三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆

工程科学学报，第37卷，第4期：399-406,2015年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.4:399-406,April 2015 D0:10.13374j.issn2095-9389.2015.04.001:htp:/journals..usth.edu.cm 三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压 的变化特征及其临界破裂前兆 张月征，纪洪广☒ 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jihongguang@ces.usth.cdu.cn 摘要为讨论饱水岩石中孔隙水压与损伤变形过程的关联性，探究岩石破坏的孔隙水压前兆特征信息，采用三轴压缩试 验、渗流实验相结合的方法，分析了在不同孔隙水压和不同围压条件下饱水岩石变形破坏过程中损伤扩展与孔隙水压变化的 内在联系.研究表明：(1)开放饱和岩石单元体中，岩石在受荷破坏全过程中的初始压密、弹性压缩、塑性变形和破坏失稳阶 段，孔隙水压呈现增高、稳定、逐渐减小和锐减变化：(2)岩石破坏的孔隙水压前兆特征明显，在主破裂前夕，内部损伤加剧，裂 隙贯通，孔隙水压将失去稳定状态，孔隙水压由稳态锐减可作为岩石破裂的前兆信息：(3)在应力变化大、高孔隙水压以及高 围压条件下，孔隙水压对损伤发展更为敏感，响应也更明显，孔隙水压与损伤发展相互影响，互为关联，损伤扩展造成孔隙水 压降低，孔隙水压降低又促进损伤发展；(4)可以尝试在深部开采工程中监测岩体内部孔隙水压的变化来预测岩体失稳的突 发性灾害. 关键词岩石力学：压缩试验：破裂：孔隙水压 分类号TD315:0351.1 Pore water pressure change-related characteristic and its critical rupture precursor of rock under triaxial compression ZHANG Yue-zheng,JI Hong-guan School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT The change of pore water pressure in saturated rocks was closely associated with its damage deformation.In order to study the precursory characteristics of pore water pressure before the damage of saturated rock,the triaxial compression test and seep- age test were used in the paper.The research show that:1)During the process of damage in open saturated rock unit,namely phases of the initial compression,elastic compression,plastic deformation and destruction,the pore water pressure would increase,stay sta- ble,gradually decrease,and sharply decrease respectively:2)Internal damage intensified,cracks connected with the pore water pres- sure lost steady state could be used as a precursor to rock failure information:3)The pore water pressure to the development of damage was more sensitive and the response was more obvious in the condition of large pressure change,high pore pressure and high confining pressure:Pore pressure and damage development were interrelated,that the development of damage caused the decrease of pore pres- sure.At the same time the decrease of pore water pressure promoted the development of damage:4)It was proposed that internal pore water pressure could be monitored as a method to predict sudden disasters of the rock instability in deep mining engineering. KEY WORDS rock mechanics;compression testing:rupture:pore water pressure 收稿日期：2014-12-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174015)：国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB226803,2010CB731501)

