高濕環(huán)境平行雙裂隙砂巖單軸壓縮破壞及裂紋擴(kuò)展特性

　　摘要：深部裂隙礦柱長期受高濕環(huán)境中水分子所侵蝕，其化學(xué)動力過程與礦房穩(wěn)定性及控制地表沉降密切相關(guān)。對預(yù)制平行雙裂隙標(biāo)準(zhǔn)砂巖試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗，研究高濕對裂隙砂巖強(qiáng)度變形特性、裂紋演化以及破壞模式的影響，結(jié)合電鏡掃描和 XRD 衍射，分析了試件在高濕環(huán)境水化作用前后的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化和質(zhì)量損失特征。結(jié)果表明：(1)試樣結(jié)構(gòu)疏松程度與濕度成正相關(guān)，濕度升高，試樣表觀致密結(jié)構(gòu)變得松散并伴有次生孔隙發(fā)育，形成模糊的層間界面，且微裂隙數(shù)目增加，質(zhì)量損失率加劇。(2)裂隙砂巖在單軸壓縮下主要有如下三種破壞模式：拉伸破壞;剪切破壞;二者混合型破壞。裂紋萌生的類型主要有以下 4 種：翼形裂紋、反抗拉裂紋以及共面/非共面次級裂紋。其裂紋擴(kuò)展及破壞模式受控于濕度，隨著濕度升高，裂紋起裂應(yīng)力和貫通應(yīng)力降低，宏觀裂紋發(fā)育的整體數(shù)量呈下降趨勢，且其破壞模式由剪切破壞過渡到拉伸破壞。(3)高濕環(huán)境對裂隙砂巖產(chǎn)生水巖化學(xué)作用，減弱了裂隙結(jié)構(gòu)面以及礦物顆粒間的摩擦作用，降低了其峰值強(qiáng)度，峰值應(yīng)變和彈性模量，提高了泊松比，加速了裂隙砂巖的破壞。

　　本文源自陳偉; 萬文; 趙延林; 王衛(wèi)軍; 吳秋紅; 吳小凡; 謝森林， 巖土工程學(xué)報 發(fā)表時間：2021-07-19

　　關(guān)鍵詞：高濕環(huán)境;平行雙裂隙;水化侵蝕;力學(xué)損傷;裂紋擴(kuò)展

　　0 引 言

　　含預(yù)制裂隙巖石材料的力學(xué)特性一直是巖石力學(xué)研究的熱點問題。例如，楊圣奇等[1]以大理巖作為研究對象，從預(yù)制裂隙的幾何形態(tài)入手，包括裂隙的傾角、間距、長度、數(shù)目等參數(shù)，研究了其強(qiáng)度和變形特性，總結(jié)了裂紋擴(kuò)展規(guī)律。袁媛等[2]基于數(shù)字圖像相關(guān)方法，對含填充裂隙的大理巖單軸壓縮過程中的全局應(yīng)變場及位移場進(jìn)行觀測，分析了不同裂隙傾角和不同充填物試樣的變形破壞和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。Bobet 等[3]根據(jù)雙裂隙石膏巖的單軸壓縮試驗結(jié)果，重點分析了試件的強(qiáng)度和變形破壞模式受裂隙貫通和萌生次生裂紋類型的影響規(guī)律。Zhou 等[4]利用 3D 打印技術(shù)制作了裂隙類巖石試樣，并發(fā)現(xiàn)裂隙的幾何形狀對試件的裂紋擴(kuò)展規(guī)律和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。趙延林等[5] 重點研究了類巖石材料強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展模式受控于裂隙開度。以上的諸多研究并未提及巖體所處環(huán)境的變化，隨著淺層礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，資源的開采正穩(wěn)步向地球深部進(jìn)軍。目前為止，對于煤炭、地?zé)帷⒂猩饘?、油氣等資源的開采，其深度已經(jīng)分別超過了 1400 米、3000 米、4350 米以及 7500 米[6]。與淺部相比，深部的采礦環(huán)境變得更加復(fù)雜，地下水的涌水量加大伴隨地溫升高，促進(jìn)蒸發(fā)使得深部礦房的相對濕度會達(dá)到 80%以上[6, 7]。此外，地層經(jīng)過漫長的地質(zhì)構(gòu)造運動，巖體中出現(xiàn)了不同程度的缺陷，如裂隙、節(jié)理和斷層[8]，這些缺陷使得巖體的力學(xué)特性更容易受到高濕環(huán)境的影響。

