高濕環境平行雙裂隙砂巖單軸壓縮破壞及裂紋擴展特性

　　摘要：深部裂隙礦柱長期受高濕環境中水分子所侵蝕，其化學動力過程與礦房穩定性及控制地表沉降密切相關。對預制平行雙裂隙標準砂巖試樣進行了單軸壓縮試驗，研究高濕對裂隙砂巖強度變形特性、裂紋演化以及破壞模式的影響，結合電鏡掃描和 XRD 衍射，分析了試件在高濕環境水化作用前后的微細觀結構變化和質量損失特征。結果表明：(1)試樣結構疏松程度與濕度成正相關，濕度升高，試樣表觀致密結構變得松散并伴有次生孔隙發育，形成模糊的層間界面，且微裂隙數目增加，質量損失率加劇。(2)裂隙砂巖在單軸壓縮下主要有如下三種破壞模式：拉伸破壞;剪切破壞;二者混合型破壞。裂紋萌生的類型主要有以下 4 種：翼形裂紋、反抗拉裂紋以及共面/非共面次級裂紋。其裂紋擴展及破壞模式受控于濕度，隨著濕度升高，裂紋起裂應力和貫通應力降低，宏觀裂紋發育的整體數量呈下降趨勢，且其破壞模式由剪切破壞過渡到拉伸破壞。(3)高濕環境對裂隙砂巖產生水巖化學作用，減弱了裂隙結構面以及礦物顆粒間的摩擦作用，降低了其峰值強度，峰值應變和彈性模量，提高了泊松比，加速了裂隙砂巖的破壞。

　　本文源自陳偉; 萬文; 趙延林; 王衛軍; 吳秋紅; 吳小凡; 謝森林， 巖土工程學報 發表時間：2021-07-19

　　關鍵詞：高濕環境;平行雙裂隙;水化侵蝕;力學損傷;裂紋擴展

　　0 引 言

　　含預制裂隙巖石材料的力學特性一直是巖石力學研究的熱點問題。例如，楊圣奇等[1]以大理巖作為研究對象，從預制裂隙的幾何形態入手，包括裂隙的傾角、間距、長度、數目等參數，研究了其強度和變形特性，總結了裂紋擴展規律。袁媛等[2]基于數字圖像相關方法，對含填充裂隙的大理巖單軸壓縮過程中的全局應變場及位移場進行觀測，分析了不同裂隙傾角和不同充填物試樣的變形破壞和裂紋擴展規律。Bobet 等[3]根據雙裂隙石膏巖的單軸壓縮試驗結果，重點分析了試件的強度和變形破壞模式受裂隙貫通和萌生次生裂紋類型的影響規律。Zhou 等[4]利用 3D 打印技術制作了裂隙類巖石試樣，并發現裂隙的幾何形狀對試件的裂紋擴展規律和力學性能產生影響。趙延林等[5] 重點研究了類巖石材料強度和裂紋擴展模式受控于裂隙開度。以上的諸多研究并未提及巖體所處環境的變化，隨著淺層礦產資源的逐漸枯竭，資源的開采正穩步向地球深部進軍。目前為止，對于煤炭、地熱、有色金屬、油氣等資源的開采，其深度已經分別超過了 1400 米、3000 米、4350 米以及 7500 米[6]。與淺部相比，深部的采礦環境變得更加復雜，地下水的涌水量加大伴隨地溫升高，促進蒸發使得深部礦房的相對濕度會達到 80%以上[6, 7]。此外，地層經過漫長的地質構造運動，巖體中出現了不同程度的缺陷，如裂隙、節理和斷層[8]，這些缺陷使得巖體的力學特性更容易受到高濕環境的影響。

　　如圖 1 中的石膏巖礦柱存在平行雙裂隙，在高濕環境的水巖作用下，被氣態水分子所侵蝕[9]，相較于氣態蒸餾水而言，含有多種化學成分的氣態地下水不僅會對巖體礦物顆粒產生溶解和運移，而且對巖體微細觀結構產生化學腐蝕，導致裂隙礦柱的宏觀力學性能劣化，從而加速其裂紋擴展、促進巖橋貫通，造成礦柱失穩，頂板凹陷，地表沉降，以及房屋開裂[10]。

