夏彬偉，劉仕威，歐昌楠，高玉剛

（1.重慶大學煤礦災(zāi)害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學復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

綜放開采已經(jīng)成為厚煤層高效開采方法之一。工作面前方的頂板巖體在綜放開采過程中經(jīng)歷了從原巖應(yīng)力、圍壓σ3遞減（卸荷）而軸向應(yīng)力差（σ1-σ3）升高到破壞卸荷的完整采動力學過程［1-2］，從而形成有別于常規(guī)三軸壓縮的應(yīng)力路徑。 工作面頂板多為灰?guī)r、砂巖或者其他硬度較大的巖體，并同時受到地質(zhì)構(gòu)造和工程擾動的影響：頂板巖體經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用，內(nèi)部產(chǎn)生包括裂隙、節(jié)理、孔隙、孔洞等天然缺陷；實際生產(chǎn)中為解決堅硬頂板不易垮落的現(xiàn)象，采取水力壓裂、工程爆破等弱化頂板的技術(shù)和方法使頂板產(chǎn)生人工裂隙［3-4］。 以上缺陷的存在破壞了巖體的原有結(jié)構(gòu)，對巖石力學性能有顯著影響［5-9］。 隨著工作面向前推進，這些含裂隙巖體的強度、變形特征和裂紋擴展行為受到影響。 同時，綜放開采工作面前方巖體受采動作用后形成大量裂隙并相互貫穿，巖體滲透率顯著增加，瓦斯流動速度加快［10］。 含裂隙巖體不僅為瓦斯抽采創(chuàng)造了有利條件，也是導致頂?shù)装迨鹿屎驼T發(fā)煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故的重要因素。 因此含裂隙巖體的力學性能和失穩(wěn)破壞規(guī)律引起了學者們極大的關(guān)注。 汪中林［11］對含不同長度和不同傾角度預制裂隙的類巖石進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)會在預制裂隙尖端向上和向下萌生一條貫穿性主裂紋，試樣破壞形式均為拉伸破壞；文獻［12-13］模擬了裂隙試件單軸壓縮下次生裂隙的擴展過程，結(jié)果表明裂紋在原裂隙端點附近萌生而非端點，最終產(chǎn)生豎直張拉裂紋曲面將試件劈開；肖桃李等［14］研究了三軸應(yīng)力作用下單裂隙類巖石的破壞行為，發(fā)現(xiàn)圍壓大小主要影響試樣破壞模式，預制裂隙傾角是試樣起裂的關(guān)鍵，裂隙長度主要影響裂紋擴展規(guī)模；韓建新等［15］對貫穿裂隙巖體展開了三軸試驗，基于庫侖強度準則建立了貫穿裂隙巖體強度和破壞方式的確定方法；魏元龍等［16］對含裂隙頁巖展開三軸循環(huán)加卸載試驗研究，結(jié)果表明含裂隙頁巖的破壞形式主要為混合破壞，呈現(xiàn)出拉剪貫通模式。 在測試巖體試件力學性能和細觀結(jié)構(gòu)上，文獻［17-18］通過聲發(fā)射實時監(jiān)測單軸壓縮下含裂紋試件的裂紋擴展特征，巖石類脆性材料的壓剪斷裂過程具有明顯的階段性，聲發(fā)射事件在不同應(yīng)力水平時變化很大，隨加載過程的變化表現(xiàn)為3 個階段；YANG 等［19］通過攝影監(jiān)測和聲發(fā)射技術(shù)研究單裂隙脆性砂巖材料在單軸壓縮下的強度、變形破壞和裂縫擴展行為，裂隙長度和裂隙角對砂巖試樣在單軸壓縮條件下的強度和變形行為有重要影響，部分試樣還表現(xiàn)出局部變形破壞行為；任建喜［20］對三軸壓縮條件下單裂隙砂巖的破壞特性進行CT 實時掃描，裂隙砂巖損傷破壞全過程總體上可以分為線性發(fā)展階段、細觀裂紋萌生及發(fā)展階段、損傷快速發(fā)展階段和峰后損傷加速發(fā)展階段等4 個階段。 超聲波測試可以動態(tài)無損地了解試件的力學性能和細觀結(jié)構(gòu)特征，也被許多學者作為研究手段。李剛等［21］研制了一套超聲波三軸壓縮試驗系統(tǒng)，并對一組混凝土試樣進行了超聲波的全程測試研究，提出了損傷變化的3 個特征量來反映材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)變化；WANG 等［22-24］通過超聲波實時監(jiān)測技術(shù)研究土石混合體的超聲脈沖速度（UPV）、力學性能和開裂特性，建立了各階段對應(yīng)的損傷演化方程和本構(gòu)模型，通過UPV 的變化間接反映變形過程中的復雜力學行為。

