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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中，致密巖石作為地下工程常見(jiàn)的地質(zhì)體，其特性對(duì)于地下巖石工程的安全與穩(wěn)定性至關(guān)重要。天然氣儲(chǔ)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(huì)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(wèn)題。因此測(cè)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(wèn)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(yàn)中，張俊文等[1-3]通過(guò)砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)，獲取了不同排水條件下巖石力學(xué)特性對(duì)圍壓與孔壓的響應(yīng)規(guī)律；儲(chǔ)昭飛等[4]認(rèn)識(shí)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(jì)算公式；王偉等[5]通過(guò)花崗巖在考慮滲透水壓作用下的三軸試驗(yàn)，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(wèn)題，模擬結(jié)果表明夾層的滲透性對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)氣體滲透范圍有重要影響；Metwally等[7]針對(duì)致密砂巖和頁(yè)巖分別進(jìn)行了液體和氣體滲透試驗(yàn)，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(duì)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(duì)北山花崗巖在三軸壓縮過(guò)程中的氣體滲透率進(jìn)行了測(cè)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(yàn)，提出采用氣體滲透率與孔隙壓力的指數(shù)關(guān)系來(lái)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(yàn)，結(jié)果表明隨著氣體壓力降低滲透率有增大的趨勢(shì)，同時(shí)在簡(jiǎn)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(duì)煤巖滲透性的主導(dǎo)影響；Yang等[13]通過(guò)增大和減小三軸試驗(yàn)中氣體壓力來(lái)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(guò)程中的滲透率普遍高于有效圍壓遞增過(guò)程中的滲透率。

以上多為針對(duì)液體與氣體介質(zhì)滲透作用下巖石滲透特性變化趨勢(shì)的研究，考慮到深部天然氣開(kāi)采的工程特點(diǎn)，深部巷道圍巖內(nèi)部封存氣體對(duì)巖體的穩(wěn)定性具有重要影響，而目前對(duì)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(jiǎn)稱“砂巖”)為研究對(duì)象，開(kāi)展不排氣條件下不同圍壓和孔壓時(shí)巖石力學(xué)行為與破裂損傷的變化規(guī)律試驗(yàn)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(yàn) 方 法

1.1 試驗(yàn)巖樣與試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)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(wú)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(zhǎng)石、方解石和云母、綠泥石等，其中石英占52%，長(zhǎng)石占31%，硬度較大，強(qiáng)度較高。巖樣根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)會(huì)(ISRM)推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備，直徑50 mm、長(zhǎng)100 mm，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)巖樣Fig.1 Test samples

試驗(yàn)儀器為全自動(dòng)多場(chǎng)耦合三軸試驗(yàn)儀(圖2)，由河海大學(xué)與中國(guó)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(jì)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(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)以及各類多場(chǎng)耦合試驗(yàn)，適用范圍廣且精度高。

圖2 三軸試驗(yàn)儀Fig.2 Triaxial testing device

1.2 試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)中嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)室溫度((20±0.5)℃)。根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)巖體初始應(yīng)力條件，試驗(yàn)圍壓σ3分別設(shè)置為5 MPa、10 MPa和15 MPa；試驗(yàn)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(duì)比分析不同圍壓與孔隙氣壓對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響。具體試驗(yàn)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(wú)孔隙氣壓加載試驗(yàn)。先加載圍壓至預(yù)定值，打開(kāi)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(kāi)出氣閥門，保證砂巖內(nèi)部無(wú)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(yàn)。保持進(jìn)、出氣口開(kāi)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(shí)(加載過(guò)程中當(dāng)偏壓值不再增大并急劇下降時(shí))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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3為砂巖三軸壓縮試驗(yàn)全過(guò)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(guò)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(duì)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(yàn)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(yàn)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(méi)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(shì)，同時(shí)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(jiàn)，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(shí)，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(kāi)始逐漸呈現(xiàn)剪切破壞形式，主要裂隙呈對(duì)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(duì)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(yàn)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(wú)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(duì)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(duì)于致密砂巖而言，在無(wú)孔隙氣壓的條件下，圍壓對(duì)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(zhǎng)規(guī)律，且增長(zhǎng)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(duì)數(shù)形式的非線性增長(zhǎng)規(guī)律，說(shuō)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(zhǎng)速率。