　　如圖 1 中的石膏巖礦柱存在平行雙裂隙，在高濕環(huán)境的水巖作用下，被氣態(tài)水分子所侵蝕[9]，相較于氣態(tài)蒸餾水而言，含有多種化學(xué)成分的氣態(tài)地下水不僅會對巖體礦物顆粒產(chǎn)生溶解和運移，而且對巖體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致裂隙礦柱的宏觀力學(xué)性能劣化，從而加速其裂紋擴(kuò)展、促進(jìn)巖橋貫通，造成礦柱失穩(wěn)，頂板凹陷，地表沉降，以及房屋開裂[10]。

　　針對水巖作用下裂隙巖體強(qiáng)度特征和變形規(guī)律，學(xué)者們也取得了豐碩的成果。研究表明，安山巖、角閃巖、玄武巖、輝綠巖、輝長巖、花崗巖等[11]，包括主要的造巖礦物，如石英和方解石[9]，在水或水化學(xué)溶液中裂紋擴(kuò)展的速度比空氣中快得多，且由于其水巖作用導(dǎo)致膨脹和外層剝蝕，發(fā)生質(zhì)量損失和結(jié)構(gòu)劣化，導(dǎo)致整體力學(xué)性能發(fā)生改變[12, 13]?？偨Y(jié)其根本原因，在水化學(xué)環(huán)境中，巖石材料的裂紋擴(kuò)展加速主要是由于應(yīng)力腐蝕[14]。

　　目前裂隙巖體的研究主要從四個方面展開，一是載荷類型方式，二是試驗材料，三是裂隙形態(tài)的幾何分布，四是所處環(huán)境特征。前人已經(jīng)圍繞前三種因素做出研究并得出了相對豐碩的成果。而目前關(guān)于水巖作用裂隙巖體的研究大多是針對浸泡相關(guān)溶液后再對巖石試件進(jìn)行荷載作用下展開的，鮮有關(guān)于高濕作用相關(guān)的報道，雖然二者均是流體，但其對裂隙巖體的水巖作用程度以及運移方式不盡相同。根據(jù)上述工程實際，對貴州甕福磷礦穿巖洞礦區(qū)開展水文地質(zhì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)內(nèi)存在弱酸性地下水，礦房內(nèi)的礦柱長期受氣態(tài)水的侵蝕。本文模擬深部高濕環(huán)境，以含預(yù)制平行裂隙的礦柱砂巖作為研究對象，借助 MTS-815 型伺服試驗系統(tǒng)進(jìn)行了單軸壓縮試驗。分析高濕環(huán)境對裂隙砂巖力學(xué)特性的劣化規(guī)律和機(jī)理，并利用高速攝影儀記錄試樣在試驗過程中裂紋擴(kuò)展的力學(xué)響應(yīng)及破壞模式，最后探討了高濕對裂隙的起裂、貫通及相關(guān)參數(shù)影響的異同。

　　1 試驗設(shè)計

　　1.1 試樣制備

　　根據(jù)對貴州甕福磷礦穿巖洞礦區(qū)房柱法開采段 3 號線-750m 中段的環(huán)境監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地下水發(fā)育，且常年礦房相對濕度處于 90%左右(如圖 2(a)、(b)、(c))。在現(xiàn)場以較小的取樣范圍內(nèi)沿沉積構(gòu)造方向鉆孔采取了部分礦柱巖芯(如圖 3(a))，將其制備成 50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件[15]，并在試件上切割長 A=20 mm，寬 2 mm 的平行 2 條預(yù)制穿透裂隙，預(yù)制裂隙傾角 α 均為 45°，兩條預(yù)制裂隙的中點連線垂直于試樣端面，上、下兩排裂隙間的垂直距離(裂隙間距)為 L=23.5mm，巖橋距離以及兩條裂隙中點距離上下端面的垂直距離，均為 B= 33.3 mm(如圖 3(b)和圖 5(c))。裂隙砂巖試件加工完畢后，仔細(xì)檢查其外觀，剔除了外表面具有肉眼可見宏觀特征差異的試樣，以確保本次試驗結(jié)果的可靠性及可比性。因此，最大限度的保證了此批試樣在試驗前具有較小的離散性。

　　試件制備完成后以塑料薄膜進(jìn)行密封包裹，以防止試件風(fēng)化。根據(jù)該砂巖的 XRD 衍射分析結(jié)果可知(如圖 4)，其主要礦物成分由石英，方解石和云母構(gòu)成，次要礦物有鈉長石，蒙脫石、伊利石等，色相為淡黃色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，粒徑相對均勻，呈致密塊狀構(gòu)造。采用煮沸法測定飽和吸水率，經(jīng)計算平均值在 3.6%左右，采用 AiniMR-60 核磁共振分析儀對試件進(jìn)行孔隙率測試，獲得試件的平均孔隙率為 6.27%。

　　1.2 高濕環(huán)境的實現(xiàn)