　　針對水巖作用下裂隙巖體強度特征和變形規律，學者們也取得了豐碩的成果。研究表明，安山巖、角閃巖、玄武巖、輝綠巖、輝長巖、花崗巖等[11]，包括主要的造巖礦物，如石英和方解石[9]，在水或水化學溶液中裂紋擴展的速度比空氣中快得多，且由于其水巖作用導致膨脹和外層剝蝕，發生質量損失和結構劣化，導致整體力學性能發生改變[12, 13]。總結其根本原因，在水化學環境中，巖石材料的裂紋擴展加速主要是由于應力腐蝕[14]。

　　目前裂隙巖體的研究主要從四個方面展開，一是載荷類型方式，二是試驗材料，三是裂隙形態的幾何分布，四是所處環境特征。前人已經圍繞前三種因素做出研究并得出了相對豐碩的成果。而目前關于水巖作用裂隙巖體的研究大多是針對浸泡相關溶液后再對巖石試件進行荷載作用下展開的，鮮有關于高濕作用相關的報道，雖然二者均是流體，但其對裂隙巖體的水巖作用程度以及運移方式不盡相同。根據上述工程實際，對貴州甕福磷礦穿巖洞礦區開展水文地質調查后發現，該礦區內存在弱酸性地下水，礦房內的礦柱長期受氣態水的侵蝕。本文模擬深部高濕環境，以含預制平行裂隙的礦柱砂巖作為研究對象，借助 MTS-815 型伺服試驗系統進行了單軸壓縮試驗。分析高濕環境對裂隙砂巖力學特性的劣化規律和機理，并利用高速攝影儀記錄試樣在試驗過程中裂紋擴展的力學響應及破壞模式，最后探討了高濕對裂隙的起裂、貫通及相關參數影響的異同。

　　1 試驗設計

　　1.1 試樣制備

　　根據對貴州甕福磷礦穿巖洞礦區房柱法開采段 3 號線-750m 中段的環境監測，發現該區域地下水發育，且常年礦房相對濕度處于 90%左右(如圖 2(a)、(b)、(c))。在現場以較小的取樣范圍內沿沉積構造方向鉆孔采取了部分礦柱巖芯(如圖 3(a))，將其制備成 50 mm×100 mm 的標準圓柱體試件[15]，并在試件上切割長 A=20 mm，寬 2 mm 的平行 2 條預制穿透裂隙，預制裂隙傾角 α 均為 45°，兩條預制裂隙的中點連線垂直于試樣端面，上、下兩排裂隙間的垂直距離(裂隙間距)為 L=23.5mm，巖橋距離以及兩條裂隙中點距離上下端面的垂直距離，均為 B= 33.3 mm(如圖 3(b)和圖 5(c))。裂隙砂巖試件加工完畢后，仔細檢查其外觀，剔除了外表面具有肉眼可見宏觀特征差異的試樣，以確保本次試驗結果的可靠性及可比性。因此，最大限度的保證了此批試樣在試驗前具有較小的離散性。

　　試件制備完成后以塑料薄膜進行密封包裹，以防止試件風化。根據該砂巖的 XRD 衍射分析結果可知(如圖 4)，其主要礦物成分由石英，方解石和云母構成，次要礦物有鈉長石，蒙脫石、伊利石等，色相為淡黃色，細晶結構，粒徑相對均勻，呈致密塊狀構造。采用煮沸法測定飽和吸水率，經計算平均值在 3.6%左右，采用 AiniMR-60 核磁共振分析儀對試件進行孔隙率測試，獲得試件的平均孔隙率為 6.27%。