同樣，由表1可知，在同一圍壓下，有孔隙氣壓試驗(yàn)中砂巖的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變要低于無(wú)孔隙氣壓試驗(yàn)。在孔隙氣壓1 MPa和2 MPa條件下，當(dāng)圍壓為5 MPa時(shí)，試驗(yàn)中砂巖的峰值強(qiáng)度比無(wú)孔隙氣壓試驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)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(kāi)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(shí)，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(shí)，表示巖石內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生拉張微裂紋，平行于最大主應(yīng)力方向，此時(shí)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(shí)，此時(shí)巖石內(nèi)部微裂紋和微裂隙開(kāi)始迅速擴(kuò)展，進(jìn)入微裂隙非穩(wěn)定發(fā)展時(shí)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(duì)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?chǔ)?與環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?表示總體積應(yīng)變?chǔ)舦，同樣，可由裂紋體積應(yīng)變?chǔ)與v與同應(yīng)力水平下彈性體積應(yīng)變?chǔ)舉v兩部分構(gòu)成總體積應(yīng)變。計(jì)算時(shí)采用偏應(yīng)力進(jìn)行體積應(yīng)變計(jì)算[3]：

εv=ε1+2ε3=εcv+εev

(1)

(2)

根據(jù)式(1)(2)計(jì)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(guò)程主要分為5個(gè)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?cè)隽康扔趶椥泽w積應(yīng)變?cè)隽?，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(kāi)，體積膨脹，裂紋體積應(yīng)變曲線向負(fù)方向偏移，其拐點(diǎn)對(duì)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(duì)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)值確定擴(kuò)容應(yīng)力σcd?？紤]到砂巖在壓縮過(guò)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(shí)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(zhǎng)關(guān)系，且趨勢(shì)具有一致性。由于初始圍壓加載對(duì)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(shí)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(huì)限制砂巖內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，裂紋產(chǎn)生的寬度會(huì)受到限制，砂巖體積膨脹的趨勢(shì)會(huì)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(shì)，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。可以看出高圍壓下由于裂紋閉合度高，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(shuō)明孔隙氣壓對(duì)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。基于砂巖起裂應(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(guò)程。實(shí)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(gè)熱力學(xué)過(guò)程，是砂巖對(duì)外部環(huán)境的能量進(jìn)行吸收、釋放和轉(zhuǎn)化的過(guò)程。當(dāng)砂巖受到外界荷載作用后，會(huì)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(chǔ)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(chǔ)能極限，一旦外界輸入的能量超過(guò)儲(chǔ)能極限，釋放出來(lái)的能量將使砂巖發(fā)生破壞。

試驗(yàn)中假設(shè)砂巖與試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)封閉系統(tǒng)，試驗(yàn)時(shí)沒(méi)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(shí)轉(zhuǎn)化的動(dòng)能，此時(shí)砂巖內(nèi)所有的能量均來(lái)自千斤頂軸向荷載和環(huán)向油壓的做功，此時(shí)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(guò)程中孔隙氣壓對(duì)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不排氣條件下砂巖三軸壓縮變形破壞過(guò)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(yàn)中的能量特征曲線。

圖7 砂巖三軸壓縮試驗(yàn)?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?jí)好荛]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(chǔ)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(zhǎng)，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(lái)越多的能量會(huì)以裂紋表面能等形式耗散釋放，此時(shí)彈性能仍處于主導(dǎo)地位。隨著荷載水平超過(guò)砂巖的起裂應(yīng)力，砂巖開(kāi)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(shí)彈性能密度增速逐漸變緩，耗散能密度出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，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(chǔ)存的彈性能瞬間大量釋放，轉(zhuǎn)化成砂巖的動(dòng)能、熱能等耗散。

由上述分析可知，耗散能的迅速增長(zhǎng)是導(dǎo)致砂巖損傷加劇的重要原因，因此可通過(guò)分析耗散能的演變規(guī)律研究不同圍壓和孔隙壓力對(duì)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(shuō)明高圍壓條件下砂巖內(nèi)部的儲(chǔ)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(zhǎng)速率越快，說(shuō)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(shí)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(duì)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(guò)對(duì)圍壓15 MPa、孔隙氣壓1 MPa條件下砂巖變形過(guò)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(jiàn)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(yàn)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(duì)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(huì)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(huì)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。