夏洪春，朱训国

(1.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622；2.大连大学 复杂结构系统灾害预测与控制辽宁省重点实验室，辽宁 大连 116622)

在荷载作用下，岩石首先会发生变形，随后，当作用的荷载不断增大，或者在荷载超过某一数值而保持恒定时，随着这个恒定荷载作用时间的增长，均可导致岩石的破坏。

因此，岩石的变形和破坏，是在荷载作用下岩石性能变化过程中的两个不同阶段。在变形阶段中也包含有岩石破坏的因素，而岩石破坏阶段也可以看作是变形不断发展的结果。

地下工程，如隧道、巷道等构筑物上的岩石压力是由于岩石变形和破坏而产生的。因此，研究岩石的变形特性和破坏模式对地下工程的安全而言就有重大意义。

多年来，国内外众多专家学者对此问题进行了大量的研究。牛双建等[1]采用MTS815刚性伺服试验机，研究了不同加载路径下砂岩的破坏模式；韩铁林等[2]采用WDT-1500多功能材料试验机，通过三轴试验研究了不同应力路径下砂岩力学特性。杨圣奇等[3]采用岩石力学伺服试验机与声发射仪，对含孔洞裂隙砂岩的力学特性进行单轴压缩试验。苏承东等[4]利用自制装置在RMT-150B电液伺服岩石力学试验系统，对义马新安煤层顶板砂岩、砂质泥岩和泥岩等煤层顶板破碎岩石压实特征进行了试验研究。宋义敏等[5]以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段，通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究；张艳博等[6]通过对含水砂岩进行单轴加载声发射试验，获取声发射信号，深入研究了砂岩在破坏过程中的频谱特性；邓华锋等[7]通过巴西盘试验，研究了其对岩石劈裂抗拉强度的影响；赵宝云等[8]以重庆市典型的红砂岩为研究对象，应用自行设计加工的岩石单轴直接拉伸装置进行该红砂岩的单轴直接拉伸蠕变试验。基于试验结果，研究红砂岩在单轴直接拉伸作用下的轴向蠕变、侧向蠕变以及卸荷蠕变规律，并探讨红砂岩蠕变断裂特征。郭臣业等[9]利用MTS815岩石力学试验系统，对永川煤矿砂岩样进行三轴等围压试验，深入研究了砂岩在不同加载条件下的峰后变形、破坏和应变能特征。沈明荣第[10]通过对完整红砂岩在CSS-2950岩石双轴流变试验机上进行的单轴压缩蠕变试验，利用过渡蠕变法、等时曲线法探讨了这些方法确定岩石长期强度在理论上的正确性和试验方法的可操作性；张志镇等[11]利用MTS815.02试验系统，研究了不同加载速率下红砂岩能量演化及分配规律。刘东燕等[12]应用自行研制的岩石直接拉伸装置对红砂岩进行了单轴直接拉伸蠕变试验，得到了在低应力状态和高应力状态下的蠕变规律，并据此对Burgers蠕变模型进行了改进。

本文在上述研究成果的基础上，利用MTS815 刚性伺服试验系统，对同煤集团晋华宫煤矿402盘区5210巷道顶板砂岩的变形特性进行深入研究，以期获得砂岩在无侧限单轴抗压荷载作用下的破坏特征和变形规律，为回采巷道围岩稳定性分类及支护设计等技术问题提供科学依据。

1 试验设备与试验试样

1.1 试验设备

本次试验采用图1所示MTS815.03岩石伺服机进行试验。该试验机最大加载荷载为2 800 kN，最大围压为80 MPa，可进行常规和高温条件下的各种加卸载和渗流试验，是目前研究岩石特性的主要仪器之一。

图1 MTS815.03伺服试验系统

1.2 试验试样

进行试验的岩石试块采自402盘区8210工作面，取样位置分别位于距开切眼1 030 m和1 400 m处。在现场采用钻孔取芯，取得岩样后即密封，以保证与现场有相同的湿度和含水率。岩样有三种，分别为粉细互层岩、细砂岩、中粗砂岩。取样后运抵实验室，根据岩石力学试验规程在实验室加工成标准岩石试件。

关于单轴抗压强度试验试样，加工后为圆柱状标准试件(见图2)，其高径比为2∶1。试件尺寸如表1所示。

图2 试验加载岩石试样图

表1 单轴抗压强度试验试样尺寸

2 单轴压缩试验结果分析

2.1 单轴压缩试样破坏模式分析

压缩试样采用图2试样，试验在MTS电液伺服岩石试验机上进行，对试样加载方式采用自动控制系统，可以避免压力达到试件极限强度后迅速破坏而得不到压力峰值后的应力应变曲线，峰前加载速度采用0.1 mm/s，峰后加载速度采用0.2 mm/s。图3为部分中粗砂岩试样破坏后的试件典型照片。

文献[1] 通过试验，提出了岩石试样破坏形式主要有劈裂破坏和剪切破坏。但本文通过试验发现，岩石试样的破坏形式还包括其他类型。从宏观角度分析，图3中岩石试样的破坏形式包括文献[1]中所提到的劈裂破坏，如试样1400-3#主要是单贯通劈裂破坏，试样1030-2#则是多裂纹贯通劈裂破坏；除了劈裂破坏外，还存在以剪切破坏为主，局部张拉破坏的破坏模式，如试样1030-3#、1400-2#。除上述两种破坏模式外，本文作者通过试验还发现了一种破坏模式，即试样1030-1#、1400-1#所表现的剪切与劈裂共存的破坏类型。因此，综合上述分析，本次试验中试样的破坏模式包括三种，劈裂模式、剪(主)+拉(次)模式、劈+剪共存模式。