　　1.2 高濕環境的實現

　　模擬深部高濕環境是指地下水以氣態水分子的形式侵入試件的微孔隙內。根據自行申報的專利“巖石力學實驗溫、濕度環境控制模擬裝置(專利號： ZL201920979019.3)”[16]，進行了加工并投產使用(如圖 5)。該環境控制模擬裝置為溫濕度控制器(如圖 5 (a))和封閉式的箱體(如圖 5(b))組合而成，通過超聲波將水化學溶液振動并汽化，通過輸送管道傳輸到箱體內，并采用濕度傳感器以及控制單元，使箱體內能夠一直保持預設的濕度環境，由于本文所選礦區的溫度在 25℃~30℃，以一個較小范圍浮動(如圖 2(a)、(b)、(c))，且本文主要研究濕度對試件的力學損傷，故設置其恒定溫度為 25℃。

　　表 1 列出了本次試驗中預制平行雙裂隙砂巖基本參數。為了掌握現場酸性地下水溶液對巖石的損傷效應，基于現場地下水兩種最大含量的陽離子 Na+和陰離子 Cl-，并依照將反應物的濃度進行適量的提升而縮短反應時間，以達到加快試驗進程的目的[17]，配置了 pH 值為 5 的 NaCl 溶液來模擬現場弱酸性地下水(pH=6.28)對砂巖礦柱的長期侵蝕作用(如圖 5(d))。

　　1.3 加濕與加載程序

　　加工好的預制平行雙裂隙砂巖試樣采用濕度控制箱進行加濕。加濕程序如下：首先將配置的酸性 NaCl 溶液以 1℃/min 升溫至 25℃，然后打開加濕系統將箱體內的環境濕度加到目標濕度(80%RH，90%RH 和 100%RH);然后在目標溫、濕度狀態下運行 60d [18];最后，取出試樣，對表面進行擦拭，為了保證各巖樣含水率相同以達到控制變量的要求，基于巖石物理力學性質試驗規程 DZ/T0276.2-2015[19]，采用真空干燥箱(DZF-2060 型)對巖樣進行干燥，干燥溫度設置為 120℃，烘干 24 小時。

　　采 用 湖南 科技 大學 南方 煤礦 重點 實驗 室 的 MTS-815 巖石力學伺服控制試驗機進行干燥后裂隙砂巖試件的單軸壓縮試驗。試件的加載通過 MTS-815 來以荷載方式施加軸向壓力，加壓速率為 0.2kN/s，這樣的加載速率處于一個比較低的水平，使得試件的裂紋起裂、擴展、貫通、破壞的詳盡過程被全部記錄。與此同時，為了分析各濕度對試件變形特性的影響，通過軸向、環向 LVDT 位移計來記錄軸向和環向的位移。

　　2 各濕度環境下裂隙砂巖化學損傷分析

　　2.1 試件宏、微觀損傷分析

　　裂隙砂巖各濕度環境下 60d 的宏觀特征變化如圖 6 所示。砂巖試件在濕度裝置處理前，進行了取芯、切割、拋光，因此干燥密封狀態下試件的整體結構緊密，顆粒排列規則，充分包裹于膠結物中，無肉眼可見的孔洞和微裂隙存在(如圖 6(a))。經過三種高濕環境處理后，出現不同程度的侵蝕痕跡。80%RH 處理下，經過 60d 的水化作用，巖樣外表面晶體和膠結物發生明顯溶蝕，導致試樣顏色發生改變(如圖 6(b))。在 90%RH 和 100%RH 的濕度環境中處理 60d 后，巖樣外表層均出現不同數量的微裂隙，巖樣外表面變得凹凸不一(如圖 6(c)和(d))。對比來看，100%RH 下的試件表面的微裂隙數量更多，部分位置的礦物顆粒不再包裹于膠結物中而是顯現出來，次生孔隙隨著粉狀物的逐漸脫落，而逐步增大，裂隙借此發育并聯通，結構因此變得較為松散(如圖 6(d))。