目前針對含裂隙巖體的力學性能測試多集中于單軸、常規(guī)三軸、循環(huán)加載和卸載路徑，鮮有涉及綜放開采過程中形成的加卸載三軸應(yīng)力路徑下含裂隙巖體的力學特性和變形過程中的裂紋演化規(guī)律。 為研究綜放采動狀態(tài)下含裂隙頂板巖體的破壞形式和裂紋演化規(guī)律，對含特定長度和角度的單裂隙砂巖進行恒定卸圍壓同時變速率加軸壓的加卸載三軸試驗，以模擬綜放開采過程中含裂隙頂板巖體經(jīng)歷的真實應(yīng)力路徑，對比常規(guī)三軸應(yīng)力路徑的試驗結(jié)果，分析試件的破壞形式，并利用超聲波研究其應(yīng)力、應(yīng)變、超聲波特性之間的關(guān)系，分析研究裂紋演化規(guī)律。

1 試驗裝置及方案

1.1 試樣制備和試驗裝置

試件選取質(zhì)地均勻和完整性較好的砂巖，根據(jù)國際巖石力學試驗規(guī)程要求加工尺寸為?50 mm×100 mm 的標準圓柱體試件。 通過磨料射流加工車床，在試件中部切割1 條張開度約為1 mm 的裂隙，裂隙貫穿整個試件，如圖1 所示，在保持裂隙長度2L或裂隙角度α不變情況下，通過改變其中一個參數(shù)確定單裂隙參數(shù)。 試驗使用GCTS RTX-3000 高溫高壓動態(tài)巖石力學試驗機，同時全程實時地發(fā)射和接收超聲波。 GCTS RTX-3000 高溫高壓動態(tài)巖石力學試驗機三軸壓力室包括萬向頭、超聲波壓頭、底座和用于連接軸向、環(huán)向變形裝置和超聲波傳感器的連接器。

圖1 不同長度和角度的單裂隙砂巖Fig.1 Single fissure sandstone with different lengths and agles

1.2 試驗方案

1）方案Ⅰ：常規(guī)三軸壓縮試驗。 綜放采動力學行為試驗下的完整砂巖破壞時，圍壓卸載至6 MPa［2］，所以常規(guī)三軸壓縮試驗采用應(yīng)力控制方式手動將圍壓加載至恒定6 MPa，然后以位移控制加載直至砂巖破壞。 常規(guī)三軸壓縮試驗應(yīng)力路徑分為2 個階段：①先將軸向壓頭與試件充分接觸，再采用手動操作施加圍壓，并保持不變。 ②軸向位移、側(cè)向位移和軸壓數(shù)據(jù)歸0，采用位移控制，以0.03 mm／min的速率加載，直至試件破壞。

2）方案Ⅱ：加卸載三軸試驗。 綜放采動狀態(tài)下，工作面前方煤巖體的應(yīng)力分布如圖2 所示，其中②和③點的最大主應(yīng)力σ1分別為初始地應(yīng)力的1.5和2.5倍，且2 個卸載階段（①②和②③）的軸向加載速率和側(cè)向加載速率之比分別為2.25 ∶1 和3.5 ∶1［2］。 為了模擬600 m（地應(yīng)力約為15 MPa）的采深，假設(shè)工作面前方煤巖體和圍巖在③點同時到達峰值強度，此時圍壓約為6 MPa，常規(guī)三軸壓縮試驗測得的峰值強度約為105 MPa，根據(jù)煤巖體軸向加載速率和側(cè)向卸載速率之比為3.5 ∶1，則圍巖Δσ1／Δσ3為20 ∶1，試驗中圍壓的卸載速率均為0.5 MPa／min。 由此出設(shè)計模擬綜放采動狀態(tài)下圍巖的加卸載三軸應(yīng)力路徑。 加卸載三軸試驗應(yīng)力路徑分為3 個階段，如圖3 所示。