　　模擬深部高濕環(huán)境是指地下水以氣態(tài)水分子的形式侵入試件的微孔隙內(nèi)。根據(jù)自行申報的專利“巖石力學(xué)實驗溫、濕度環(huán)境控制模擬裝置(專利號： ZL201920979019.3)”[16]，進(jìn)行了加工并投產(chǎn)使用(如圖 5)。該環(huán)境控制模擬裝置為溫濕度控制器(如圖 5 (a))和封閉式的箱體(如圖 5(b))組合而成，通過超聲波將水化學(xué)溶液振動并汽化，通過輸送管道傳輸?shù)较潴w內(nèi)，并采用濕度傳感器以及控制單元，使箱體內(nèi)能夠一直保持預(yù)設(shè)的濕度環(huán)境，由于本文所選礦區(qū)的溫度在 25℃~30℃，以一個較小范圍浮動(如圖 2(a)、(b)、(c))，且本文主要研究濕度對試件的力學(xué)損傷，故設(shè)置其恒定溫度為 25℃。

　　表 1 列出了本次試驗中預(yù)制平行雙裂隙砂巖基本參數(shù)。為了掌握現(xiàn)場酸性地下水溶液對巖石的損傷效應(yīng)，基于現(xiàn)場地下水兩種最大含量的陽離子 Na+和陰離子 Cl-，并依照將反應(yīng)物的濃度進(jìn)行適量的提升而縮短反應(yīng)時間，以達(dá)到加快試驗進(jìn)程的目的[17]，配置了 pH 值為 5 的 NaCl 溶液來模擬現(xiàn)場弱酸性地下水(pH=6.28)對砂巖礦柱的長期侵蝕作用(如圖 5(d))。

　　1.3 加濕與加載程序

　　加工好的預(yù)制平行雙裂隙砂巖試樣采用濕度控制箱進(jìn)行加濕。加濕程序如下：首先將配置的酸性 NaCl 溶液以 1℃/min 升溫至 25℃，然后打開加濕系統(tǒng)將箱體內(nèi)的環(huán)境濕度加到目標(biāo)濕度(80%RH，90%RH 和 100%RH);然后在目標(biāo)溫、濕度狀態(tài)下運行 60d [18];最后，取出試樣，對表面進(jìn)行擦拭，為了保證各巖樣含水率相同以達(dá)到控制變量的要求，基于巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程 DZ/T0276.2-2015[19]，采用真空干燥箱(DZF-2060 型)對巖樣進(jìn)行干燥，干燥溫度設(shè)置為 120℃，烘干 24 小時。

　　采 用 湖南 科技 大學(xué) 南方 煤礦 重點 實驗 室 的 MTS-815 巖石力學(xué)伺服控制試驗機(jī)進(jìn)行干燥后裂隙砂巖試件的單軸壓縮試驗。試件的加載通過 MTS-815 來以荷載方式施加軸向壓力，加壓速率為 0.2kN/s，這樣的加載速率處于一個比較低的水平，使得試件的裂紋起裂、擴(kuò)展、貫通、破壞的詳盡過程被全部記錄。與此同時，為了分析各濕度對試件變形特性的影響，通過軸向、環(huán)向 LVDT 位移計來記錄軸向和環(huán)向的位移。

　　2 各濕度環(huán)境下裂隙砂巖化學(xué)損傷分析

　　2.1 試件宏、微觀損傷分析

　　裂隙砂巖各濕度環(huán)境下 60d 的宏觀特征變化如圖 6 所示。砂巖試件在濕度裝置處理前，進(jìn)行了取芯、切割、拋光，因此干燥密封狀態(tài)下試件的整體結(jié)構(gòu)緊密，顆粒排列規(guī)則，充分包裹于膠結(jié)物中，無肉眼可見的孔洞和微裂隙存在(如圖 6(a))。經(jīng)過三種高濕環(huán)境處理后，出現(xiàn)不同程度的侵蝕痕跡。80%RH 處理下，經(jīng)過 60d 的水化作用，巖樣外表面晶體和膠結(jié)物發(fā)生明顯溶蝕，導(dǎo)致試樣顏色發(fā)生改變(如圖 6(b))。在 90%RH 和 100%RH 的濕度環(huán)境中處理 60d 后，巖樣外表層均出現(xiàn)不同數(shù)量的微裂隙，巖樣外表面變得凹凸不一(如圖 6(c)和(d))。對比來看，100%RH 下的試件表面的微裂隙數(shù)量更多，部分位置的礦物顆粒不再包裹于膠結(jié)物中而是顯現(xiàn)出來，次生孔隙隨著粉狀物的逐漸脫落，而逐步增大，裂隙借此發(fā)育并聯(lián)通，結(jié)構(gòu)因此變得較為松散(如圖 6(d))。