　　微觀上，根據電子顯微圖 7 可知，干燥試樣顯示出的大多都是片狀和層狀結晶，其晶體結構比較清晰，均質性極好，而且內部沒有較大的層間距離，晶粒間排列緊密，基本無微裂隙和微孔隙分布(如圖 7(a))，體現出經高濕處理前，其物理力學性能良好。而試件在經過高濕作用之后，其結構變得疏松而且呈現出團絮狀或海綿狀的形態，層次之間不再有明顯的分界，形成大小尺寸不一的“溝壑”，且隨著濕度增高，微裂隙和微孔隙的數量增多，原先分散的較大尺寸的“溝壑” 互相連通形成微裂隙并伴有蜂窩狀孔隙發育，巖樣微觀結構損傷愈發嚴重(如圖 7(b)、(c)和(d))。

　　可以看出，在其余外部環境一致情況下，不同濕度環境對砂巖的侵蝕程度不一樣，表明砂巖對不同濕度的敏感性不同。

　　2.2 試件質量損失分析

　　將處理完的巖樣表面用蒸餾水沖洗、擦干并烘干后，用精密天平稱其質量。這里，定義質量損失因子 D 用以表征裂隙砂巖經不同濕度環境處理前后的質量損失程度，令：

　　D M M ? ?? ? ? (1)式中，M0為巖樣初始質量，M(t)為巖樣經不同濕度環境處理 td 后的質量，ΔM(t)即代表試樣經不同濕度環境處理 t d 前后的質量差值。

　　圖 8 給出了每種濕度下的 5 個試件質量和質量損失因子變化隨濕度的變化。圖 8(a)表明，經三種濕度環境處理過后，裂隙砂巖質量均呈下降趨勢，但下降的幅度有所不同，其與濕度值呈負相關，即環境濕度越高，質量的損失量增加。如 100%RH 的濕度環境下，試樣質量平均損傷 11.40g，分別是 80%RH 和 90%RH 濕度下的 6.26 和 1.91 倍。同時觀察圖 8(b)發現，100%RH 下試樣的質量損失因子明顯大于其它兩種濕度下的質量損失因子，其平均值為 2.72%，分別是 80%RH 和 90%RH 環境下質量損失因子的 6.33 和2.61倍。這說明隨著空氣中酸性水分子數量的增加，水巖反應更激烈、更迅速，導致礦物晶粒間存在的化學鍵發生斷裂，以及由于試樣內部膨脹出現表面粉末碎屑掉落的現象，從側面反映了濕度越高對裂隙巖樣的物理結構破壞越嚴重。

　　3 高濕環境下預制平行雙裂隙砂巖力學特性劣化規律

　　3.1 預制平行雙裂隙砂巖抗壓強度劣化規律分析

　　根據 20 組試樣的試驗結果，表 2 總結了平行雙裂隙砂巖經高濕處理 60 d 后在單軸壓縮下的峰值強度、彈性模量和泊松比。

　　每種環境下選取抗壓強度峰值為中位數的裂隙砂巖作為代表，圖 9(a)展示了其應力-應變曲線。可以看出裂隙砂巖在整個受載直至破壞過程中，一共出現了 4 個階段：初始裂隙壓密階段(I)、彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段(II)、非穩定破裂發展階段(Ⅲ)和峰后階段(IV)。它們由于試樣所處環境濕度的不同，其特征也有所差異：(I)初始裂隙壓密階段，曲線凹度隨著濕度的增加而減小，此階段也就是剛受載時新裂隙的產生數量減少;(II)彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段，隨著濕度的增加，曲線斜率逐漸減小，說明彈性模量也逐漸減小;(III)非穩定破裂發展階段，對比干燥試樣，高濕處理后巖樣的峰值應力顯著下降，從 25.09MPa(干燥)下降至 16.44MPa (100%RH)，下降了 34.81%，有應力平臺出現在干燥試樣的峰值周圍，但持續時間較短。這是由于預制裂隙周邊正在慢慢產生變形及擴展所導致的[20];(IV)破裂后階段，干燥試樣在峰后應力迅速垂直跌落，呈現出較為明顯的強脆性以及低塑性，說明干燥試樣具有致密性，反觀高濕處理后的試樣由于水巖作用使得內部結構松散，顆粒間膠結物缺失導致塑性明顯增強。