工程科学学报，第 37 卷，第 4 期: 399--406，2015 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 4: 399--406，April 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 04． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压 的变化特征及其临界破裂前兆 张月征，纪洪广 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: jihongguang@ ces． ustb． edu． cn 摘 要 为讨论饱水岩石中孔隙水压与损伤变形过程的关联性，探究岩石破坏的孔隙水压前兆特征信息，采用三轴压缩试 验、渗流实验相结合的方法，分析了在不同孔隙水压和不同围压条件下饱水岩石变形破坏过程中损伤扩展与孔隙水压变化的 内在联系． 研究表明: ( 1) 开放饱和岩石单元体中，岩石在受荷破坏全过程中的初始压密、弹性压缩、塑性变形和破坏失稳阶 段，孔隙水压呈现增高、稳定、逐渐减小和锐减变化; ( 2) 岩石破坏的孔隙水压前兆特征明显，在主破裂前夕，内部损伤加剧，裂 隙贯通，孔隙水压将失去稳定状态，孔隙水压由稳态锐减可作为岩石破裂的前兆信息; ( 3) 在应力变化大、高孔隙水压以及高 围压条件下，孔隙水压对损伤发展更为敏感，响应也更明显，孔隙水压与损伤发展相互影响，互为关联，损伤扩展造成孔隙水 压降低，孔隙水压降低又促进损伤发展; ( 4) 可以尝试在深部开采工程中监测岩体内部孔隙水压的变化来预测岩体失稳的突 发性灾害． 关键词 岩石力学; 压缩试验; 破裂; 孔隙水压 分类号 TD315; O351. 1 Pore water pressure change-related characteristic and its critical rupture precursor of rock under triaxial compression ZHANG Yue-zheng，JI Hong-guan School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: jihongguang@ ces． ustb． edu． cn ABSTＲACT The change of pore water pressure in saturated rocks was closely associated with its damage deformation． In order to study the precursory characteristics of pore water pressure before the damage of saturated rock，the triaxial compression test and seep￾age test were used in the paper． The research show that: 1) During the process of damage in open saturated rock unit，namely phases of the initial compression，elastic compression，plastic deformation and destruction，the pore water pressure would increase，stay sta￾ble，gradually decrease，and sharply decrease respectively; 2) Internal damage intensified，cracks connected with the pore water pres￾sure lost steady state could be used as a precursor to rock failure information; 3) The pore water pressure to the development of damage was more sensitive and the response was more obvious in the condition of large pressure change，high pore pressure and high confining pressure; Pore pressure and damage development were interrelated，that the development of damage caused the decrease of pore pres￾sure． At the same time the decrease of pore water pressure promoted the development of damage; 4) It was proposed that internal pore water pressure could be monitored as a method to predict sudden disasters of the rock instability in deep mining engineering． KEY WOＲDS rock mechanics; compression testing; rupture; pore water pressure 收稿日期: 2014--12--18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174015) ; 国家重点基础研究发展计划资助项目( 2010CB226803，2010CB731501)