图3 岩石单轴压缩破坏典型照片

2.2 单轴压缩试验力学参数结果分析

表2为通过岩石试验机所获得岩石试样的各种力学参数，图4为应力-应变曲线。

图4 岩石试样应力-应变曲线

表2 岩石试样单轴压缩试验结果

从图4可以看出，砂岩单轴压缩试验条件下，其变形特征可以分为两大阶段，应力增长阶段和应力跌落阶段。而应力增长阶段又可进一步分为初始裂纹压密阶段和线性变形阶段。在图4(f)中，2#试样的变形特征除呈现初始裂纹压密阶段、线性变形阶段外，还有一定的非线性变形特性。总体而言，对于本次试验，砂岩单轴压缩条件下的变形大体可以分为以下几个阶段：初始裂纹压密阶段→线性变形阶段→应力跌落阶段。同时，从图中还可以看出，在应力跌落阶段，大部分试样不具有残余强度，只有极少数试样在发生破裂后还具有一定的残余强度，说明这些试样发生的破坏模式应该是多裂纹贯通破坏模式。

2.3 破坏模式因素分析

近年来，大量的研究表明，仅仅从应力/应变全过程曲线已经无法解释发生多种破坏模式的原因了。因此，必须从其他角度对此问题进行分析研究，能量演化分析就是目前应用较多的理论和方法[1,11]。因此，本文应用文献[13] 和文献[1] 所提出的方法对本次试验试样的破坏模式进行分析研究。

文献[1]中提出，假定岩样与外界没有能量交换，即没有能量损失。那么外力功U即为岩样受力所吸收的能量U0，那么试样所吸收的能量就包括两部分，一部分是单位岩样所存储的可释放的弹性应变能Ue，另一部分则是单位岩样在加载变形过程中耗散掉的耗散能Ud。其关系为：

U0=Ue+Ud

(1)

其中:

(2)

式中,σ1i、ε1i分别为轴向应力-应变曲线上每一点的应力和应变值，且初始应力和初始应变均为0。

由式(2)可知，U0实际为应力-应变曲线下方所包含的面积；对于可释放弹性应变能Ue，假设岩样在应力-应变曲线上卸载曲线和再加载曲线基本一致，卸载弹性模量Ei可采用峰值前弹性段的弹性模量E代替，计算曲线上任意一点的可释放弹性应变能时，均可根据该点的应力值和峰值前弹性模量确定，即:

(3)

将试验数据代入式(1)～(3)可计算出单轴压缩试验中砂岩岩样破坏前(峰值点处)、后(残余段起始点)的各能量指标。以中粗砂岩试样为例进行分析，具体结果见表3。

表3 单轴压缩条件下中粗砂岩试样破坏前后能量指标

文献[1]认为试样破坏模式与试样破裂前后的能量指标大小有直接关系，但通过对表3与图3的分析，笔者认为：试样破裂模式与试样破裂前后的能量指标关系不大，而与试样破裂前后的耗散能比值有直接的关系。比值越小，试样破裂的块体越小，比值越大，试样破裂的块体越大。以此结论对文献[1]中单轴压缩试验试样破裂模式进行分析：文献[1]表2中U05的耗散能比值最小，试样发生完全破裂，其破裂模式表现为剪切破坏为主，附带局部张拉破裂的破坏模式。随着比值的增大，试样的破裂模式表现为多裂纹劈裂贯通，单裂纹劈裂贯通。这样就比较合理的解释了文献[1]中图3岩石试样的破裂模式。

以本文所提出的结论对本文试验结果进行分析。从表3中耗散能比值的计算结果，加之对比图2岩石试样试验结果，再次验证了本文所提出的通过试样破坏前后耗散能比值确定试样破坏模式的结论。即通过表3中的计算结果，可以确定试样1400-3#主要是单贯通劈裂破坏，试样1030-2#是多裂纹贯通劈裂破坏；试样1030-3#、1400-2#则是以剪切破坏为主，局部张拉破坏的破坏模式。试样1030-1#、1400-1#所表现的剪切与劈裂共存的破坏类型。

3 结 论

本文以晋华宫煤矿某巷道顶板砂岩为研究对象，通过对试样进行单轴压缩试验，分析和研究了砂岩在单向压缩条件下的变形特性和破坏模式。通过分析研究，本文得到以下结论：

1)砂岩受压时表现出很强的脆断性，当荷载达到最大时，应力突然出现一个跌落现象。另外，不同岩性岩样出现脆断的时间也不尽相同。

2)根据能量耗散理论，本文重新提出了单向压缩条件下试样破坏模式与耗散能之间关系的新结论：认为试样破裂模式与试样破裂前后的能量指标关系不大，而与试样破裂前后的耗散能比值有直接的关系。比值越小，试样破裂的块体越小，比值越大，试样破裂的块体越大。并根据此结论重新对文献[1]与本文试验结果进行了分析，验证了本文所提出的结论的正确性。

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