双轴压缩状态下岩体水力劈裂试验研究

史亚旋 徐力群 陶韵成 刘 冲 毛翼飞 沈宇扬

(1.河海大学 水利水电学院， 南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 210098)

岩体水力劈裂是指岩体内已有的裂隙、空隙在高压水流的驱动下发生扩张、扩展、相互贯通最终导致结构失稳破坏等物理现象的统称[1-2]，属于岩体渗流-应力耦合研究的一个子课题[3].自20世纪40年代美国试验成功以来，水力劈裂技术被广泛应用于石油增产和天然气开采.在岩土和水利领域，水力劈裂方法也被用于地应力测量、地基处理和防渗灌浆等[4]方面.水力劈裂也能引起严重地质灾害，如隧洞施工突水、高压输水结构开裂、深埋地下洞室涌水、岩质高边坡失稳、水库大坝渗透开裂等[5-6].随着一大批处于高水头、大埋深等恶劣水文地质环境中的水电工程建设，岩体水力劈裂破坏成为工程中要面对的重要问题.

水力劈裂涉及裂隙水流运动和周围岩石的变形耦合[7-8]，国内外针对这一复杂问题进行了许多试验研究.Papanastasion[9]通过试验，研究了岩石塑性屈服与剪胀对水力裂缝的张开与扩展的影响，定性分析了裂缝尖端在水力劈裂作用下的力学和结构上反应；Hock[10]等对均质砂岩进行三轴水力劈裂试验，通过改变最小主应力以及注射速率观察了裂缝宽度的变化；陈勉，庞飞，金衍[11]通过天然岩样和人造岩样的水力劈裂试验，探讨了围压、断裂韧度等因素对岩体水力劈裂过程的影响；冯帆，杨录胜，刘正和，等[12]以中心钻孔的正方体红砂岩为研究对象，在钻孔两侧预制裂缝，进行三轴水力劈裂试验，研究了裂缝方向对裂缝起裂与扩展规律的影响；王国庆，谢兴华，速宝玉[13]采用水泥砂浆作为岩石相似材料，制作厚壁圆筒试件并在试件外壁粘贴应变片进行水力劈裂试验，提出了试件破坏发生的判别依据；刘得潭，沈振中，徐力群，等[14]采用单裂缝立方体试件，研究了水力劈裂过程中裂缝劣化损伤和断裂的过程；徐力群，陶韵成，刘得潭，等[15]以自制水泥砂浆作为类岩石材料，应用断裂损伤相关理论，总结了内水压力和单轴压缩耦合作用下的岩体破坏规律.

1 试验概述

1.1 试样制备

天然岩体富含节理裂隙，较难用于制备大量尺寸与力学性质均相似的试样，而且在岩石试样中制作贯穿裂缝也易对试样造成破坏，形成潜在内部裂缝，不利于满足试验密封性要求.为便于试样制备并符合试验研究要求，采用水泥砂浆作为类岩石材料开展研究.试样尺寸为150mm×150mm×150mm，浇筑试样时，在模具中心预埋钢片以形成初始贯穿裂缝，裂缝长50mm，宽2mm.为记录试验过程中裂尖附近应变变化情况，养护结束后，在试样预制缝两侧粘贴应变片.试件材料配合比为水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5，经试验后确定水泥砂浆标准试样的力学参数如下：抗压强度为30.815MPa，抗拉强度为3.360MPa，弹性模量为19.22GPa，泊松比为0.213.

1.2 试验设备

双轴压缩试验的纵向压力加载装置采用电液伺服万能试验机，横向压力加载采用CLL-1050型螺母锁定分体分离式液压油压千斤顶，配有传力装置进行轴压的传导.缝内水压由自主制造的水压加载系统提供，该系统由电动施压泵、耐高压水管、储水箱、变电器和控制计算机等组成，可实现水压力的控制与实时记录.采用自主设计的水密封装置，该装置由工字型密封钢架，双层密封硅胶垫层组成，通过螺杆紧固方式使密封胶垫紧贴试件两端预制缝，保证缝内高压水流的密封.采用应变数据动态采集系统采集应变数据.安装完成后的试验装置如图1所示.