　　微觀上，根據(jù)電子顯微圖 7 可知，干燥試樣顯示出的大多都是片狀和層狀結(jié)晶，其晶體結(jié)構(gòu)比較清晰，均質(zhì)性極好，而且內(nèi)部沒有較大的層間距離，晶粒間排列緊密，基本無微裂隙和微孔隙分布(如圖 7(a))，體現(xiàn)出經(jīng)高濕處理前，其物理力學(xué)性能良好。而試件在經(jīng)過高濕作用之后，其結(jié)構(gòu)變得疏松而且呈現(xiàn)出團(tuán)絮狀或海綿狀的形態(tài)，層次之間不再有明顯的分界，形成大小尺寸不一的“溝壑”，且隨著濕度增高，微裂隙和微孔隙的數(shù)量增多，原先分散的較大尺寸的“溝壑” 互相連通形成微裂隙并伴有蜂窩狀孔隙發(fā)育，巖樣微觀結(jié)構(gòu)損傷愈發(fā)嚴(yán)重(如圖 7(b)、(c)和(d))。

　　可以看出，在其余外部環(huán)境一致情況下，不同濕度環(huán)境對砂巖的侵蝕程度不一樣，表明砂巖對不同濕度的敏感性不同。

　　2.2 試件質(zhì)量損失分析

　　將處理完的巖樣表面用蒸餾水沖洗、擦干并烘干后，用精密天平稱其質(zhì)量。這里，定義質(zhì)量損失因子 D 用以表征裂隙砂巖經(jīng)不同濕度環(huán)境處理前后的質(zhì)量損失程度，令：

　　D M M ? ?? ? ? (1)式中，M0為巖樣初始質(zhì)量，M(t)為巖樣經(jīng)不同濕度環(huán)境處理 td 后的質(zhì)量，ΔM(t)即代表試樣經(jīng)不同濕度環(huán)境處理 t d 前后的質(zhì)量差值。

　　圖 8 給出了每種濕度下的 5 個試件質(zhì)量和質(zhì)量損失因子變化隨濕度的變化。圖 8(a)表明，經(jīng)三種濕度環(huán)境處理過后，裂隙砂巖質(zhì)量均呈下降趨勢，但下降的幅度有所不同，其與濕度值呈負(fù)相關(guān)，即環(huán)境濕度越高，質(zhì)量的損失量增加。如 100%RH 的濕度環(huán)境下，試樣質(zhì)量平均損傷 11.40g，分別是 80%RH 和 90%RH 濕度下的 6.26 和 1.91 倍。同時觀察圖 8(b)發(fā)現(xiàn)，100%RH 下試樣的質(zhì)量損失因子明顯大于其它兩種濕度下的質(zhì)量損失因子，其平均值為 2.72%，分別是 80%RH 和 90%RH 環(huán)境下質(zhì)量損失因子的 6.33 和2.61倍。這說明隨著空氣中酸性水分子數(shù)量的增加，水巖反應(yīng)更激烈、更迅速，導(dǎo)致礦物晶粒間存在的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，以及由于試樣內(nèi)部膨脹出現(xiàn)表面粉末碎屑掉落的現(xiàn)象，從側(cè)面反映了濕度越高對裂隙巖樣的物理結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重。

　　3 高濕環(huán)境下預(yù)制平行雙裂隙砂巖力學(xué)特性劣化規(guī)律

　　3.1 預(yù)制平行雙裂隙砂巖抗壓強(qiáng)度劣化規(guī)律分析

　　根據(jù) 20 組試樣的試驗結(jié)果，表 2 總結(jié)了平行雙裂隙砂巖經(jīng)高濕處理 60 d 后在單軸壓縮下的峰值強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。

　　每種環(huán)境下選取抗壓強(qiáng)度峰值為中位數(shù)的裂隙砂巖作為代表，圖 9(a)展示了其應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯隽严渡皫r在整個受載直至破壞過程中，一共出現(xiàn)了 4 個階段：初始裂隙壓密階段(I)、彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(II)、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段(Ⅲ)和峰后階段(IV)。它們由于試樣所處環(huán)境濕度的不同，其特征也有所差異：(I)初始裂隙壓密階段，曲線凹度隨著濕度的增加而減小，此階段也就是剛受載時新裂隙的產(chǎn)生數(shù)量減少;(II)彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段，隨著濕度的增加，曲線斜率逐漸減小，說明彈性模量也逐漸減小;(III)非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，對比干燥試樣，高濕處理后巖樣的峰值應(yīng)力顯著下降，從 25.09MPa(干燥)下降至 16.44MPa (100%RH)，下降了 34.81%，有應(yīng)力平臺出現(xiàn)在干燥試樣的峰值周圍，但持續(xù)時間較短。這是由于預(yù)制裂隙周邊正在慢慢產(chǎn)生變形及擴(kuò)展所導(dǎo)致的[20];(IV)破裂后階段，干燥試樣在峰后應(yīng)力迅速垂直跌落，呈現(xiàn)出較為明顯的強(qiáng)脆性以及低塑性，說明干燥試樣具有致密性，反觀高濕處理后的試樣由于水巖作用使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，顆粒間膠結(jié)物缺失導(dǎo)致塑性明顯增強(qiáng)。