·400· 工程科学学报，第37卷，第4期 监测岩石中孔隙水压或地下含水层水位的变化是 压水头的变化，为含水层孔隙率，为含水层骨架的 地震预测预报重要的方法之一，而人类采矿工程活动 垂向压缩系数，B为水的体积压缩系数，P为水的密度， 引发的冲击地压等岩体失稳突发性灾害在成因方面与 g为重力加速度. 天然地震存在密切相关性，都是岩体在区域构造应力 式(1)表明△H的变化与垂向应力变化△σ.和含 条件下的失稳现象，发生时岩体中赋存的能量在短时 水层孔隙率n这两个变量因素密切相关，反映出处于 间内释放，因此可考虑监测工程岩体中孔隙水压的变 弹性阶段的含水层或岩体中孔隙水微动态变化与地应 化来预测冲击地压的发生.目前，关于岩石孔隙水的 力变化的关系：而岩石塑性破坏阶段的孔隙水压变化 研究多集中于岩石中孔隙水的存在对岩石的物理力学 较难通过理论公式计算获得，这一阶段的孔隙水压变 性质的影响.一般认为岩石在饱水情况下受压，孔隙 化特征需要通过实验来获取，以捕捉岩体破坏的孔隙 水压会对岩石强度和破坏方式产生明显影响，对弹性 水压前兆信息.因此，为探知岩石受力变形过程中损 模量的影响不明显0；岩石渗透性与其内部损伤、变形 伤扩展与孔隙水压变化相关性，设计采用三轴压缩试 存在密切联系，国内学者多采用岩石伺服三轴试验机 验和渗流实验相结合的方法模拟研究岩石开放单元体 研究渗流一应力耦合作用下岩石渗透性与变形的关联 (与外界发生水力联系)受压破坏过程中孔隙水压的 性，得出了弹塑性阶段岩石渗透率“持平一增长”的变 变化.考虑到岩石渗透性很小，故忽略渗流力的作用 化特征，围压水平影响渗透敏感性的规律，岩石渗透性 影响，根据水力的传递效应，同服水压力系统的水压可 与孔隙水压也存在内在联系习：在地震研究中，车用 视作与岩石内孔隙水压等同. 太和鱼金子”认为含水层中出现的水位变化是地震前 1.2实验设备 兆异常信息的根源.岩石受载后的宏观断裂、失稳和 实验设备采用沈阳TAW一2000微机控制电液伺 破坏与其变形时内部微裂纹的分布及微裂隙的产生、 服岩石三轴试验机（门式整体铸造结构，刚度大于10 扩展和贯通密切相关，岩石变形又造成了其内部孔 GNm,最大轴压为2000kN,最大围压为100MPa), 隙体积的变化，含水岩体变形导致其孔隙水体积的 配备KS-60型孔隙水压系统（最大孔隙水压为60 变化进而引起岩体中孔隙水压力的变化四.根据这 MPa,水压加载速率为0.O1~1MPa·s,水流量控制 一原理，将孔隙水压的变化异常应用到冲击地压的 速率为0.1~200mL·min),该仪器用于研究岩石在 预测中，还需深入研究岩石损伤扩展与孔隙水压和 多种环境下的力学特性，可自动完成岩石的三轴压缩 渗透性变化的相关性，来探索岩体临界破裂孔隙水 试验和孔隙渗透实验，见图1. 压的前兆信息可 本文采用同服三轴压缩试验和渗流实验结合的方 法，获得了砂岩在微破裂扩展到主破裂形成过程中孔 隙水压和渗透率变化特征，通过分析三者之间的相互 变化关系，得出了在开放水力单元体中岩石产生损伤 直至破坏过程中孔隙水压的阶段变化模式. 1岩石受力过程中孔隙水压变化的三轴试 验研究 图1伺服岩石三轴试验机 1.1含水地层中孔隙水压变化机制 Fig.1 Servo rock triaxial testing machine 当地层中构造应力变化涉及含水岩土层时会造成 岩土体的受力变形，岩土体的变形会引起其中孔隙体 1.3实验方案 积的变化，进而引起岩土体中孔隙水压的变化.车用 含水层由于其赋存条件及深度不同，孔隙水压和 太和鱼金子四认为孔隙率的变化与受力的性质有关， 岩体的受力环境产生变化·设计初始水压力为三组： 在压应力作用下孔隙率变小，在张应力作用下孔隙率 3.9、4.9和5.9MPa,分别代表不同深度含水地层中的 变大，在剪应力作用下孔隙率不发生变化.对于含水 孔隙水压.另外，围压对岩石的破坏强度和损伤裂纹 层中水微动态的研究已持续多年，张昭栋圆研究了理 发展会产生影响，在孔隙水压为3.9MPa的实验中设 想承压含水层在垂向应力σ，变化影响下孔隙水压的 计了多种围压条件，来模拟不同埋深条件下的地层岩 变化模式，得出了孔隙水压与应力变化的关系式： 体受地应力控制情况. AH=B+L-n）a.Aa 实验过程中，采用三轴常规破坏试验和渗流实验 (1) 2Bpg 方法，对饱和砂岩试样加载至破坏.首先以速率0.5 式中，△H为含水层垂向应力σ，变化时引起的孔隙水 MPa·s将围压加载至相应水平，随后以速率0.2MPa