　　所有巖樣的峰值單軸抗壓強度統計圖如圖 9(b)所示。從圖 9(b)看出，隨著濕度的增大，裂隙砂巖的峰值應力呈遞減變化，對應的抗壓強度與濕度關系曲線逐漸下移，這與以往類似試驗結果[11]是一致的。

　　3.2 預制平行雙裂隙砂巖力學參數劣化規律分析

　　一般用來表征試樣力學變形特性的參數是彈性模量 E、泊松比 μ，計算結果如圖 10 所示。

　　圖 9(a)中應力-應變曲線在直線段的變形量隨環境濕度增加基本呈減小趨勢，即高濕削弱了砂巖的彈性模量。砂巖在 90%RH 的環境中 60d 后，與干燥狀態相比，彈性模量下降幅度最大，高達 38.84%，在濕度達 100%RH 時，試樣的彈性模量均值又有小幅回升，這是由于試樣本身的非均質性所造成的(如圖 10)。

　　由圖 10 也可知，裂隙砂巖的泊松比對濕度環境也比較敏感，其隨濕度的增加呈指數型增長。在 100%RH 環境中放置 60d 后，裂隙砂巖的泊松比較干燥狀態增大了 12.44%。

　　4 預制平行雙裂隙砂巖裂紋演化及破壞特征

　　4.1 高濕作用過程裂紋擴展過程分析

　　裂紋的萌生與擴展會導致應力-應變曲線出現波動異常[21]。下面以部分典型巖樣為例，對其應力-應變曲線與裂紋擴展二者之間的關系進行探究。

　　圖 11 給出了單軸壓縮下試樣的裂紋擴展過程。從圖 11(a)可見干燥砂巖試樣的應力-應變曲線較光滑。與經過高濕處理的巖樣不同，該巖樣曲線的應力降主要出現在峰值附近。試樣經歷①裂隙壓密階段(σ1= 1.85MPa)后進入②彈性變形階段(σ1=16.56MPa)。在②中，其內部缺陷和上部預制裂隙被壓密，下部預制貫通裂隙并未產生壓密效果。當應力值達到③ (σ1=24.85MPa)時，向下的拉伸裂紋出現在上部預制裂隙兩側尖端，從而導致應力略微下降。同時，切線模量 Ea 因巖石的支撐結構損傷，其數值從②點的 4.84GPa 減少到③點的 3.79GPa。之后，應力小幅上升至④點(σ1= 24.93 MPa)，此時呈現出的應力降幅度較大，下部預制裂隙被壓密且兩側尖端發生快速的裂紋擴展，伴隨著向上延伸的趨勢，且此時的應力并未達到峰值，試樣強度還沒有失效。當應力又一次升至 ⑤點(σ1= 25.09 MPa)時，巖樣沿上部預制裂隙左尖端產生使巖橋貫通的剪切裂紋，發出爆裂聲，試樣產生結構性破壞與失穩，峰后的應力驟降到 12.53 MPa，呈明顯脆性破壞特征。

　　圖 11(b)展示了 80%RH 環境下的砂巖試樣的應力-應變曲線和裂紋擴展情況。整個載荷過程中應力應變曲線呈鋸齒狀波動，出現三次應力降，分別發生在②點(σ1= 5.70MPa)、③點(σ1= 11.07 MPa)和峰值⑤點(σ1= 19.03 MPa)。由圖可知，應力-應變曲線在④點(σ1=17.74MPa)附近已經表現出非線性變化，割線模量 Ea 達到峰值 3.42GPa 后開始下跌，下部預制裂隙出現斜剪切裂紋，當應力達到峰值 19.13MPa (⑤點)時，巖樣積聚的彈性能在一瞬間突然釋放，兩條預制裂隙左側尖端分別擴展出上、下方向的次級拉伸裂紋使得巖橋貫通，應力值緩緩下降，呈塑性破壞特征。