　　所有巖樣的峰值單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計圖如圖 9(b)所示。從圖 9(b)看出，隨著濕度的增大，裂隙砂巖的峰值應(yīng)力呈遞減變化，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度與濕度關(guān)系曲線逐漸下移，這與以往類似試驗結(jié)果[11]是一致的。

　　3.2 預(yù)制平行雙裂隙砂巖力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律分析

　　一般用來表征試樣力學(xué)變形特性的參數(shù)是彈性模量 E、泊松比 μ，計算結(jié)果如圖 10 所示。

　　圖 9(a)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線在直線段的變形量隨環(huán)境濕度增加基本呈減小趨勢，即高濕削弱了砂巖的彈性模量。砂巖在 90%RH 的環(huán)境中 60d 后，與干燥狀態(tài)相比，彈性模量下降幅度最大，高達(dá) 38.84%，在濕度達(dá) 100%RH 時，試樣的彈性模量均值又有小幅回升，這是由于試樣本身的非均質(zhì)性所造成的(如圖 10)。

　　由圖 10 也可知，裂隙砂巖的泊松比對濕度環(huán)境也比較敏感，其隨濕度的增加呈指數(shù)型增長。在 100%RH 環(huán)境中放置 60d 后，裂隙砂巖的泊松比較干燥狀態(tài)增大了 12.44%。

　　4 預(yù)制平行雙裂隙砂巖裂紋演化及破壞特征

　　4.1 高濕作用過程裂紋擴(kuò)展過程分析

　　裂紋的萌生與擴(kuò)展會導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)波動異常[21]。下面以部分典型巖樣為例，對其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與裂紋擴(kuò)展二者之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

　　圖 11 給出了單軸壓縮下試樣的裂紋擴(kuò)展過程。從圖 11(a)可見干燥砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較光滑。與經(jīng)過高濕處理的巖樣不同，該巖樣曲線的應(yīng)力降主要出現(xiàn)在峰值附近。試樣經(jīng)歷①裂隙壓密階段(σ1= 1.85MPa)后進(jìn)入②彈性變形階段(σ1=16.56MPa)。在②中，其內(nèi)部缺陷和上部預(yù)制裂隙被壓密，下部預(yù)制貫通裂隙并未產(chǎn)生壓密效果。當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到③ (σ1=24.85MPa)時，向下的拉伸裂紋出現(xiàn)在上部預(yù)制裂隙兩側(cè)尖端，從而導(dǎo)致應(yīng)力略微下降。同時，切線模量 Ea 因巖石的支撐結(jié)構(gòu)損傷，其數(shù)值從②點的 4.84GPa 減少到③點的 3.79GPa。之后，應(yīng)力小幅上升至④點(σ1= 24.93 MPa)，此時呈現(xiàn)出的應(yīng)力降幅度較大，下部預(yù)制裂隙被壓密且兩側(cè)尖端發(fā)生快速的裂紋擴(kuò)展，伴隨著向上延伸的趨勢，且此時的應(yīng)力并未達(dá)到峰值，試樣強(qiáng)度還沒有失效。當(dāng)應(yīng)力又一次升至 ⑤點(σ1= 25.09 MPa)時，巖樣沿上部預(yù)制裂隙左尖端產(chǎn)生使巖橋貫通的剪切裂紋，發(fā)出爆裂聲，試樣產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞與失穩(wěn)，峰后的應(yīng)力驟降到 12.53 MPa，呈明顯脆性破壞特征。

　　圖 11(b)展示了 80%RH 環(huán)境下的砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和裂紋擴(kuò)展情況。整個載荷過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線呈鋸齒狀波動，出現(xiàn)三次應(yīng)力降，分別發(fā)生在②點(σ1= 5.70MPa)、③點(σ1= 11.07 MPa)和峰值⑤點(σ1= 19.03 MPa)。由圖可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在④點(σ1=17.74MPa)附近已經(jīng)表現(xiàn)出非線性變化，割線模量 Ea 達(dá)到峰值 3.42GPa 后開始下跌，下部預(yù)制裂隙出現(xiàn)斜剪切裂紋，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值 19.13MPa (⑤點)時，巖樣積聚的彈性能在一瞬間突然釋放，兩條預(yù)制裂隙左側(cè)尖端分別擴(kuò)展出上、下方向的次級拉伸裂紋使得巖橋貫通，應(yīng)力值緩緩下降，呈塑性破壞特征。