圖2 綜放采動狀態(tài)下工作面前方煤巖體應(yīng)力分布［2］Fig.2 Stress distribution of coal and rock mass in front of working face under fully-mechanized top-coal caving condition［2］

圖3 加卸載三軸試驗應(yīng)力路徑示意Fig.3 Schematic diagram of stress path of loading and unloading triaxial test

1） 靜水壓力階段（OA）：采用應(yīng)力控制，以3 MPa／min 將σ1和σ3同時加載至預定值15 MPa（約深600 m 的靜水壓力）。

2）第1 卸載階段（AB）：采用應(yīng)力控制，σ1加載至22.5 MPa，加載速率v1為1.125 MPa／min，σ3卸載至11.7 MPa，卸載速率v3為0.5 MPa／min，v1／v3＝2.25 ∶1。

3）第2 卸載階段（BC）：繼續(xù)采用應(yīng)力控制，σ1以v1＝10 MPa／min 繼續(xù)加載，σ3以v3＝0.5 MPa／min繼續(xù)卸載，v1／v3＝20 ∶1，直至試件破壞。

試件設(shè)計與試驗方案見表1。

表1 試件設(shè)計與試驗方案Table 1 Specimen design and tests plan

1.3 試驗原理及參數(shù)計算

GCTS RTX-3000 高溫高壓動態(tài)巖石力學試驗機的壓力室是封閉的，且沒有聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，因此僅通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞后的試件是無法了解其在受力過程中的起裂情況。

超聲波測試作為一種評估巖石力學特性的無損檢測工具，顯示了其強大的優(yōu)勢［25］。 利用超聲波測試系統(tǒng)來實時地測量砂巖試件在受力過程中的波速，以探索砂巖試件的起裂特性。 當砂巖試件受力產(chǎn)生裂紋，其內(nèi)充滿空氣，由于P 波在巖石的傳播速度要高于空氣，所以傳播速度會減小；相反若孔隙裂隙被壓密或是剪切過程中裂紋被嚙合，則傳播速度會增大。

WANG 等［22］指出，通過砂巖試件的P 波速度增減基本上是由裂紋開裂和壓密引起的。 當砂巖試件處于微變形狀態(tài)時，P 波通過試件的時間增量與通過裂紋填充空氣的時間增量相等，最終關(guān)系為

式中：w為總的裂紋寬度；V為任何壓力水平下通過砂巖試件的波速；V0為加載前通過砂巖試件的波速；H為砂巖試件的高度；Va為在空氣中傳播的波速，其值為340 m／s。

當砂巖試件是完整試件時，w為正值，表明試件處于裂紋擴展狀態(tài)；w為負值，表明試件處于固結(jié)狀態(tài)。

在測試過程中，超聲波軟件模式選用ULT-200，傳感器的頻率選擇為40 MHz，發(fā)射超聲波時間間隔為15 s。 試件的頂部和底部與帶有超聲波裝置的壓頭接觸，接觸面涂一層耦合劑。 試驗前將激發(fā)探頭與接收探頭對接進行一次超聲波透射試驗，獲得探頭對接時的初始波起跳時間t1，然后再進行試件超聲波透射試驗，獲得超聲波透射試件的初始波起跳時間t2，2 次初始波起跳時間差值為試件首波到達時間Δt，即Δt＝t2-t1。 超聲波P 波速度VP由試件高度H與首波到達時間Δt的比值計算求出：

VP（H，Δt）＝H／Δt。

在相同的超聲波傳感器和接觸條件下，第一周期波穩(wěn)定，可重復，因此將第一周期波作為初始波。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 破壞形式分析

對不同應(yīng)力路徑試驗后的砂巖試件進行拍照并分析破壞形式。 常規(guī)三軸壓縮試驗下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式如圖4 所示。 常規(guī)三軸壓縮試驗下砂巖破壞后的裂紋形式基本為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪復合型裂紋。 完整砂巖試件在破壞后形成一個貫通整個試件的破裂面，破裂面由剪切裂紋形成，屬于純剪切破壞。

