单轴压缩作用下孔隙砂岩破坏过程试验

刘慧 张尧 张二锋 蔺江昊 贠烨辉

摘 要：孔隙砂岩在单轴压縮作用下的破坏过程及模式对能源开采和地下空间工程建设具有重要意义。以陕西渭南细粒砂岩和咸阳粗粒砂岩为研究对象，进行了不同粒径的砂岩在单轴压缩荷载作用下的高速摄影实时观测试验，获得了两种粒度岩样在各个破坏阶段的图像，揭示出两种不同粒度岩样单轴压缩过程中宏观裂纹萌生、扩展、贯通直至岩样破坏的全过程。探讨了孔隙砂岩粒度对其宏观变形破坏过程和模式的影响规律。研究表明，粒径是影响孔隙砂岩单轴压缩破坏模式的一个重要因素，细粒砂岩在破坏瞬间产生强烈的动力效应，而粗粒砂岩在破坏瞬间则没有。粗粒砂岩破坏模式表现为拉伸劈裂，而细粒砂岩破坏模式表现为剪切滑移。从岩样宏观裂纹产生到裂纹贯通过程中，粗粒砂岩裂纹扩展持续时间较长，而细粒砂岩持续时间较短。在残余试件完整性方面，粗粒砂岩完整性较好，细粒砂岩较差。关键词：孔隙砂岩;高速摄影;实时观测;破坏过程;模式中图分类号：TU 458

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）06-01010-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0611开放科学（资源服务）标识码（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

中国孔隙砂岩分布广泛，主要分布于四川、云南、山东以及陕西、山西、河北和河南等地。这些地区蕴藏着丰富的矿产资源，砂岩的破坏过程和破坏模式对这些地区的能源开采和地下空间工程建设具有重要影响。因此，进行孔隙砂岩受荷破坏过程及模式的研究，具有重要理论价值和实际工程应用意义。

国内外众多专家学者对单轴压缩荷载作用下的砂岩力学特性进行了大量的研究。杨圣奇等通过单轴压缩试验，探究了含孔洞裂隙砂岩的力学特性，分析了裂隙角对含组合缺陷砂岩试件强度和变形行为的影响及裂纹聚结过程在岩石的变形破坏中起的作用[1-2]。朱谭谭等开展了预制双圆形孔洞的板状砂岩的压缩试验，研究了孔心距和倾角对砂岩强度、变形特征及破裂演化过程等的影响规律[3]。张仕林等采用单轴压缩试验，结合数值模拟方法，研究了红砂岩裂隙在不同张开度条件下的扩展机理[4]。赵程等利用数字图像相关方法（DICM），对含不同预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩作用下的裂纹扩展规律及岩体细观损伤演化机制进行了系统研究[5]。李树刚等利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及高精度声发射（AE）监测系统，研究了含不同宽度预制裂隙的类岩石材料试样在单轴压缩条件下的受力变形和破坏模式，分析了预制裂隙宽度对类岩石材料破坏的影响规律[6]。李化敏等利用偏光显微镜、扫描电镜、核磁共振仪等试验手段，获得了砂岩的成分、微观结构与孔隙特征，研究了砂岩的孔隙结构与其弹性模量、单轴抗压强度等之间的关系[7]。种玉配等以粗粒砂岩为研究对象，进行不同低温条件下的单轴压缩试验，探讨了低温对饱水粗粒砂岩弹性模量、单轴抗压强度和泊松比的影响以及低温饱水粗粒砂岩的破坏模式[8]。陈绍杰等对不同粒度红砂岩进行了巴西劈裂拉伸与单轴压缩试验，分析了颗粒粒度对岩石力学特性的影响规律[9]。魏洋等进行了砂岩单轴压缩实验，从临界慢化的角度研究岩体破裂失稳产生的声发射信号特征[10]。肖福坤等利用TAW-2000 kN压力机、TYJ-500 kN压力机和SH-II声发射系统，对粗砂岩和细砂岩裂纹扩展过程中的力学特性和声学特征开展了研究[11]。刘强等针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩，利用RMT-150C试验机进行了单轴压缩试验[12]。刘之喜等为了探究岩石单轴压缩试验过程中的能量演化规律，利用RMT-150b岩石力学测试系统采用相同的加载速率对白砂岩分别进行了单轴压缩试验、单轴分级加卸载试验，并对单轴压缩过程中弹性能、耗散能及其比值等进行了分析[13]。杨大方等对含有不同几何状态的裂隙细砂岩进行了单轴压缩试验，分析了岩桥倾角和岩桥宽度对裂隙细砂岩试样裂纹起裂、扩展过程以及破坏模式的影响[14]。赵国彦等采用INSTRON-1346型液压伺服控制试验机对含不同几何形状孔洞的红砂岩进行单轴压缩试验，分析了孔洞形状对岩石力学特性和断裂损伤演化规律的影响[15]。季晶晶等开展单轴压缩条件下岩石预制裂隙扩展破坏过程试验，分析了裂隙倾角对岩石变形、强度和裂隙扩展破坏方式的影响规律[16]。