工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 监测岩石中孔隙水压或地下含水层水位的变化是 地震预测预报重要的方法之一，而人类采矿工程活动 引发的冲击地压等岩体失稳突发性灾害在成因方面与 天然地震存在密切相关性，都是岩体在区域构造应力 条件下的失稳现象，发生时岩体中赋存的能量在短时 间内释放，因此可考虑监测工程岩体中孔隙水压的变 化来预测冲击地压的发生． 目前，关于岩石孔隙水的 研究多集中于岩石中孔隙水的存在对岩石的物理力学 性质的影响． 一般认为岩石在饱水情况下受压，孔隙 水压会对岩石强度和破坏方式产生明显影响，对弹性 模量的影响不明显［1］; 岩石渗透性与其内部损伤、变形 存在密切联系，国内学者多采用岩石伺服三轴试验机 研究渗流--应力耦合作用下岩石渗透性与变形的关联 性，得出了弹塑性阶段岩石渗透率“持平—增长”的变 化特征，围压水平影响渗透敏感性的规律，岩石渗透性 与孔隙水压也存在内在联系［2 － 3］; 在地震研究中，车用 太和鱼金子［1］认为含水层中出现的水位变化是地震前 兆异常信息的根源． 岩石受载后的宏观断裂、失稳和 破坏与其变形时内部微裂纹的分布及微裂隙的产生、 扩展和贯通密切相关，岩石变形又造成了其内部孔 隙体积的变化，含水岩体变形导致其孔隙水体积的 变化进而引起岩体中孔隙水压力的变化［4］． 根据这 一原理，将孔隙水压的变化异常应用到冲击地压的 预测中，还需深入研究岩石损伤扩展与孔隙水压和 渗透性变化的相关性，来探索岩体临界破裂孔隙水 压的前兆信息［5］． 本文采用伺服三轴压缩试验和渗流实验结合的方 法，获得了砂岩在微破裂扩展到主破裂形成过程中孔 隙水压和渗透率变化特征，通过分析三者之间的相互 变化关系，得出了在开放水力单元体中岩石产生损伤 直至破坏过程中孔隙水压的阶段变化模式． 1 岩石受力过程中孔隙水压变化的三轴试 验研究 1. 1 含水地层中孔隙水压变化机制 当地层中构造应力变化涉及含水岩土层时会造成 岩土体的受力变形，岩土体的变形会引起其中孔隙体 积的变化，进而引起岩土体中孔隙水压的变化． 车用 太和鱼金子［1］认为孔隙率的变化与受力的性质有关， 在压应力作用下孔隙率变小，在张应力作用下孔隙率 变大，在剪应力作用下孔隙率不发生变化． 对于含水 层中水微动态的研究已持续多年，张昭栋［6］研究了理 想承压含水层在垂向应力 σv 变化影响下孔隙水压的 变化模式，得出了孔隙水压与应力变化的关系式: ΔH = nβ + ( 1 － n) α 2βρg ·Δσv ． ( 1) 式中，ΔH 为含水层垂向应力 σv 变化时引起的孔隙水 压水头的变化，n 为含水层孔隙率，α 为含水层骨架的 垂向压缩系数，β 为水的体积压缩系数，ρ 为水的密度， g 为重力加速度． 式( 1) 表明 ΔH 的变化与垂向应力变化 Δσv 和含 水层孔隙率 n 这两个变量因素密切相关，反映出处于 弹性阶段的含水层或岩体中孔隙水微动态变化与地应 力变化的关系; 而岩石塑性破坏阶段的孔隙水压变化 较难通过理论公式计算获得，这一阶段的孔隙水压变 化特征需要通过实验来获取，以捕捉岩体破坏的孔隙 水压前兆信息． 因此，为探知岩石受力变形过程中损 伤扩展与孔隙水压变化相关性，设计采用三轴压缩试 验和渗流实验相结合的方法模拟研究岩石开放单元体 ( 与外界发生水力联系) 受压破坏过程中孔隙水压的 变化． 考虑到岩石渗透性很小，故忽略渗流力的作用 影响，根据水力的传递效应，伺服水压力系统的水压可 视作与岩石内孔隙水压等同． 1. 2 实验设备 实验设备采用沈阳 TAW--2000 微机控制电液伺 服岩石三轴试验机( 门式整体铸造结构，刚度大于 10 GN·m － 1，最大轴压为 2000 kN，最大围压为 100 MPa) ， 配备 KS--60 型 孔 隙 水 压 系 统( 最 大 孔 隙 水 压 为 60 MPa，水压加载速率为 0. 01 ～ 1 MPa·s － 1，水流量控制 速率为 0. 1 ～ 200 mL·min － 1 ) ，该仪器用于研究岩石在 多种环境下的力学特性，可自动完成岩石的三轴压缩 试验和孔隙渗透实验，见图 1． 图 1 伺服岩石三轴试验机 Fig． 1 Servo rock triaxial testing machine 1. 3 实验方案 含水层由于其赋存条件及深度不同，孔隙水压和 岩体的受力环境产生变化． 设计初始水压力为三组: 3. 9、4. 9 和 5. 9 MPa，分别代表不同深度含水地层中的 孔隙水压． 另外，围压对岩石的破坏强度和损伤裂纹 发展会产生影响，在孔隙水压为 3. 9 MPa 的实验中设 计了多种围压条件，来模拟不同埋深条件下的地层岩 体受地应力控制情况． 实验过程中，采用三轴常规破坏试验和渗流实验 方法，对饱和砂岩试样加载至破坏． 首先以速率 0. 5 MPa·s － 1将围压加载至相应水平，随后以速率 0. 2 MPa · 004 ·

张月征等：三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆 ·401 ·s将渗流水压力加载至预定水平，再进行轴向加载 轴向加载过程中前期采用应力控制方式，加载速率为 80 一应力一孔隙水压 60 150 0.3kNs,后期采用应变控制方式，加载速率为0.1 70 一渗透率 40 mm*min,加载至试样破坏.加载压力水平见表1. 6 5.9 50 30 1.4岩石试样 40 岩石样品取自地下600~630m砂岩层，加工成规 30 5.8 20 格为50mm×l00mm的圆柱体.试样信息见表1. 10 表1岩石试样加载信息 00 0102030405060708057 Table 1 Rock sample loading information 轴向应变 试样类型 编号 围压水平/MPa孔隙水压MPa 一应力一孔隙水压 l76.0 16 砂岩 70 一渗透率 SY4 10 5.9 60 砂岩 SY2 10 4.9 50 dN/ 13 砂岩 SY3 10 5.9 40 12 砂岩 SY4 10 4.9 30 20 砂岩 SY 10 5.9 10 10 砂岩 SY6 10 4.9 0.2040.60.81.01214 5.8 砂岩 SY 10 3.9 轴向应变% 100: 130 砂岩 SY8 15 3.9 一应力—孔腺水压 90 761 一渗透率 80 6.0 120 砂岩 SY9 20 3.9 110 70 5.9 砂岩 SY40 25 3.9 60 100 50 5.8 砂岩 SY41 30 3.9 40 5.7 0 30 0 70 5.6 2 岩石试块变形破坏过程中孔隙水压变化 10 6 55 50 特征 001020304050.60.70 轴向应变% 实验中，TAW-2000试验机记录了时间、应力和应 图2试样的应力、孔隙水压(5.9MP)和渗透率与应变关系 变信息，KS60型孔隙水压系统可直接测取记录孔隙 (a)岩样SY:(b)岩样sY3:(c)岩样SY5 水压和水流量数据.