圖4 常規(guī)三軸壓縮試驗下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式Fig.4 Diagrams of failure modes of intact sandstone and single fissure sandstone under conventional triaxial compression test

不同長度裂隙砂巖試件中，試件A2-1 預制裂隙的兩個尖端形成1 條拉伸-剪切混合裂紋、1 條拉伸裂紋和1 條剪切裂紋，且在剪切裂紋附近產(chǎn)生多條次生裂紋。 試件B2-1 預制裂隙的兩個尖端形成1 條拉伸裂紋，3 條剪切裂紋，其中有1 條為共面剪切裂紋，且在裂隙尖端有多條次生裂紋。 試件C2-1預制裂隙的兩個尖端共形成3 條拉伸-剪切混合裂紋。 試件D2-1 試件預制裂隙的兩個尖端形成2 條剪切裂紋和1 條拉伸裂紋。

不同角度裂隙砂巖試件中，試件B0-1 預制裂隙的兩個尖端共形成2 條拉伸裂紋。 試件B1-1 出現(xiàn)非貫通純剪切破壞，預制裂隙端部產(chǎn)生2 條剪切裂紋，且在剪切裂紋的附近產(chǎn)生2 條次生剪切裂紋。試件B3-1 預制裂隙角度為90°，其破壞與完整砂巖試件相近，形成1 條貫通型的剪切裂紋，但由于預制裂隙的存在，在預制裂隙端部除了產(chǎn)生剪切裂紋，還有拉伸裂紋，在預制裂隙附近產(chǎn)生了多條次生裂紋，并伴有剝落現(xiàn)象。

加卸載三軸試驗下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式如圖5 所示。 加卸載三軸試驗砂巖破壞后的裂紋種類與常規(guī)試驗后的相似，基本為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪復合裂紋。 完整砂巖試件形成了和常規(guī)三軸壓縮試驗下相同的單一破裂面，但破裂面形成了拉剪復合型裂紋，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定破壞特征，巖石破斷角β＝71°（巖石破斷角β為破壞面法線與最大主應(yīng)力方向的夾角）。

不同長度裂隙砂巖試件中，試件A2 在應(yīng)力載荷的作用下，裂隙傾角被偏轉(zhuǎn)并與最大主應(yīng)力方向平行，形成單一剪切破壞面，在裂隙端部出現(xiàn)1 條剪切裂紋和2 條拉伸裂紋，拉伸裂紋的起裂角θ為29°（裂紋起裂角θ為不同裂紋擴展路徑在初始起裂點的切線方向與初始裂紋延伸方向的夾角，正值為逆時針轉(zhuǎn)向，負值為順時針轉(zhuǎn)向），剪切裂紋起裂角θ為7°，如圖5b 所示；試件B2 和C2 在裂隙端部出現(xiàn)2 條拉伸裂紋和2 條剪切裂紋，拉伸裂紋的起裂角θ為14° ～35°，剪切裂紋起裂角θ為-99° ～-130°，如圖5c 和圖5d 所示；試件D2 破壞時的圍壓較大，拉伸紋受到抑制，在裂隙端部出現(xiàn)2 條剪切裂紋和1 條次生共面剪切裂紋，剪切裂紋的起裂角θ為-128°～-129°，且隨著砂巖裂隙長度的增加，拉伸裂紋會被次生共面剪切裂紋所替代，如圖5e 所示。

圖5 加卸載三軸試驗下完整砂巖試件和單裂隙砂巖試件的破壞形式Fig.5 Diagrams of failure modes of intact sandstone and single fissure sandstone under loading and unloading triaxial test

不同角度裂隙砂巖試件中，B0 試件在裂隙端部產(chǎn)生2 條剪切裂紋，在裂隙端部和中部產(chǎn)生2 條與最大主應(yīng)力平行的拉伸裂紋，剪切裂紋的起裂角θ為-64°～-71°，如圖5f 所示；B1 和B3 試件在裂隙端部只產(chǎn)生2 條剪切裂紋，剪切裂紋的起裂角θ別為-100°～-156°，如圖5g 和圖5h 所示；B0 和B2 試件在裂隙周圍的破壞程度比較復雜，存在剝落現(xiàn)象，表明裂隙周圍的應(yīng)力分布復雜。

