，在變形局部化帶外布置一條與E5 等長的虛擬應(yīng)變片E6，作為變形局部化帶外的應(yīng)變值。

圖12，13 和14 分別為不同位置處的虛擬應(yīng)變片在滲透水壓2.0、3.5、5.0 MPa 條件下砂巖的變形局部化帶內(nèi)外應(yīng)力差-應(yīng)變曲線。其中圖12a、圖13a、圖14a 為應(yīng)力差-徑向應(yīng)變曲線，圖12b、圖13b、圖14b為應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線。由圖12—圖14 可知，在峰值強度前，不同排水條件下的徑向應(yīng)變E1、E2、E3 曲線的應(yīng)變值均隨應(yīng)力的增大近似呈線性增加，表明巖石處于彈性階段，表面還未出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋，這與應(yīng)變場云圖觀測到的結(jié)果一致。在峰值強度之后，E1、E2 的應(yīng)變值均增大，但位于變形局部化帶內(nèi)的E2 的增值遠(yuǎn)大于整體E1 的增值，而位于變形局部化帶外的E3 的值則略有縮小，即出現(xiàn)彈性卸載現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表明在峰后階段變形局部化帶內(nèi)外的應(yīng)變值相差很大，且?guī)?nèi)的應(yīng)變遠(yuǎn)大于帶外的應(yīng)變。局部化帶外區(qū)域發(fā)生的應(yīng)變屬于彈性應(yīng)變，在應(yīng)力加載階段，其吸收的能量以彈性應(yīng)變能儲存起來，到達(dá)應(yīng)力閾值時，帶外區(qū)域?qū)⒆陨淼哪芰恳詮椥阅艿姆绞结尫诺綆?nèi)區(qū)域促進宏觀裂紋的發(fā)展，巖石發(fā)生剪切破壞。從峰后階段E1、E2、E3 的差值可知，巖石的整體徑向應(yīng)變反映的是變形局部化帶和帶外未破壞區(qū)域的綜合應(yīng)變關(guān)系，而不能體現(xiàn)巖石變形局部化帶內(nèi)外區(qū)域應(yīng)變的差異性。對比各條件下應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律和徑向應(yīng)變的演化具有一致性。

圖12 滲透水壓2.0 MPa 下砂巖變形局部化帶內(nèi)外主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線Fig.12 Main stress difference-strain curve of sandstone deformation localization zone under seepage pressure of 2.0 MPa

圖13 滲透水壓3.5 MPa 下砂巖變形局部化帶內(nèi)外主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線Fig.13 Main stress difference-strain curve of sandstone deformation localization zone under seepage pressure of 3.5 MPa

圖14 滲透水壓5.0 MPa 下砂巖變形局部化帶內(nèi)外主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線Fig.14 Main stress difference-strain curve of sandstone deformation localization zone under seepage pressure of 5.0 MPa

根據(jù)砂巖變形局部化帶內(nèi)外的三條不同位置處的徑向、軸向應(yīng)變曲線，繪制應(yīng)變差值曲線，圖15 為在排水條件下，滲透水壓為2.0 MPa 時的變形局部化帶內(nèi)外的應(yīng)變差值演化曲線，將在相同排水條件下的徑向、軸向應(yīng)變差值曲線繪制在同一圖中，可以確定該條件下的徑向、軸向變形局部化啟動應(yīng)力。在加載初期，各差值基本為0，隨著加載的進行，曲線會出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，此時巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微裂紋開始萌生、擴展，將該分叉點所對應(yīng)的應(yīng)力稱為變形局部化啟動應(yīng)力[27]。

圖15 變形局部化帶內(nèi)外應(yīng)變差值演化曲線Fig.15 Evolution curve of the difference between internal and external strains in the deformation localization zone

根據(jù)分叉點所確定的變形局部化啟動點的應(yīng)力值及應(yīng)力水平見表3。由表3 可知，滲透水壓相同時，巖石在排水條件下的徑向啟動應(yīng)力水平、軸向啟動應(yīng)力水平均高于不排水條件下的值，徑向啟動應(yīng)力水平的均值從98.08%變化為96.23%，其均值低了1.85%，軸向啟動應(yīng)力水平的均值從97.02%變化為94.81%，其均值低了2.21%。隨著滲透水壓從2.0 MPa 增加到5.0 MPa，巖石在排水條件下的徑向、軸向啟動應(yīng)力水平的增值分別為1.52%、1.32%，在不排水條件下的徑向、軸向啟動應(yīng)力水平的增值分別為2.52%、1.88%，說明不論巖石排水或不排水，其變形局部化徑向、軸向啟動應(yīng)力水平均隨滲透水壓的增大而增大，即啟動的時間點更提前，巖石在不排水的條件下啟動應(yīng)力水平受滲透水壓的影響更明顯。將其在排水條件下的變化規(guī)律與彭守建等[26]的研究結(jié)果對比可知，在同一圍壓下，巖石的啟動應(yīng)力水平隨著滲透水壓的增大而增大，結(jié)合其研究結(jié)果可知，當(dāng)滲透水壓相同時，其啟動應(yīng)力水平隨著圍壓的增大而減小。對比不同條件下巖石的徑向、軸向變形局部化啟動點可知，無論在何排水條件下徑向變形局部化啟動點始終高于軸向變形局部化啟動點。