PRIKRYL等研究了花岗岩矿物颗粒的大小与单轴抗压强度相关关系，认为其强度与颗粒粒度是对数关系[17]。

在加载速率、破裂损伤演化特征、围压效应、温度等方面对砂岩单轴压缩力学性能的影响方面也有不少学者进行了一系列研究[18-26]。

上述研究成果通过开展砂岩在单轴压缩作用下宏、细观实验，着重探讨砂岩在单轴压缩荷载作用下的受力及变形特性研究，且相关成果多集中于含裂隙砂岩的研究，对于孔隙砂岩在单轴压缩作用下的破坏过程中的特性及破坏模式的研究较少。文中采用高速摄影技术，实时观测不同粒度孔隙砂岩在单轴压缩荷载作用下的破坏过程，通过分析不同加载阶段两种不同粒度孔隙砂岩的宏观破坏图像，探讨不同粒度孔隙砂岩的破坏模式，为地下工程围岩稳定性及支护设计等技术问题提供科学依据。

1 不同粒度砂岩单轴压缩破坏过程试验

1.1 两种不同粒度孔隙砂岩试样

1.1.1 粗粒砂岩

取自陕西咸阳，呈褐红色，质地均匀，色泽统一，内部孔隙较大，密实性差，颗粒粒径在0.5～2 mm内，属于粗粒砂岩。由砂砾泥质胶结而成，主要成分为长石、石英和白云母等。

1.1.2 细粒砂岩

取自陕西渭南，呈浅褐红色，质地均匀，色泽统一，内部孔隙较小，密实性好，颗粒粒径在0.05～0.25 mm内，属于细粒砂岩。由砂砾泥质胶结而成，主要成分为长石、石英和白云母等。

依据《水利水电工程孔隙砂岩试验规程》（SL264—2001）在西安科技大学岩石力学实验室完成标准岩石试样的加工（图1），岩样物理参数见表1。

1.2 试验设备及方案

观测不同粒度孔隙砂岩在单轴压缩荷载作用下的破坏过程的试验测试系统（图2）包括高速摄像机、光源和电液伺服控制低温高压岩土三轴测试系统。

Photron FASTCAM Mini UX型高速摄像机，最高分辨率为1 280×1 024，拍摄速率为4 000 fps，最短曝光时间为3.9 μs，能够完成孔隙砂岩破坏瞬间高分辨率影像的采集，捕捉颗粒、碎块的运动轨迹。本次试验采用1 280×1 000的分辨率，拍摄速率采用

1 000 fps.

RTX-1500型电液伺服控制低温高压岩土三轴测试系统，最大加载荷载为1 500 kN，最大测量变形为轴向12 mm和径向±6 mm，与高速摄像机同步试验，实时采集两种不同粒度砂岩在各个加载阶段的径向、轴向變形数据。本次试验加载速率为0.06 mm/min，加载速率在试验全过程保持不变。

调试两台摄像机和光源，从两个不同角度全方位捕捉单轴压缩破坏过程中岩样破坏图像。加载的同时立即进行初摄，以获取加载前的岩样图像和加载时间。采用位移控制式进行加载，加载速度为0.06 mm/min.加载后随时观察岩样表面和应力-应变曲线，分别在弹性阶段、接近屈服强度前、岩样破坏后进行多次拍摄，特别是在岩样表面产生宏观裂纹后进行多次抓拍，以获取两组不同粒度孔隙砂岩6个岩样在加载过程中不同破坏阶段的全过程图像。试验机自动采集并换算成对应的应力与应变数据并输出到数据采集系统，绘制出应力-应变曲线。