對比發(fā)現(xiàn)，預置裂隙的長度和角度對砂巖試件的破壞形式存在影響，裂紋數(shù)量和種類隨著裂隙長度的增加而減少，隨著裂隙角度的增加而增加。 加卸載三軸試驗下的單裂隙砂巖試件相較常規(guī)三軸試驗破壞更加徹底，裂紋長度少，但裂紋長度長，擴展至試件端部，剝落現(xiàn)象明顯。

2.2 超聲波P 波波速分析

將波速、軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的關(guān)系繪制在一起以分析砂巖試件變形過程中P 波波速的變化情況。 波速的變化間接反映了變形過程中砂巖試件密度的變化，其中裂紋的開裂和閉合等非線性力學行為影響著砂巖試件的壓實度。

常規(guī)三軸壓縮試驗下砂巖試件在變形過程中波速、軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 常規(guī)三軸壓縮試驗下單裂隙砂巖試件的應(yīng)力、應(yīng)變與P 波波速的關(guān)系Fig.6 Relationship between stress and strain and P wave velocity of single fissure sandstone under conventional triaxial compression test

當裂隙角度一定時，P 波波速整體上隨軸向應(yīng)變ε1的增大先增加后減小。 P 波波速在峰值強度σP的20%～40%達到最大值，此時砂巖試件原有的孔隙和微裂紋被壓密，尤其對于A2-1 試件，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的壓密階段，P 波波速上升趨勢明顯。

當裂隙長度一定時，B0-1 和B2-1 試件的P 波波速基本上是隨著軸向應(yīng)變ε1的增大先增加后減小，B1-1 和B3-1 試件的P 波速度基本上是隨著軸向應(yīng)變ε1的增大先減小后增大。 B0-1 和B2-1 試件的P波波速在峰值強度σP的60%和40%處達到最大值，B1-1 和B3-1 試件的P 波波速在未受力時為最大值，表明受力時砂巖試件已處于損傷開裂狀態(tài)。

P 波波速在應(yīng)力跌落附近波動比較明顯。 單裂隙砂巖試件在高應(yīng)力水平下會發(fā)生應(yīng)力跌落現(xiàn)象，此時裂紋快速發(fā)展，導致試件的壓實度降低；隨著軸向位移繼續(xù)增加，新產(chǎn)生的裂紋再次被壓密，軸向應(yīng)力σ1會再一次增加，經(jīng)過幾次這樣的重復，裂紋逐漸交叉且相互聯(lián)合，形成宏觀的裂縫，應(yīng)力迅速跌落，此時試件側(cè)向塑性變形增加，體積擴容明顯。

加卸載三軸試驗下砂巖試件在變形過程中波速、軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 加卸載三軸試驗下單裂隙砂巖試件的應(yīng)力、應(yīng)變與P 波波速的關(guān)系Fig.7 Relationship between stress and strain and P wave velocity of single fissure sandstone samples under loading and unloading triaxial test

加卸載三軸試驗下P 波速度整體上隨軸向應(yīng)變的增大而增大。 由于圍壓從第一卸載點開始卸荷，導致一部分彈性能向側(cè)向轉(zhuǎn)移，試件的壓實速率減小，P波波速增長變慢。 結(jié)合圖3 應(yīng)力路徑圖，在低應(yīng)力水平下（OA和AB），試件內(nèi)部存在的孔隙和微裂隙被壓密，P 波波速增長較快；在高應(yīng)力水平時（BC），試件的壓實度逐漸達到臨界值，P 波波速增長變慢。

P 波波速在砂巖試件屈服應(yīng)力點附近達到峰值，且出現(xiàn)波速穩(wěn)定段。 在屈服點附近，密度達到最大值且基本穩(wěn)定直到波速穩(wěn)定段結(jié)束，波速穩(wěn)定段表明試件由體積壓縮主導轉(zhuǎn)為體積壓縮和體積擴容程度相當，體積壓縮和擴容達到平衡，試件處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；P 波波速在砂巖試件峰值強度處波動最明顯。 在峰值強度附近，其軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大，砂巖試件的塑性變形量增大，試件內(nèi)裂紋的交叉且相互聯(lián)合的現(xiàn)象加劇。