　　圖 11(c)展示了 90%RH 下砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及裂紋擴(kuò)展情況。該巖樣曲線的第一次應(yīng)力降較上述試樣大幅提前，在①點出現(xiàn)(σ1=2.14MPa)，具有較多的遠(yuǎn)場裂紋形成，且上部裂隙尖端發(fā)生裂紋擴(kuò)展。應(yīng)力達(dá)到②點(σ1=2.56MPa)之前，下部裂隙右側(cè)尖端有明顯斜剪切裂紋出現(xiàn)，后續(xù)曲線的切線模量 Ea 明顯增加，由②點的 1.89GPa 升至③點的 2.96GPa。當(dāng)曲線到達(dá)③點(σ1=9.73MPa)，下部預(yù)制裂隙左側(cè)尖端發(fā)育出較寬的次級剪切裂紋，其擴(kuò)展方向 與 預(yù) 制 裂 隙 近 似 垂 直 。 當(dāng) 應(yīng) 力 升 至 ④ 點(σ1=16.65MPa)，波動幅度增加，階段①出現(xiàn)的遠(yuǎn)場裂紋的寬度不斷增加。此時的割線模量達(dá)到最大(3.47 GPa)。繼續(xù)加載，在經(jīng)歷較小應(yīng)變后，巖樣應(yīng)力達(dá)到峰值⑤點(σ1=18.48MPa)，巖橋貫通，巖樣表面出現(xiàn)大面積剝落，巖樣完全破壞。

　　砂巖試樣經(jīng) 100%RH 的高濕處理 60 d 后，其裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力-應(yīng)變曲線情況參見圖 11(d)。整個過程與 90%RH 下的巖樣規(guī)律類似，只是在峰前出現(xiàn)的兩次應(yīng)力降稍有推后，且每次應(yīng)力降都是由于預(yù)制裂隙的 壓 密 、 起 裂 和 擴(kuò) 展 所 引 起 。 當(dāng) 應(yīng) 力 至 ① 點(σ1=2.03MPa)時，巖樣右端部遠(yuǎn)場裂紋形成，此時的割線模量達(dá)到最小(1.83 GPa)。上部預(yù)制裂隙在應(yīng)力增至 4.22 MPa(②點)時，其周圍出現(xiàn)向上與向下的拉伸裂紋。而當(dāng)應(yīng)力增至 6.51MPa(③點)，曲線進(jìn)入彈性階段，割線模量達(dá)到最大(3.12 GPa)。曲線進(jìn)入④點時(σ1=15.69MPa)，出現(xiàn)大幅應(yīng)力降，下部裂隙尖端快速擴(kuò)展出上、下的拉伸裂紋。隨后，應(yīng)力再次達(dá)到 16.44MPa(峰值⑤點)時，巖樣的上、下表面被預(yù)制裂隙的雙側(cè)拉伸裂紋貫通，致使其產(chǎn)生拉伸破壞。

　　根據(jù)以上分析，對圖 11(a)~(d)包括未展出的試樣進(jìn)行對比可明顯看出，濕度在一定程度上決定著單軸壓縮過程中裂隙砂巖初始裂紋的起裂位置。干燥狀態(tài)時，初始遠(yuǎn)場裂紋主要在上端部左側(cè)萌生，隨著濕度的增加，起裂位置轉(zhuǎn)移至右側(cè)。三種高濕環(huán)境處理過的試樣，其初始裂紋萌生位置與預(yù)制裂隙相連的概率增大。與此同時，隨著濕度的增大，初始裂紋的起裂應(yīng)力整體呈下降趨勢。這意味著，裂隙巖樣的裂紋起裂或裂紋快速擴(kuò)展階段逐漸遠(yuǎn)離峰值，對此在討論部分再進(jìn)行詳細(xì)分析。此外，隨著濕度增加，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動增加，產(chǎn)生的裂紋寬度增加，且大多數(shù)沿應(yīng)力加載方向擴(kuò)展，其中對比失穩(wěn)破壞時，其余三種狀態(tài)下的試樣僅有單側(cè)巖橋貫通，100%RH 下的巖樣兩側(cè)巖橋均貫通。