图1 试验装置

1.3 试验方案

为研究双轴压缩状态下，垂缝向和顺缝向两个方向轴压力对水力劈裂形态、扩展过程、裂尖应变、临界水压的影响，本文采用相似材料水泥砂浆制作劈裂试样，考虑两个方向不同大小的轴压，开展双轴水力劈裂试验，试样及轴压加载方式如图2所示.按荷载组合的不同，设计9组实验，每组3个试样.试验分组编号表见表1.同时将这9 组试样分为3 大组：A 组σct＞σcn，包括A-1-3、A-3-5、A-1-5；B组σcn=σct，包括B-1-1、B-3-3、B-5-5；C 组σcn＞σct，包括C-3-1、C-5-3、C-5-1.试验时，安装好试样和试验设备，加载轴压到设计值，最后加载水压，实时记录实验数据.

图2 试样及轴压加载方式

表1 双轴压缩状态状态下水力劈裂试验分组编号

2 试样破坏形态分析

双轴压缩状态下类岩石材料水力劈裂试验各组典型试样破坏形态如图3所示，水力劈裂破坏造成的裂缝均沿预制缝尖端起裂，并沿预制缝方向向外扩展，其形态细微，裂缝仅扩展至试样表面或侧面上一定距离，并未形成完全贯通试样的完整裂缝面.试样劈裂破坏后仍具有一定的完整性，且存在较大残余强度.观察试样破坏的整体形态相似，仅在裂缝开裂处存在差异.

图3 双轴压缩状态下水力劈裂试验典型试样破坏形态

A 组所有试样预制缝尖端均发生裂缝扩展，扩展路径较易观察，σct与σcn的差值越大，裂缝宽度越大.试样中的微裂隙在压应力作用下易于向与压力垂直方向张开，顺缝向轴压促使试样中的孔隙向垂缝向张开，故裂缝在高压水流作用下易于扩展，裂缝宽度更大.B组试样表面裂缝扩展路径与A 组试件类似，但裂缝宽度小于A 组.C 组试样表面扩展裂缝宽度较A、B两组更小，裂缝宽度大小排序为C-3-1＞C-5-3＞C-5-1，其中C-5-1的裂缝仅能通过挤压试样侧面的细微渗水纹路观察到.试验表观现象表明σcn对试样裂缝开裂有较大限制作用，σcn越大，裂缝宽度越小，当σcn大小相同时，σcn-σct的差越大，裂缝宽度越小.

综合分析以上几组试验的试样破坏形态可知，顺缝向轴压促进了水力劈裂过程，增加了高压水流的劈裂破坏能力；垂缝向轴压限制了裂缝的起裂与扩展，并且劈裂破坏后试件仍具有一定的残余应力，试样保持一定的整体性.

3 双轴压缩状态下岩体水力劈裂破坏过程分析

3.1 劈裂过程水压变化分析

双轴压缩条件下类岩石材料水力劈裂试验各组典型试样加载水压历时关系曲线如图4所示.

图4 双轴压缩条件下类岩石材料水力劈裂试样加载水压历时关系曲线图

由图4可知，双轴试验的加载水压历时关系曲线形状呈M 形.以水压历时曲线的峰值pc作为临界劈裂水压，将M 形曲线划分为前半段和后半段.M 形曲线前半段初期，水压力上升较缓，随后水压力以较快速度稳定上升，接近临界水压pc前，水压增速放缓，直至达到临界水压力pc；后半段水压力开始下降，然后稳定在某一值附近，随后水压再次快速跌落，缓慢逼近零值.M 形曲线中出现两次水压跌落现象，表明在双轴压缩的条件下，类岩石材料的水力劈裂存在二次劈裂破坏.