不同裂隙砂巖試件的P 波波速穩(wěn)定段不同。隨著裂隙長度增大，波速穩(wěn)定段逐漸縮短，完整砂巖試件的波速穩(wěn)定段最大為0.2%，A2 最大為0.15%，B2 最大為0.16%，C2 最大為0.08%，D2 最小為0.07%；這可能是由于裂隙長度的增加導致試件完整性受到影響，即試件在峰前的穩(wěn)定性隨裂隙長度增加而降低。 隨著裂隙角度增大，波速穩(wěn)定段先增大后逐漸減小，B0 最大為0.18%，B1 最大為0.21%，B2 最大為0.16%，B3 最大為0.1%。 整體趨勢表明，試件在峰前的穩(wěn)定性隨著裂隙角度增加先增加后減小，且大角度裂隙對其峰前穩(wěn)定性影響更大。

常規(guī)三軸壓縮試驗下，除受力前已處于損傷開裂狀態(tài)的試件B1-1 與B3-1，其他單裂隙砂巖在峰值強度中段附近結(jié)束壓密狀態(tài)，達到密度最大階段，隨后在達到峰值強度前一直處于裂紋生成和裂紋擴展的體積擴容主導狀態(tài)。 而加卸載三軸試驗下，整個階段試件處于較高圍壓的狀態(tài)，且最終圍壓高于常規(guī)三軸壓縮狀態(tài)，試件一直處于相對抑制體積擴容的狀態(tài)，試件破壞前P 波波速全程增大，試件整體處于壓密狀態(tài)；同時不同階段的加載速率不同，環(huán)向的抵抗變形能力不同，試件原有微裂紋和張開性裂縫在加卸載前期更易壓密，從而導致不同階段壓密速率不同。

2.3 裂紋演化分析

裂紋總寬度按公式（1）計算，它們由壓縮過程中產(chǎn)生的微裂紋和塑性變形引起。 將各試件的裂縫寬度與軸向應(yīng)力繪制繪制在一起以研究裂紋演化規(guī)律。

常規(guī)三軸壓縮試驗下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系如圖8 所示。

圖8 常規(guī)三軸壓縮試驗下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系Fig.8 Relationship between axial stress and total crack width of sandstone under conventional triaxial compression test

常規(guī)三軸壓縮試驗下的裂紋演化根據(jù)圖8 可分為4 個階段。

裂紋壓密階段。 除試件B1-1 與B3-1，其余試件在這一階段中原有的微裂紋和孔隙逐漸閉合，巖石被壓密，且釋放的彈性能很小，A2-1 試件壓密階段的持續(xù)時間最短，B0-1 試件的持續(xù)時間最長。試件B1-1 和B3-1 在低應(yīng)力水平下，沒有壓密階段，但試件B3-1 在高應(yīng)力水平下出現(xiàn)壓密階段。

裂紋發(fā)展階段。 隨著軸向位移繼續(xù)增加，軸向應(yīng)力σ1不斷增大，預制裂隙的尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并有新的微裂紋產(chǎn)生，砂巖試件損傷不斷積累，其中B0-1 試件的裂紋發(fā)展階段持續(xù)時間最小，A2-1 試件的裂紋發(fā)展階段持續(xù)時間最大；在峰值強度附近，新裂紋產(chǎn)生的數(shù)量逐漸減少，裂紋的開裂量逐漸達到一個平衡狀態(tài)。

裂紋穩(wěn)定階段。 在峰值強度附近，新產(chǎn)生的裂紋開裂量與閉合量基本相等，裂紋的總寬度基本保持不變，由于此時的砂巖試件處于高應(yīng)力水平狀態(tài)，已經(jīng)接近其所能承受的應(yīng)力極限，裂紋穩(wěn)定階段持續(xù)時間較短。 各單裂隙試件的裂紋穩(wěn)定階段的持續(xù)范圍基本在50～100 MPa。