根据渗透率与水流量的关系（下 Fig.2 Relations of stress,pore water pressure and permeability co- 式)，计算出渗透率k. efficient to time:(a)Sample SY:(b)Sample SY3;(c)Sample SY5 Q kpS/uL. (2) 式中：Q为水流量，cm3·sp为水压力差，MPa;S为渗 后应力稳定下降过程中，孔隙水压也维持在较为稳定 流截面积，cm2;L为试件长度，cmμ水黏度，1Pa·s. 的压力值，孔隙水压变化不明显 2.1实验数据结果特征 (2)岩石受力破坏过程中渗透率变化.观察图2~图 根据实验数据绘制应力、孔隙水压、渗透率与应变 4,岩石在受力破坏过程中，渗透率呈现了与岩石损伤 关系图，见图2~图4. 发展相应的变化.如图中A点所示，在初始加压瞬间， (1)岩石受力破坏过程中孔隙水压变化.观察图 呈与应力变化同步的微小“下降一升高”负相关波动， 2~图4岩石在受力破坏过程中，孔隙水压对应力变化 这是由于压密时部分空隙的闭合造成的：在匀速加载 十分敏感.首先在OA初始压密阶段加压引起孔隙水 AB弹性阶段，渗透率稳定在初始值，无波动；在不稳 压升高，与应力变化呈正相关性，孔隙水压和应力同步 定加载BC阶段，随着应力有节奏的上下波动升高， 波动十分明显：在匀速加载AB阶段，孔隙水压稳定在 渗透率从稳定状态向不稳定状态过渡，渗透率逐渐 初始压力值，无波动：在不稳定加载BC阶段，随着由 增大；在CD阶段或E点失稳破坏发生时，内部裂隙 压力控制转变为应变控制，应力在某一范围内不稳定 贯通加剧，渗透率突增：D点以后应力稳定下降过程 加载上升，随着应力有节奏的上下波动，孔隙水压也随 中，裂隙进一步贯通，渗透率继续稳步增加，直至岩 之明显波动，在应力达到峰值前孔隙水压呈下降趋势： 石完全破坏切 在CD阶段或E点失稳破坏发生时，孔隙水压会突然 2.2孔隙水压在岩石损伤破坏过程中的变化模式 下降，到达一定低点后水压力逐步恢复到初值；D点以 岩石受荷破坏过程是岩石内部裂缝闭合一产生一

张月征等: 三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆 ·s － 1将渗流水压力加载至预定水平，再进行轴向加载． 轴向加载过程中前期采用应力控制方式，加载速率为 0. 3 kN·s － 1，后期采用应变控制方式，加载速率为 0. 1 mm·min － 1，加载至试样破坏． 加载压力水平见表 1． 1. 4 岩石试样 岩石样品取自地下 600 ～ 630 m 砂岩层，加工成规 格为 50 mm × 100 mm 的圆柱体． 试样信息见表 1． 表 1 岩石试样加载信息 Table 1 Ｒock sample loading information 试样类型 编号 围压水平/MPa 孔隙水压/MPa 砂岩 SY-1 10 5. 9 砂岩 SY-2 10 4. 9 砂岩 SY-3 10 5. 9 砂岩 SY-4 10 4. 9 砂岩 SY-5 10 5. 9 砂岩 SY-6 10 4. 9 砂岩 SY-7 10 3. 9 砂岩 SY-8 15 3. 9 砂岩 SY-9 20 3. 9 砂岩 SY-10 25 3. 9 砂岩 SY-11 30 3. 9 2 岩石试块变形破坏过程中孔隙水压变化 特征 实验中，TAW--2000 试验机记录了时间、应力和应 变信息，KS--60 型孔隙水压系统可直接测取记录孔隙 水压和水流量数据． 根据渗透率与水流量的关系( 下 式) ，计算出渗透率 k． Q = kpS /μL． ( 2) 式中: Q 为水流量，cm3 ·s － 1 ; p 为水压力差，MPa; S 为渗 流截面积，cm2 ; L 为试件长度，cm; μ 水黏度，1 Pa·s． 2. 1 实验数据结果特征 根据实验数据绘制应力、孔隙水压、渗透率与应变 关系图，见图 2 ～ 图 4． ( 1) 岩石受力破坏过程中孔隙水压变化． 观察图 2 ～ 图 4 岩石在受力破坏过程中，孔隙水压对应力变化 十分敏感． 首先在 OA 初始压密阶段加压引起孔隙水 压升高，与应力变化呈正相关性，孔隙水压和应力同步 波动十分明显; 在匀速加载 AB 阶段，孔隙水压稳定在 初始压力值，无波动; 在不稳定加载 BC 阶段，随着由 压力控制转变为应变控制，应力在某一范围内不稳定 加载上升，随着应力有节奏的上下波动，孔隙水压也随 之明显波动，在应力达到峰值前孔隙水压呈下降趋势; 在 CD 阶段或 E 点失稳破坏发生时，孔隙水压会突然 下降，到达一定低点后水压力逐步恢复到初值; D 点以 图 2 试样的应力、孔隙水压( 5. 9 MPa) 和渗透率与应变关系． ( a) 岩样 SY-1; ( b) 岩样 SY-3; ( c) 岩样 SY-5 Fig． 