2 试验结果及分析

2.1 单轴压缩试验结果

图3～图4为试验得到的两组不同粒度孔隙砂岩单轴压缩过程中的应力-应变关系曲线。

图5、图6为岩样在不同加载过程中裂纹扩展贯通的图像。根据拍摄时间，可计算出各破坏图像所对应的加载大小和岩样强度。限于篇幅，仅以岩样B1和E5为例，进行破坏过程的分析。岩样B1强度为图3中A、B、C点时，其破坏过程图像分别对应图5中（a）、（b）、（c）图像。岩样E5强度为图4中D、E、F点时其破坏过程图像分别对应图6中（a）、（b）、（c）图像。

2.2 单轴压缩作用下孔隙砂岩破坏过程分析

根据试验结果，统计出岩样B1和E5宏观裂纹在单轴压缩荷载全过程的变化情况，见表2.

对于细粒砂岩B1，其加载破坏过程表现为：在加载时间为1 228.64 s时，细粒砂岩第1条宏观裂纹出现;且该裂纹快速扩展，在极短的时间内迅速分叉并贯通，整体破坏发生在瞬间，破坏时能量释放在瞬间完成，伴有岩屑崩溅以及巨大响声等类似岩爆现象。整个破坏过程裂纹形态变化快，破坏后的岩样整体性较差，碎块、岩屑多。

对于粗粒砂岩E5，其加载破坏过程表现为：在加载时间为520.83 s时，粗粒砂岩第1条宏观裂纹出现，但是该裂纹扩展慢，无分叉，经过198.98 s后该裂纹才贯通，整体破坏过程较慢。破坏时岩样没有产生岩石碎屑，破坏时能量散发较为缓和。粗粒砂岩孔隙大，胶结差，利于能量耗散，在破坏时没有很大响声;裂纹形态简单且变化慢。

两种不同粒度岩样的应力-应变曲线均经过压密阶段、弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段，但粗粒砂岩和细粒砂岩在应力-应变曲线各个阶段内展现出不同的特征（图3、图4）。

2.2.1 压密阶段

粗粒砂岩的压密阶段相对细粒砂岩较长，粗粒砂岩内部含有更多孔隙、微孔洞等缺陷，矿物颗粒胶结程度较弱，而细粒砂岩整体性和均质性较好。

2.2.2 弹性阶段

在弹性变形期间，细粒砂岩加载过程比粗粒砂岩长，其弹性模量远高于粗粒砂岩。细粒砂岩致密，具有更好的整体性，刚度大，抵抗弹性变形的能力强。

2.2.3 弹塑性阶段

细粒砂岩曲线到达其峰值强度以近似直线的方式，而粗粒砂岩曲线仍具有一定的平滑区域在到达峰值强度前，粗粒砂岩和细粒砂岩相比有较大的塑性变形。细粒砂岩弹塑性阶段较短，近乎没有出现。

2.2.4 破坏阶段

试件到达峰值强度后很快破坏，细粒砂岩瞬间破裂，且破裂时伴随有巨大爆裂声。粗粒砂岩破坏时的应变值较大，说明在承受载荷后具有较高的变形特性。

2.3 粒径对孔隙砂岩力学特性影响分析

试验结果表明，细粒砂岩的单轴抗压强度是粗粒砂岩的21.34倍，弹性模量为粗粒砂岩的10.24倍，密度为粗粒砂岩的1.33倍（表3）。细粒砂岩粒径小，内部构造严密，密实性好，胶结强度高，宏观上也呈现出很强的力学性质。而粗粒砂岩粒径大，內部结构松散，胶结强度弱，宏观力学性能低。可见，粒径是影响岩石力学性能的重要因素。

3 粒度对砂岩破坏模式的影响分析

3.1 表面宏观裂纹形态分析

采用全局阈值法中的大津法对高速摄影试验结果进行图像处理和分析。大津法的基本原理是：通过设定阈值，将图像分割为两组，一组灰度对应目标，另一组灰度对应背景，则这两组灰度值的类间方差最大，类内方差最小。对于岩样破坏过程产生的裂纹而言，裂纹即为目标，除裂纹外的其他部分即为背景。通过图像分割，可准确提取裂纹，展现岩样破坏过程中裂纹的萌生、扩展、贯通和破坏的全过程，并对岩样破坏过程进行定量分析。对两种不同粒度孔隙砂岩破坏过程图像进行二值化处理结果如图7～图8所示。