表3 不同排水條件下變形局部化啟動點相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics on the parameters related to the start point of deformation localization under different drainage conditions

為定量分析不同排水條件對變形局部化啟動應(yīng)力的影響，對表3 中的數(shù)據(jù)進行了回歸擬合，結(jié)果見表4。據(jù)擬合結(jié)果可知，巖石在排水條件下的啟動應(yīng)力水平與滲透水壓呈指數(shù)型回歸，巖石在不排水條件下的啟動應(yīng)力水平與滲透水壓呈較好的線性關(guān)系，巖石處于排水及不排水條件時，其徑向的擬合結(jié)果優(yōu)于軸向的擬合結(jié)果，巖石在不排水條件下的啟動應(yīng)力及應(yīng)力水平受滲透水壓的影響比排水時更敏感。

表4 應(yīng)力水平和排水條件之間的擬合結(jié)果Table 4 Fitting result between stress levels and drainage conditions

2.5 巖石破裂面及微觀特征分析

圖16 為各排水條件下發(fā)生破壞后的試樣，試驗結(jié)束后，去除熱縮管時，部分散斑被熱縮管帶走，故其表面散斑呈不完整狀態(tài)，通過觀察可知，其宏觀裂紋呈單一剪切破壞，和表面變形場云圖所呈現(xiàn)的變形局部化帶一致。圖17 為水壓為2.0 MPa 時的巖石破裂面，在不排水的條件下巖石發(fā)生宏觀破壞前其滲流通道不具有連續(xù)性，可見在不排水條件下巖石的顆粒感更強，破裂面表面更粗糙，后續(xù)將結(jié)合電鏡掃描進一步分析其結(jié)構(gòu)上的差異。

圖16 不同排水條件下破壞后的試件Fig.16 Damaged specimens under different drainage conditions

圖17 不同排水條件下的巖石破裂面（水壓2.0 MPa）Fig.17 Rock fracture surface under different drainage conditions (water pressure 2.0 MPa)

選取不同排水條件下的巖石試件，對破裂面進行電鏡掃描，放大倍數(shù)為500 倍，如圖18 所示。以滲透水壓2.0 MPa 為例，在巖石斷裂面上選擇2 個不同的位置進行觀察。

圖18 不同排水條件下的SEM 掃描Fig.18 SEM scan under different drainage conditions

從圖18 可以看出，巖石在排水條件下，水流將巖石內(nèi)部的礦物顆粒帶走，膠結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙發(fā)育，顆粒間的裂紋聯(lián)通，破裂面光滑，礦物結(jié)構(gòu)表面顆粒松散，其形成的孔洞較大，而在不排水條件下，水流將巖石內(nèi)部的不溶或難溶性物質(zhì)帶到巖石裂紋發(fā)展處，顆粒表面有片狀巖屑附著，膠結(jié)基質(zhì)中發(fā)育微裂紋，基質(zhì)溶蝕形成孔洞，但相對于排水條件下的孔洞較小。巖石內(nèi)部由于存在孔洞、微裂隙等，就會產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生破裂，結(jié)合巖石表面變形場云圖及電鏡掃描的結(jié)果可知，巖石在不排水條件下的應(yīng)力集中現(xiàn)象比在排水條件下更明顯。

3 結(jié) 論

1）隨著滲透水壓的增大，砂巖的峰值強度減小，彈性模量、泊松比增大，排水條件下其滲透率最大值出現(xiàn)的時間越早。由于巖石在不排水時受到更明顯的應(yīng)力集中更易發(fā)生破壞，滲透水壓相同時，不排水條件下的峰值強度比排水條件下均值低12 MPa。排水條件下的彈性模量大于不排水時的值，且隨著滲透水壓的增大其差值愈發(fā)明顯。

2）當(dāng)水壓相同時，砂巖在不排水條件下的變形局部化帶比在排水條件下的變形局部化帶更寬，即宏觀裂紋更明顯。巖石在排水條件下破裂面光滑，由于水流帶走了巖石內(nèi)部的礦物顆粒，其孔洞更大，而在不排水條件下，巖石破裂面有巖屑附著，由于水的物理潤滑、化學(xué)弱化等作用，促使微裂紋更快發(fā)育擴展，使得巖石更早產(chǎn)生宏觀裂紋。

3）無論在何排水條件下徑向變形局部化啟動點始終優(yōu)先于軸向變形局部化啟動點。巖石在排水條件下的徑向啟動應(yīng)力水平、軸向啟動應(yīng)力水平均高于不排水條件下的值，平均分別提高了1.85%和2.21%。水壓相同時，巖石在不排水條件下的啟動應(yīng)力及應(yīng)力水平受滲透水壓的影響更顯著。