2 Ｒelations of stress，pore water pressure and permeability co￾efficient to time: ( a) Sample SY-1; ( b) Sample SY-3; ( c) Sample SY-5 后应力稳定下降过程中，孔隙水压也维持在较为稳定 的压力值，孔隙水压变化不明显． ( 2) 岩石受力破坏过程中渗透率变化． 观察图 2 ～ 图 4，岩石在受力破坏过程中，渗透率呈现了与岩石损伤 发展相应的变化． 如图中 A 点所示，在初始加压瞬间， 呈与应力变化同步的微小“下降—升高”负相关波动， 这是由于压密时部分空隙的闭合造成的; 在匀速加载 AB 弹性阶段，渗透率稳定在初始值，无波动; 在不稳 定加载 BC 阶段，随着应力有节奏的上下波动升高， 渗透率从稳定状态向不稳定状态过渡，渗透率逐渐 增大; 在 CD 阶段或 E 点失稳破坏发生时，内部裂隙 贯通加剧，渗透率突增; D 点以后应力稳定下降过程 中，裂隙进一步贯通，渗透率继续稳步增加，直至岩 石完全破坏［7］． 2. 2 孔隙水压在岩石损伤破坏过程中的变化模式 岩石受荷破坏过程是岩石内部裂缝闭合—产生— · 104 ·

·402* 工程科学学报，第37卷，第4期 100 应力 孔隙水压 5.0 (a) 60 速地压缩，闭合，孔隙缩小，孔隙水瞬间来不及扩散，造 90 一渗透率 成孔隙水压在短时间内上升，并且与压力变化呈正相 0 40 关性，由于恒压作用孔隙水压又恢复到初始定值。渗 50 30 透率与应力呈现微弱的负相关变化，在施加的轴向应 40 20 力增高瞬间，渗透率有微弱减少，P与k呈相反变化 30 20 趋势 10 7 0 (2）AB阶段：PB-4=PB-kB-.=kB-在AB匀 0.20.40.60.8 1.0 12 速加载的弹性形变阶段，岩石试样被压缩的是固体骨 轴向应变% b)75.0 架，固体骨架受力产生弹性压缩形变，内部孔隙大小及 126 80 应力一 孔隙水压 贯通性基本保持不变，孔隙水压变化缓慢，变化被恒压 70 一渗透率 /24 60 4.9 22 作用抵消，所以维持在定值.渗透率的稳定不变也反 50 20 映了试样内部渗流空间（渗流面积）即内部孔隙未发 40 18 生改变，在AC阶段p与k保持稳定不变 3 16 (3)BC阶段：Pc-h>Pc-4,kc-A<kC- 在BC 10 14 0 不稳定加载产生塑性变形阶段，应力的动态变化造成 0 4.7 0.5 1.0152.0 2.5 了孔隙的瞬间张开一闭合，加剧了内部裂缝的贯通及 轴向应变修 扩展，孔隙水压随之减小一增大动态波动，呈现缓慢减 160 应力一孔隙水压 5.0 1120 小趋势，恒压作用使之在短时间内又恢复到恒压.渗 140 一渗透率 110 4.9 透率增速较慢，反映了内部损伤的缓慢发展过程，P减 120 100 100 48 90 小，k增大. 80 80 (4)CD阶段及E点：Pcm-h>Pm-4kn-<km-4 4.7 70 在CD主破坏阶段和破坏瞬间E点，试样内部裂隙贯 4 60 4.6 20 50 通加剧直至瞬间破坏，内部孔隙增大，孔隙水压下降速 00020304050607080g 4.5 40 率陡增，直至主破裂发生.渗透率瞬间陡增，反映了损 轴向应变/条 伤破裂变形的发展速度和不可逆性，锐减，k陡增. 为量化分析研究临破裂阶段孔隙水压力响应特 图3试样的应力、孔隙水压(4.9MPa)和渗透率与应变关系 (a)岩样sY2:(b)岩样sY4:(c)岩样SY6 征，研究从试件的应力一应变曲线上选取了11个典型 Fig.3 Relations of stress,pore water pressure and permeability co- 破坏点EE,E,,E],该点处出现应力陡降、孔隙 efficient to time:(a)Sample SY2;(b)Sample SY-4;(c)Sample 水压下降、应变增大和渗透率增大的现象，并逐次提取 SY6 了破裂前后轴向应力下降幅值△σ'、孔隙水压P、下降 发育一贯通破坏的过程，岩石内部损伤越强，裂隙越发 幅值△p、渗透率k的陡增幅值△k、各参量发生变化的 育，其内部的过流空间越大，渗透率也就随之增大，可 前后时间差△，见表2. 通过△p、△k、△σ和△：四个参量的耦合分析可以 通过渗流实验中渗透率的变化来反映岩石内部的损伤 和裂隙贯通情况-o,如下式： 发现，前三个参量的变化在趋势和幅值上保持了高度 的一致性，破裂过程中应力下降幅度越大，孔隙水压降 D ock. (3) 幅和渗透率增幅越大，三者呈正相关性，只有E。和E 式中，D4为岩石的损伤变量，k为岩石的渗透率.式 的试样数据两个受围压影响，与其他样本点变化略有 (3)表示岩石的内部损伤与岩石的渗透率呈正相 不同.△：变化与其他参量相比虽然不是完全一致，但 关性. 在趋势上也说明破坏强度越大，即△σ越大，孔隙水压 渗透率变化反应岩石内部损伤程度，因此可将孔 前兆出现的时间越长：从机理上△：值反映了孔隙水压 隙水压与渗透率同步分析，更加直观地获取孔隙水压 在岩石破裂发生的前兆性，破裂发生前一段时间内岩 在岩石损伤破坏过程的变化模式，取各阶段两个相邻 石内部损伤发展和裂纹贯通，造成渗透率增加，孔隙水 时间点内的数据进行分析4，<2·下文中，P为孔隙水 压下降，这种变化一直持续到破裂的发生，这些说明孔 压，P4表示A时段(1时刻孔隙水压值，kA表示A时 隙水压的变化反映的是岩石内部“物理性质”的变化， 段1时刻渗透率，2为该时段内t,之后相邻的时刻. 作为岩石破坏发生的前兆信息是具有意义的 (1)A点P4-4<PA-,k-4>岩石初始压密 综合分析岩石在受力各个阶段参量△p、△k、△σ 阶段，试样内部较为松散的孔隙在压力作用下较为快 和△的变化，在不考虑水压力系统的恒压作用情况