　　圖 11(c)展示了 90%RH 下砂巖試樣的應力-應變曲線及裂紋擴展情況。該巖樣曲線的第一次應力降較上述試樣大幅提前，在①點出現(σ1=2.14MPa)，具有較多的遠場裂紋形成，且上部裂隙尖端發生裂紋擴展。應力達到②點(σ1=2.56MPa)之前，下部裂隙右側尖端有明顯斜剪切裂紋出現，后續曲線的切線模量 Ea 明顯增加，由②點的 1.89GPa 升至③點的 2.96GPa。當曲線到達③點(σ1=9.73MPa)，下部預制裂隙左側尖端發育出較寬的次級剪切裂紋，其擴展方向 與 預 制 裂 隙 近 似 垂 直 。 當 應 力 升 至 ④ 點(σ1=16.65MPa)，波動幅度增加，階段①出現的遠場裂紋的寬度不斷增加。此時的割線模量達到最大(3.47 GPa)。繼續加載，在經歷較小應變后，巖樣應力達到峰值⑤點(σ1=18.48MPa)，巖橋貫通，巖樣表面出現大面積剝落，巖樣完全破壞。

　　砂巖試樣經 100%RH 的高濕處理 60 d 后，其裂紋擴展和應力-應變曲線情況參見圖 11(d)。整個過程與 90%RH 下的巖樣規律類似，只是在峰前出現的兩次應力降稍有推后，且每次應力降都是由于預制裂隙的 壓 密 、 起 裂 和 擴 展 所 引 起 。 當 應 力 至 ① 點(σ1=2.03MPa)時，巖樣右端部遠場裂紋形成，此時的割線模量達到最小(1.83 GPa)。上部預制裂隙在應力增至 4.22 MPa(②點)時，其周圍出現向上與向下的拉伸裂紋。而當應力增至 6.51MPa(③點)，曲線進入彈性階段，割線模量達到最大(3.12 GPa)。曲線進入④點時(σ1=15.69MPa)，出現大幅應力降，下部裂隙尖端快速擴展出上、下的拉伸裂紋。隨后，應力再次達到 16.44MPa(峰值⑤點)時，巖樣的上、下表面被預制裂隙的雙側拉伸裂紋貫通，致使其產生拉伸破壞。

　　根據以上分析，對圖 11(a)~(d)包括未展出的試樣進行對比可明顯看出，濕度在一定程度上決定著單軸壓縮過程中裂隙砂巖初始裂紋的起裂位置。干燥狀態時，初始遠場裂紋主要在上端部左側萌生，隨著濕度的增加，起裂位置轉移至右側。三種高濕環境處理過的試樣，其初始裂紋萌生位置與預制裂隙相連的概率增大。與此同時，隨著濕度的增大，初始裂紋的起裂應力整體呈下降趨勢。這意味著，裂隙巖樣的裂紋起裂或裂紋快速擴展階段逐漸遠離峰值，對此在討論部分再進行詳細分析。此外，隨著濕度增加，試樣應力-應變曲線波動增加，產生的裂紋寬度增加，且大多數沿應力加載方向擴展，其中對比失穩破壞時，其余三種狀態下的試樣僅有單側巖橋貫通，100%RH 下的巖樣兩側巖橋均貫通。