　　4.2 裂隙砂巖裂紋演化與破壞模式分析

　　圖 12 為四種濕度影響下典型巖樣宏觀裂紋的發(fā)育情況。斜剪切裂紋、主要裂紋以及次要裂紋分別用不同顏色的線進(jìn)行標(biāo)記，依次是紅色、黑色以及藍(lán)色。根據(jù)試驗結(jié)果可知，試樣的破壞通常由多種裂紋類型組合而成，且濕度對巖樣的裂紋萌生類型產(chǎn)生明顯影響。以干燥巖樣為例，其裂紋演化類型多樣，分別有反抗拉裂紋、遠(yuǎn)場裂紋，次級裂紋與翼形裂紋(如圖 12(a))。本次試驗裂紋演化的總體特征有：裂隙巖樣在 4 種不同的濕度環(huán)境中 60 d 后，最先出現(xiàn)的是遠(yuǎn)場裂紋，該裂紋主要出現(xiàn)于上端部。隨后出現(xiàn)的是拉伸裂紋，其宏觀表現(xiàn)為翼形裂紋，但巖樣破壞的最主要原因并不是因拉伸裂紋而導(dǎo)致的。例如，對于干燥巖樣來說，反抗拉與翼形裂紋會因應(yīng)力的上升而在其發(fā)育過程中逐漸向共面或者非共面次級裂紋演變，這才是巖樣剪切破壞的最終原因(如圖 12(a))。以 80%RH 高濕處理后的巖樣為例，反抗拉裂紋在拉伸裂紋中是一種較為特殊的存在，通常情況下與翼形裂紋一同出現(xiàn)(如圖 12(b))。存在剪切破壞的試樣中，主要是以共面次級裂紋的形式體現(xiàn)，且多出現(xiàn)于 90%RH 以下的濕度環(huán)境中。此外，在濕度達(dá)到 90%RH 之前，會有橫向裂紋萌生，其初始起裂位置在預(yù)致裂隙的尖端，并向著與應(yīng)力加載垂直的方向延伸，一直發(fā)展至巖樣邊界，最后交匯于其他裂紋或演變成其他裂紋(如圖 12(a)、(b)和(c))。在相同的載荷速率下，預(yù)制裂隙的尖端發(fā)生擴(kuò)展的首先是翼形裂紋，應(yīng)力加載過程中翼形裂紋會逐漸演變?yōu)榇渭壛鸭y，共面次級裂紋會因為濕度的增加而成為主要宏觀裂紋，這也是導(dǎo)致巖樣最終拉伸破壞的關(guān)鍵因素。100%RH 下，拉伸裂紋主要以共面次級裂紋與翼形裂紋混合形式出現(xiàn)，且不會轉(zhuǎn)變成剪切裂紋(如圖 12(d))。干燥巖樣中的反抗拉裂紋和非共面次級裂紋是導(dǎo)致剪切破壞的直接因素(如圖 12(a))。除此之外，將全部破壞巖樣形態(tài)(含未展示的)結(jié)合來看，試樣在受載過程中新生成的裂紋會隨著環(huán)境濕度的上升而逐漸減少，高濕度下只會顯示出導(dǎo)致試樣失穩(wěn)破壞的主要裂紋。根據(jù)前文有關(guān)水巖作用總結(jié)可知，干燥試樣受載時，其本身質(zhì)地緊密，因此，新裂紋發(fā)育充分。而經(jīng)過高濕處理后的試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變，受載前已經(jīng)萌生部分微裂隙，同樣的載荷速率使得顆粒重排列時間相對較短，造成因高濕產(chǎn)生的內(nèi)部新增缺陷不能充分發(fā)育，因此試樣破壞時表面新生的宏觀裂紋數(shù)量相對較少。

　　除裂紋擴(kuò)展類型外，對裂隙砂巖的極限破壞模式進(jìn)行分析。由試驗結(jié)果看出，不同濕度下巖樣的極限破壞模式有三種，包括剪切破壞、拉伸破壞和剪切/ 拉伸混合破壞(如圖 13 所示)。

　　由圖 13 可知，剪切破壞模式作為為干燥巖樣的主要選擇，環(huán)境濕度的升高會導(dǎo)致橫向裂紋不再出現(xiàn)，破壞模式由剪切向拉伸破壞轉(zhuǎn)變，如濕度為 80%RH 和90%RH時，試樣主要呈拉伸與剪切的混合型破壞，最高濕度水平(100%RH)下，巖樣的極限破壞模式為 T 型的純拉伸破壞。

　　5 高濕影響裂紋演化機(jī)制討論

　　5.1 高濕對裂紋起裂應(yīng)力的影響

　　圖 14 為濕度對平行雙裂隙砂巖起裂應(yīng)力?ci 的影響曲線，為利于比較，圖中還給出因濕度變化的巖樣峰值強(qiáng)度曲線。其中?ci為初始裂紋萌生時所對應(yīng)的應(yīng)力值。據(jù)圖 14 可知，濕度和起裂應(yīng)力兩者的關(guān)系相似于峰值強(qiáng)度的變化趨勢，即因濕度上升而總體下降。當(dāng)濕度由干燥增加到 90% RH 時，預(yù)制平行雙裂隙砂巖的平均起裂應(yīng)力近似線性由 12.12 MPa 降至 2.14 MPa，但有一點不同，即 100%RH 下試樣的平均起裂應(yīng)力 4.11 MPa 大于 90%RH 下試樣的平均起裂應(yīng)力 2.14 MPa。