根据二值化图像处理结果可直观地观察岩样破坏过程中裂纹形态及变化特征。细粒砂岩B1在开始加载至89.77 MPa时，经历时间1 228.64 s，在岩样右下角产生翼裂纹（图7（a））;继续加载至应力达到100.46  MPa，在1 285.58 s时该裂纹扩展接近贯通（图7（b））;在加载时间到达1 356.52 s时，岩样应力达到103.14 MPa，砰的一声，岩石碎裂，岩块四溅，产生巨响，在破坏瞬间产生强大的的动力效应，在工程实践中应对这种情况加以预防。

粗粒砂岩E5在加载到4.85 MPa时，经过520.83 s在岩样下方中部萌生单裂纹（图8（a））;继续加载至601.32 s时，该裂纹仅沿轴向扩展并无分叉现象（图8（b））;当加载至5.63 MPa时，裂纹贯通，岩样破坏（图8（c））。

综上，对2种不同粒度孔隙砂岩破坏过程进行对比分析可知，粒度不仅影响岩石的力学性能，对其破坏过程也产生巨大差异。细粒砂岩破坏时岩块飞溅而粗粒砂岩则没有，细粒砂岩在加载过程中吸收能量较多，在破坏的瞬间急剧释放，宏观上表现为脆性破坏。粗粒砂岩从宏观裂纹产生至破坏时间历程较长，产生较大的应变，具有较强的塑性形变。

3.2 粒度对孔隙砂岩破坏模式的影响机理分析

孔隙砂岩的微细观结构决定其宏观力学特性，其最基本构成单位为颗粒，大小差异引起砂岩内部空间结构的不同，如图9所示为其微观示意图。细粒砂岩含有碎屑矿物颗粒较多，有胶结作用的黏土性矿物颗粒含量较少，粗粒砂岩则相反。

如图10所示，细粒砂岩粒度较小，碎屑颗粒平均密度高，整体密实性较好，微观成分之间接触面积较大，胶结作用强，宏观上表现出较大的抗压强度，但其残余试件完整性偏低，试件崩解、解体特性严重;粗粒砂岩则相反，颗粒粒径较大，胶结作用较弱，残余试件完整性较好。孔隙砂岩的颗粒粒度、胶结方式、组构特点、矿物成分等微细观特征，引起其宏观物理力学特性差异较大，进而形成不同的破坏过程及破坏模式。

细粒砂岩B1、B2、B3破坏模式如图11所示，3个细粒砂岩均沿主剪切贯通面，主裂纹有分叉，表现为剪切破坏。而粗粒砂岩C5、D5、E5破坏模式如图12所示，3个粗粒砂岩均沿一条主裂纹劈裂破坏，主裂纹无分叉，岩样破坏时能够保持较好的完整性，表现为劈裂破坏。

4 结 论

1）两种不同粒度岩样的应力-应变曲线均经过压密阶段、弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段，但在弹性变形期间，细粒砂岩加载过程比粗粒砂岩长;细粒砂岩曲线到达其峰值强度以近似直线的方式，而粗粒砂岩曲线仍具有一定的平滑区域;细粒砂岩弹塑性阶段较短。

2）粒径对岩样整个破坏过程有重要影响。细粒砂岩在单轴压缩荷载作用下。第1条宏观裂纹产生后，岩样应力迅速到达峰值强度，且裂纹快速分叉。弹性变形阶段所积聚的弹性能在岩样破坏时瞬间释放，使得细粒砂岩在破坏时产生很强的动力效应。而粗粒砂岩从宏观裂纹产生至岩样破坏过程中，裂纹扩展慢，主裂隙无分叉，裂纹形态简单且变化慢。粗粒砂岩孔隙大，胶结差，利于能量耗散，因而破坏时能量散发较为缓和，没有岩屑飞溅等动力效应。

3）单轴荷载作用下的高速摄影实时观测试验中的细粒砂岩B1、B2、B3残余试件完整性较差，而粗粒砂岩C5、D5、E5完整性较好。细粒砂岩B1、B2、B3单轴压缩破坏模式表现为剪切破坏，而粗粒砂岩C5、D5、E5表现为劈裂破坏。

4）本文初步分析了单轴压缩荷载作用下粒度对受荷砂岩破坏过程及破坏模式的影响，今后应考虑更多因素开展不同荷载条件下的试验，更全面系统地分析粒度对砂岩破坏过程及破坏模式的影响规律。

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