破壞后失穩(wěn)階段。 隨著軸向位移繼續(xù)增加，砂巖試件達到其所能承受的應(yīng)力極限（峰值強度），其內(nèi)部的裂紋迅速發(fā)展，相互交叉并聯(lián)合，形成宏觀的斷裂面，裂紋的總寬度繼續(xù)增加；同時，砂巖試件的軸向應(yīng)力σ1迅速跌落，但不為0，還有一定的殘余強度，所以其結(jié)構(gòu)保持完整狀態(tài)。

加卸載三軸試驗下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系如圖9 所示。 加卸載三軸試驗下的裂紋演化根據(jù)圖9 可分為3 個階段。

圖9 加卸載三軸試驗下砂巖試件軸向應(yīng)力與裂紋總寬度關(guān)系Fig.9 Relationship between axial stress and total crack width of sandstone under loading and unloading triaxial test

1）裂紋壓密階段。 在這一階段，砂巖試件原有微裂紋和張開性裂縫逐漸閉合，巖石被壓密，且在屈服應(yīng)力附近達到壓密臨界值，釋放的彈性能很小。在靜水壓力階段，砂巖試件裂紋閉合的速率較大，近似直線，且裂紋的閉合量大，但從第一卸載點開始，圍壓開始卸荷，砂巖試件裂紋閉合的速率迅速減??；從第一卸載點到屈服點，砂巖試件裂紋閉合的速率曲線呈非線性減小，且裂紋的閉合量較小。

2）裂紋穩(wěn)定階段。 在屈服點附近，隨著軸向應(yīng)力的增加，雖然砂巖試件體積有變形，但體積應(yīng)變增量近于0，即裂紋的開裂量和閉合量基本保持不變。隨著裂隙長度增加，裂紋穩(wěn)定階段整體上呈現(xiàn)減小趨勢；對于含不同角度裂隙的砂巖試件，裂紋穩(wěn)定階段基本保持不變。 除了試件A2 由于初始裂隙在變形過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導致屈服應(yīng)力增大，裂紋穩(wěn)定點基本在60 MPa 左右。

3）裂紋發(fā)展階段。 當砂巖試件接近其峰值強度時，微裂紋的發(fā)展發(fā)生變化，裂紋的開裂量和閉合量動態(tài)平衡被打破，其第2 階段累積的微裂紋相互連接造成裂紋快速發(fā)展。

3 結(jié) 論

1）綜放采動應(yīng)力路徑下的單裂隙砂巖試件破壞后的裂紋形式與常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下相似，基本為拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪復合型裂紋。 但兩種應(yīng)力路徑下的破壞模式不同：常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下單裂隙砂巖試件的破壞形式包含純剪切破壞、拉伸破壞、拉剪復合破壞和X 型共軛剪切破壞；綜放采動應(yīng)力路徑下單裂隙砂巖試件的破壞形式包括單剪切破壞、拉剪復合型破壞、“X”型剪切破壞（共面和非共面）。

2）常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下，整體上P 波速度隨軸向應(yīng)變的增大先增大后減少。 波速在應(yīng)力跌落附近波動比較明顯。 綜放采動應(yīng)力路徑下，整體上P 波速度隨軸向應(yīng)變的增大而增大。 在第1 卸載點，試件的壓實度受圍壓影響，波速增長率迅速減??；在屈服應(yīng)力附近，試件壓實度達到臨界值，波速達到最大值；波速在砂巖試件峰值強度附近波動明顯表明初始裂隙尖端應(yīng)力集中更加明顯，微裂紋出現(xiàn)交叉且相互貫通的現(xiàn)象加劇。

3）常規(guī)三軸應(yīng)力路徑下，裂紋演化可分為4 個階段：裂紋壓密階段、裂紋發(fā)展階段、裂紋穩(wěn)定階段和破壞后失穩(wěn)階段，在峰值強度附近，新產(chǎn)生的裂紋開裂量與閉合量基本相等，裂紋的總寬度基本保持不變，但持續(xù)時間較短。 綜放采動應(yīng)力路徑下，裂紋演化規(guī)律可分為3 個階段：裂紋壓密階段、裂紋穩(wěn)定階段和裂紋擴展階段，裂紋穩(wěn)定階段隨裂隙長度增加呈現(xiàn)減小趨勢，裂隙角度對裂紋穩(wěn)定階段基本沒有影響。