工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 图 3 试样的应力、孔隙水压( 4. 9 MPa) 和渗透率与应变关系． ( a) 岩样 SY-2; ( b) 岩样 SY-4; ( c) 岩样 SY-6 Fig． 3 Ｒelations of stress，pore water pressure and permeability co￾efficient to time: ( a) Sample SY-2; ( b) Sample SY-4; ( c) Sample SY-6 发育—贯通破坏的过程，岩石内部损伤越强，裂隙越发 育，其内部的过流空间越大，渗透率也就随之增大，可 通过渗流实验中渗透率的变化来反映岩石内部的损伤 和裂隙贯通情况［8 － 10］，如下式: Drock∝k． ( 3) 式中，Drock为岩石的损伤变量，k 为岩石的渗透率． 式 ( 3) 表示岩石的内部损伤与岩石的渗透率呈正相 关性． 渗透率变化反应岩石内部损伤程度，因此可将孔 隙水压与渗透率同步分析，更加直观地获取孔隙水压 在岩石损伤破坏过程的变化模式，取各阶段两个相邻 时间点内的数据进行分析 t1 ＜ t2 ． 下文中，p 为孔隙水 压，pA － t1 表示 A 时段 t1 时刻孔隙水压值，kA － t1 表示 A 时 段 t1 时刻渗透率，t2 为该时段内 t1 之后相邻的时刻． ( 1) A 点: pA － t1 ＜ pA － t2 ，kA － t1 ＞ kA － t2 ． 岩石初始压密 阶段，试样内部较为松散的孔隙在压力作用下较为快 速地压缩，闭合，孔隙缩小，孔隙水瞬间来不及扩散，造 成孔隙水压在短时间内上升，并且与压力变化呈正相 关性，由于恒压作用孔隙水压又恢复到初始定值． 渗 透率与应力呈现微弱的负相关变化，在施加的轴向应 力增高瞬间，渗透率有微弱减少，p 与 k 呈相反变化 趋势． ( 2) AB 阶段: pAB － t1 = pAB － t2 ，kAB － t1 = kAB － t2 ． 在 AB 匀 速加载的弹性形变阶段，岩石试样被压缩的是固体骨 架，固体骨架受力产生弹性压缩形变，内部孔隙大小及 贯通性基本保持不变，孔隙水压变化缓慢，变化被恒压 作用抵消，所以维持在定值． 渗透率的稳定不变也反 映了试样内部渗流空间( 渗流面积) 即内部孔隙未发 生改变，在 AC 阶段 p 与 k 保持稳定不变． ( 3) BC 阶段: pBC － t1 ＞ pBC － t2 ，kBC － t1 ＜ kBC － t2 ． 在 BC 不稳定加载产生塑性变形阶段，应力的动态变化造成 了孔隙的瞬间张开—闭合，加剧了内部裂缝的贯通及 扩展，孔隙水压随之减小—增大动态波动，呈现缓慢减 小趋势，恒压作用使之在短时间内又恢复到恒压． 渗 透率增速较慢，反映了内部损伤的缓慢发展过程，p 减 小，k 增大． ( 4) CD 阶段及 E 点: pCD － t1 ＞ pCD － t2 ，kCD － t1 ＜ kCD － t2 ． 在 CD 主破坏阶段和破坏瞬间 E 点，试样内部裂隙贯 通加剧直至瞬间破坏，内部孔隙增大，孔隙水压下降速 率陡增，直至主破裂发生． 渗透率瞬间陡增，反映了损 伤破裂变形的发展速度和不可逆性，p 锐减，k 陡增． 为量化分析研究临破裂阶段孔隙水压力响应特 征，研究从试件的应力--应变曲线上选取了 11 个典型 破坏点 E［E1，E2，…，E11］，该点处出现应力陡降、孔隙 水压下降、应变增大和渗透率增大的现象，并逐次提取 了破裂前后轴向应力下降幅值 Δσ'、孔隙水压 p、下降 幅值 Δp、渗透率 k 的陡增幅值 Δk、各参量发生变化的 前后时间差 Δt，见表 2． 通过 Δp、Δk、Δσ'和 Δt 四个参量的耦合分析可以 发现，前三个参量的变化在趋势和幅值上保持了高度 的一致性，破裂过程中应力下降幅度越大，孔隙水压降 幅和渗透率增幅越大，三者呈正相关性，只有 E10和 E11 的试样数据两个受围压影响，与其他样本点变化略有 不同． Δt 变化与其他参量相比虽然不是完全一致，但 在趋势上也说明破坏强度越大，即 Δσ'越大，孔隙水压 前兆出现的时间越长; 从机理上 Δt 值反映了孔隙水压 在岩石破裂发生的前兆性，破裂发生前一段时间内岩 石内部损伤发展和裂纹贯通，造成渗透率增加，孔隙水 压下降，这种变化一直持续到破裂的发生，这些说明孔 隙水压的变化反映的是岩石内部“物理性质”的变化， 作为岩石破坏发生的前兆信息是具有意义的． 综合分析岩石在受力各个阶段参量 Δp、Δk、Δσ' 和 Δt 的变化，在不考虑水压力系统的恒压作用情况 · 204 ·

张月征等：三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆 ·403 60 4.0 120 应力 -孔隙水压C 14.1 145 50 100 ·渗透率 4.0 40 16 80 3.9 35 30 9 60 30 38 20 40 25 10 20 3.7 20 000.20.40.60.81.01.2141.61.82 3.8 14 15 02 0.40.60.8 1.0 1.2 6 轴向应变/% 轴向应变修 160 14.2 30 160 4.1 119 一应力—孔隙水压 (e) 一应力一—孔隙水压 (d) 140 一渗透率 4.1 28 140 一水流量 4.0 18 120 4.0 120 26 100 3.9 100 39 17 80 80 3.8 E 60 22 60 3.8 16 40 40 20 3.7 15 20 20 D J18 3.6 14 02 0.4 0.60.8 1.0 1.2 0.1 0.2 0.30.40.5 0.6 0. 