　　5.2 高濕對裂紋貫通應(yīng)力的影響

　　圖 15 為濕度對平行雙裂隙砂巖貫通應(yīng)力的影響關(guān)系曲線，圖中同樣給出峰值強(qiáng)度曲線。貫通應(yīng)力則定義為在預(yù)制的兩條裂隙間巖橋貫通所對應(yīng)的應(yīng)力，若試樣存在兩處貫通，則選取第一次貫通時的應(yīng)力。可見，貫通應(yīng)力與濕度之間的關(guān)系與峰值強(qiáng)度變化趨勢也類似，隨著濕度的增大總體呈減小的變化規(guī)律，但不同的是，90%RH 下的平均貫通應(yīng)力出現(xiàn)上升的趨勢。當(dāng)濕度由干燥增加到 80% RH 時，預(yù)制平行雙裂隙砂巖的平均貫通應(yīng)力由 19.90MPa 降到 10.91MPa;而當(dāng)溫度由 80%RH 增大到 90%RH 時，平均貫通應(yīng)力由 10.91MPa 又升到 12.83MPa，且 100%濕度下的平均貫通應(yīng)力比 80%RH 下的平均貫通應(yīng)力稍有下降，且降幅不大。

　　5.3 高濕作用下預(yù)制平行雙裂隙砂巖力學(xué)參數(shù)劣化機(jī)制

　　砂巖作為一種典型的沉積巖，內(nèi)部含有一些初始缺陷，導(dǎo)致氣態(tài)水分子很容易進(jìn)入。當(dāng)濕度升高時，試樣表面以及兩條貫通裂隙接觸到的水分子數(shù)量增加，部分礦物通過水巖作用進(jìn)行離子交換和水解，形成二氧化硅以及次生礦物高嶺石，加上本身攜帶的少量伊利石和蒙脫石，這三種親水性礦物吸水膨脹性強(qiáng)，形成內(nèi)外應(yīng)力差，表層的礦物顆粒因此掉落，裂隙與孔隙趁機(jī)漸漸發(fā)展，生成更多水巖接觸面。同時，長石礦物與鈣質(zhì)膠結(jié)物的水巖作用會因水分吸收、水分子滲透而迅速發(fā)展。在烘干過程中，水溶性礦物隨水分子蒸發(fā)而遷移，導(dǎo)致滲透渠道與孔隙的生成。在上述作用下，砂巖結(jié)構(gòu)趨于松散，這體現(xiàn)在兩方面，一是礦物顆?？蚣苈浕莾?nèi)部微細(xì)觀的孔、裂隙發(fā)育。因此試樣在高濕作用下發(fā)生劣化效應(yīng)，反映在預(yù)制平行雙裂隙巖樣的彈性模量、峰值強(qiáng)度和應(yīng)變都呈減小趨勢。這也是巖樣裂紋演化和破壞模式變化的原因所在。

　　6 結(jié)論

　　(1)隨著環(huán)境濕度的增加，裂隙砂巖原致密片狀結(jié)晶形態(tài)呈現(xiàn)出團(tuán)絮狀形態(tài)，結(jié)構(gòu)疏松程度加大，層間分界變得模糊，微裂隙和微孔隙的數(shù)量增多，高濕軟化接觸面的礦物顆粒結(jié)合內(nèi)外部應(yīng)力差使其脫落，其緊實的微觀結(jié)構(gòu)趨于松散，質(zhì)量減少，削弱其宏觀力學(xué)性能。

　　(2)環(huán)境濕度對試樣裂紋擴(kuò)展及破壞模式具有明顯影響，隨著濕度的增加，裂紋萌生類型因濕度的加大從翼形裂紋演化為反抗拉裂紋，導(dǎo)致破壞模式從剪切破壞過渡到拉伸破壞。

　　(3)預(yù)制平行雙裂隙砂巖貫通、起裂應(yīng)力和濕度三者的關(guān)系類似于峰值強(qiáng)度的變化趨勢，即因濕度的上升而總體下降，但 100%濕度下的起裂應(yīng)力和 90% 濕度下的貫通應(yīng)力出現(xiàn)反常偏高。

　　(4)探討了濕度對預(yù)制平行雙裂隙砂巖力學(xué)參數(shù)的影響機(jī)制。高濕作用對試樣的力學(xué)參數(shù)起劣化作用，當(dāng)相對濕度較高時，試件彈性模量、峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均有所降低，泊松比則增大。裂隙尖端在高濕環(huán)境下產(chǎn)生水壓作用發(fā)生劈裂，削弱顆粒之間摩擦力，從而在單軸壓縮過程中促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，也就是加速裂隙砂巖的破壞。