联合监管机构虽抽调了相关部门的执法人员参与现场监管，并明确了各单位的职责，但具体的责任落实体系尚未建立起来。因管理涉及多部门，造成内部管理综合协调难度较大；再加上部分单位受利益驱动或成本投入影响，在某些问题上虽能达成一致意见，但很难具体落实到位。对因履行监管职责不到位、工作不完全落实，导致偷采现象严重、采砂秩序混乱、影响防洪和通航安全的责任人，没有相关的预警和追究措施。

类岩石试样内部存在微小孔隙，在水压上升初期，水流进入填充缝内微裂隙，水压上升较缓，随后类岩石试样受水压作用处于弹性变形阶段，水压上升速度维持在较高水平.当水压接近临界劈裂水压pc时，裂尖损伤区开始发展，新的微裂隙逐渐生成，水流渗入损伤区微裂隙，水压增速开始放缓直至达到峰值pc，此时宏观裂缝形成，水力劈裂破坏发生，破坏后预制缝内高压水流大量渗入裂缝开裂处，导致水压迅速下降，开裂面越大，水压下降速度越快.

试样在首次水力劈裂破坏后裂缝发生一定程度的扩展，形成了渗水通道，导致预制裂缝界面上的水压力减小，而轴压σcn限制了裂缝的惯性延伸，开裂面等渗水通道会受到挤压闭合，使渗水流量下降.当渗水流量逐渐下降至进水流量时，水量达到平衡，进入水压平稳期.在轴压σcn较大的试件中，如C 组C-5-1-2试样，水压进入平稳期后小幅回升，但上升有限，不超过临界劈裂水压pc，表明部分较深区域的裂缝面在轴压作用下可能存在裂缝闭合过程.

为分析双轴压缩条件下不同方向轴压对临界劈裂水压的影响，得到各组试样临界劈裂水压均值和不同方向轴压关系图，如图5和图6所示.

图5 临界劈裂水压与垂缝向轴压关系

由图5可知，当顺缝向轴压一定时，临界劈裂水压与垂缝向轴压呈线性正相关关系，σcn越大，pc也越大.σcn从0.1MPa增大至0.5MPa，pc从2.373 MPa、2.258MPa、2.041MPa 增 大 为2.962MPa、2.676MPa、2.205MPa，分别增大了24.8%、18.5%、8.0%.由试件受力状态可知，垂缝向轴压对裂缝的张开起抑制作用，劈裂水压不仅需要克服试样本身的抗拉性能，还需要抵抗轴压σcn，因而垂缝向轴压σcn增强了试样的抗水力劈裂能力.

图6 临界劈裂水压与顺缝向轴压关系

由图6可得，当垂缝向轴压一定时，临界劈裂水压与顺缝向轴压呈线性负相关关系，即临界劈裂水压随σct的增大而减小.σct从0.1MPa增大至0.5MPa，pc从2.962MPa、2.719MPa、2.373MPa 减 小 为2.205MPa、2.147 MPa、2.041 MPa，分 别 减 小 了25.6%、21.0%、14.0%.根据线弹性断裂力学理论，当缝端应力强度因子达到材料的断裂韧度时，裂缝开始失稳扩展，试样在试验应力状态下，预制缝尖端应力强度因子只与垂缝向轴压和缝内水压有关，而与顺缝向正应力无关，也即临界劈裂水压与σct无关.由于线弹性断裂力学假定材料是均质的，但在试验试样及实际工程中，岩石等准脆性材料具有不均匀、各向异性等特性，内部分布着大量形态复杂且无序的孔隙，在顺缝向轴压作用下，试样内部的微裂隙由于应力集中而易于张开，缝内高压水流渗入使得裂尖损伤区更易开裂扩展.同时，材料的非均质也会引起局部区域的拉应力，在顺缝向压应力作用下，考虑到水泥砂浆各相组分的泊松比不同，材料内部各相组分界面将产生垂缝向拉应力，该拉应力会加剧试样内部损伤，使裂缝易于扩展，因此顺缝向轴压促使临界劈裂水压减小.

3.2 裂缝尖端开裂应变分析

双轴压缩状态下，各组典型试样水压-应变历时曲线如图7所示.由图7可知，M 形曲线表明试样发生首次劈裂时，应变ε与加载水压p同时达到峰值，裂缝尖端附近应变与水压同步变化，但发生二次劈裂时，水压p稳定维持在较高的水平，应变ε会再次突然上升，达到第二个应变峰值，随后与水压p同步快速跌落.从M 形曲线的试验现象可得出：水力劈裂破坏之前，缝内水压在裂缝尖端引起拉应力区，随着水压上升，拉应力不断增大；当水力劈裂发生时，缝内水压瞬间下降，拉应力随之下降；二次劈裂时，水力裂缝贯穿试样，造成瞬间的卸荷，垂缝向轴压瞬间减小，预制缝端应变随之有一定程度增大，随后轴压稳定，高压水流流出，水压快速下落，应变随之同步下降.