轴向应变/% 轴向应变/% 120r 应力 孔隙水压 4.1 726 110 一渗透率 24 100 4.0 90 3.9 20 60 18 E 3.8 30 1 12 0Y6 3.6 J10 0 020.40.60.81.01.2 1 轴向应变/% 图4试样的应力、孔隙水压(3.9MPa)和渗透率与应变关系.(a)岩样SY7:(b)岩样SY8:(c)岩样SY9:(d)岩样SYH0:(c)岩样SYH1 Fig.4 Relations of stress,pore water pressure and permeability coefficient to time:(a)Sample SY7:(b)Sample SY8:(c)Sample SY:(d) Sample SY40;(e)Sample SY41 表2孔隙水压变化幅度与应力波动幅度对应表 下，损伤变量、渗透率和孔隙水压在上述各阶段变化特 Table 2 Corresponding relation between variations in pore water pres- 征可总结为表3 sure and stress fluctuation 表3岩石损伤、渗透率和孔隙水压变化耦合模式 样点编号△g/MPa △p/MPa△k/(10-8cm2) △r/s Table 3 Change mode of rock damage,permeability and pore water E 9.979 0.047 0.325 5.4 pressure E2 32.305 0.215 1.860 7.8 压密阶段 弹性阶段塑性阶段 破坏阶段 参数 E 12.288 0.057 0.688 11.2 (0A) (AB) (BC) (CD及E) g 18.304 0.069 0.394 5.8 损伤变量，Dk 不变 不变 逐渐增大 陡增 Es 8.462 0.021 0.535 6.6 渗透率，k 微减 不变 逐渐增大 陡增 Ee 15.232 0.067 0.927 2.6 孔隙水压，u 微增 不变 逐渐减小 锐减 Ey 24.226 0.254 1.990 7.4 Es 60.907 0.625 7.374 23.6 3 岩石中孔隙水压变化影响因素及临界破 E 11.954 0.028 1.551 24.4 裂前兆 Ejo 38.426 0.097 2.647 3.8 E 89.826 0.304 0.590 3.1塑性变形阶段孔隙水压对岩石内部损伤响应影 14.4 Ee 67.912 0.241 1.108 2.2 响因素 E1 42.312 0.190 0.716 4.8 通过对式(1)的分析可见，弹性压缩条件下含水 层中水头或孔隙水压的变化由垂向应力变化△σ，、含

张月征等: 三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆 图 4 试样的应力、孔隙水压( 3. 9 MPa) 和渗透率与应变关系． ( a) 岩样 SY-7; ( b) 岩样 SY-8; ( c) 岩样 SY-9; ( d) 岩样 SY-10; ( e) 岩样 SY-11 Fig． 4 Ｒelations of stress，pore water pressure and permeability coefficient to time: ( a) Sample SY-7; ( b) Sample SY-8; ( c) Sample SY-9; ( d) Sample SY-10; ( e) Sample SY-11 表 2 孔隙水压变化幅度与应力波动幅度对应表 Table 2 Corresponding relation between variations in pore water pres￾sure and stress fluctuation 样点编号 Δσ' /MPa Δp /MPa Δk /( 10 － 8 cm2 ) Δt / s E1 9. 979 0. 047 0. 325 5. 4 E2 32. 305 0. 215 1. 860 7. 8 E3 12. 288 0. 057 0. 688 11. 2 E4 18. 304 0. 069 0. 394 5. 8 E5 8. 462 0. 021 0. 535 6. 6 E6 15. 232 0. 067 0. 927 2. 6 E7 24. 226 0. 254 1. 990 7. 4 E8 60. 907 0. 625 7. 374 23. 6 E9 11. 954 0. 028 1. 551 24. 4 E10 38. 426 0. 097 2. 647 3. 8 E11 89. 826 0. 304 0. 590 14. 4 E12 67. 912 0. 241 1. 108 2. 2 E13 42. 312 0. 190 0. 716 4. 8 下，损伤变量、渗透率和孔隙水压在上述各阶段变化特 征可总结为表 3． 表 3 岩石损伤、渗透率和孔隙水压变化耦合模式 Table 3 Change mode of rock damage，permeability and pore water pressure 参数 压密阶段 ( OA) 弹性阶段 ( AB) 塑性阶段 ( BC) 破坏阶段 ( CD 及 E) 损伤变量，Drock 不变 不变 逐渐增大 陡增 渗透率，k 微减 不变 逐渐增大 陡增 孔隙水压，u 微增 不变 逐渐减小 锐减 3 岩石中孔隙水压变化影响因素及临界破 裂前兆 3. 1 塑性变形阶段孔隙水压对岩石内部损伤响应影 响因素 通过对式( 1) 的分析可见，弹性压缩条件下含水 层中水头或孔隙水压的变化由垂向应力变化 Δσv、含 · 304 ·