图7 各组典型试样水压-应变历时曲线

分析3组试样的应变历时曲线，水压上升阶段，应变历时曲线较为平滑，第一次劈裂后的水压稳定阶段，应变ε呈现不同程度的波动现象，其中，C-5-3-2试样的波动最为剧烈.主要原因是在弹性变形阶段，裂尖的应变随应力的增大而增大，增大速率较为稳定；当劈裂发生时，高压水进入劈裂裂缝，促使裂缝扩张，而轴压力σcn又会抑制裂缝的扩张，在渗流-应力耦合作用下，由于裂缝宽度较小，在预制缝尖端呈现张开闭合往复作用，因此应变测值不断波动.C 组试样劈裂裂缝宽度较小，其中C-5-3-2试样的σcn较大，对裂缝张开的抑制作用较强，应变历时曲线的波动较明显.由图7可知，C-5-3-2试样预制缝尖端的应变片2号和4号的应变历时曲线波动段对称分布，预制缝两端张开闭合呈对称性.一端因轴压闭合，另一端因高压水张开，该渗流-应力耦合作用促使裂缝不断扩展，最终导致试样完全劈裂破坏.

3.3 水力劈裂破坏过程研究

根据双轴压缩条件下类岩石材料水力劈裂试验的水压-应变历时曲线，可将其水力劈裂过程划分为5个阶段：弹性变形阶段、缝端损伤区发展阶段、劈裂破坏阶段、劈裂后的持续变形开裂阶段、完全破坏阶段，如图8所示.

图8 类岩石材料的水力劈裂阶段划分

1)弹性变形阶段：类岩石材料在水压作用下发生弹性变形，此时裂缝并未扩展.

2)缝端损伤区发展阶段：缝端损伤区随着水压力p的增大而萌生发展，缝端区域微裂缝生成，水压上升速率有所下降，但此时结构并未失稳破坏.

3)劈裂破坏阶段：p=pc，结构发生劈裂破坏，破裂瞬间裂缝快速扩展，水压力p随着宏观裂纹的产生而发生骤降.

4)劈裂后的持续变形开裂阶段：水压下降后对裂缝尖端的张拉作用减小，使得裂缝扩展速度减缓，裂缝面受到缝内水压力和垂缝向压力的共同作用，使得水压力维持在一定水平.当垂缝向压力较大时，裂缝面的重新闭合会导致平稳期后水压力有小幅回升.在轴压与水压的共同作用下，裂缝尖端将持续以相对缓慢的速度变形开裂.

5)完全破坏阶段：裂缝尖端持续扩展直至贯通试件，形成稳定渗水通道或贯通劈裂面，加载水压再次骤降，此时结构已完全破坏，压力水通过贯穿裂纹持续流出.

4 结 论

1)双轴压缩状态下，岩体结构水力劈裂后裂缝宽度较小，垂缝向轴压可限制裂缝扩展，劈裂破坏后结构有较大残余强度；顺缝向轴压促进岩体水力劈裂过程，放大了高压水流的劈裂破坏能力.

2)顺缝向轴压σct与pc呈负相关，σct从0.1MPa增大至0.5MPa，pc分别减小了25.6%、21.0%、14.0%，垂缝向轴压σcn与pc呈正相关，σcn从0.1MPa增大至0.5MPa，pc分别增大了24.8%、18.5%、8.0%；顺缝向轴压加剧了岩体微裂隙的应力集中，对水力劈裂过程起较强促进作用，垂缝向轴压增强了结构的抗水力劈裂能力，对水力劈裂过程起较强抑制作用.

3)垂缝向轴压可抑制水力裂缝的惯性延伸，缝端起裂后，裂缝可以以一定速度持续扩展；水压加载历时曲线呈M 形，水压以较快速度上升至峰值pc随即快速下降，经历平稳期后结构发生二次劈裂破坏；可将岩体水力劈裂过程划分为5 个阶段：弹性变形阶