　　4.2 裂隙砂巖裂紋演化與破壞模式分析

　　圖 12 為四種濕度影響下典型巖樣宏觀裂紋的發育情況。斜剪切裂紋、主要裂紋以及次要裂紋分別用不同顏色的線進行標記，依次是紅色、黑色以及藍色。根據試驗結果可知，試樣的破壞通常由多種裂紋類型組合而成，且濕度對巖樣的裂紋萌生類型產生明顯影響。以干燥巖樣為例，其裂紋演化類型多樣，分別有反抗拉裂紋、遠場裂紋，次級裂紋與翼形裂紋(如圖 12(a))。本次試驗裂紋演化的總體特征有：裂隙巖樣在 4 種不同的濕度環境中 60 d 后，最先出現的是遠場裂紋，該裂紋主要出現于上端部。隨后出現的是拉伸裂紋，其宏觀表現為翼形裂紋，但巖樣破壞的最主要原因并不是因拉伸裂紋而導致的。例如，對于干燥巖樣來說，反抗拉與翼形裂紋會因應力的上升而在其發育過程中逐漸向共面或者非共面次級裂紋演變，這才是巖樣剪切破壞的最終原因(如圖 12(a))。以 80%RH 高濕處理后的巖樣為例，反抗拉裂紋在拉伸裂紋中是一種較為特殊的存在，通常情況下與翼形裂紋一同出現(如圖 12(b))。存在剪切破壞的試樣中，主要是以共面次級裂紋的形式體現，且多出現于 90%RH 以下的濕度環境中。此外，在濕度達到 90%RH 之前，會有橫向裂紋萌生，其初始起裂位置在預致裂隙的尖端，并向著與應力加載垂直的方向延伸，一直發展至巖樣邊界，最后交匯于其他裂紋或演變成其他裂紋(如圖 12(a)、(b)和(c))。在相同的載荷速率下，預制裂隙的尖端發生擴展的首先是翼形裂紋，應力加載過程中翼形裂紋會逐漸演變為次級裂紋，共面次級裂紋會因為濕度的增加而成為主要宏觀裂紋，這也是導致巖樣最終拉伸破壞的關鍵因素。100%RH 下，拉伸裂紋主要以共面次級裂紋與翼形裂紋混合形式出現，且不會轉變成剪切裂紋(如圖 12(d))。干燥巖樣中的反抗拉裂紋和非共面次級裂紋是導致剪切破壞的直接因素(如圖 12(a))。除此之外，將全部破壞巖樣形態(含未展示的)結合來看，試樣在受載過程中新生成的裂紋會隨著環境濕度的上升而逐漸減少，高濕度下只會顯示出導致試樣失穩破壞的主要裂紋。根據前文有關水巖作用總結可知，干燥試樣受載時，其本身質地緊密，因此，新裂紋發育充分。而經過高濕處理后的試樣內部結構已經發生改變，受載前已經萌生部分微裂隙，同樣的載荷速率使得顆粒重排列時間相對較短，造成因高濕產生的內部新增缺陷不能充分發育，因此試樣破壞時表面新生的宏觀裂紋數量相對較少。

　　除裂紋擴展類型外，對裂隙砂巖的極限破壞模式進行分析。由試驗結果看出，不同濕度下巖樣的極限破壞模式有三種，包括剪切破壞、拉伸破壞和剪切/ 拉伸混合破壞(如圖 13 所示)。

　　由圖 13 可知，剪切破壞模式作為為干燥巖樣的主要選擇，環境濕度的升高會導致橫向裂紋不再出現，破壞模式由剪切向拉伸破壞轉變，如濕度為 80%RH 和90%RH時，試樣主要呈拉伸與剪切的混合型破壞，最高濕度水平(100%RH)下，巖樣的極限破壞模式為 T 型的純拉伸破壞。

　　5 高濕影響裂紋演化機制討論

　　5.1 高濕對裂紋起裂應力的影響

　　圖 14 為濕度對平行雙裂隙砂巖起裂應力?ci 的影響曲線，為利于比較，圖中還給出因濕度變化的巖樣峰值強度曲線。其中?ci為初始裂紋萌生時所對應的應力值。據圖 14 可知，濕度和起裂應力兩者的關系相似于峰值強度的變化趨勢，即因濕度上升而總體下降。當濕度由干燥增加到 90% RH 時，預制平行雙裂隙砂巖的平均起裂應力近似線性由 12.12 MPa 降至 2.14 MPa，但有一點不同，即 100%RH 下試樣的平均起裂應力 4.11 MPa 大于 90%RH 下試樣的平均起裂應力 2.14 MPa。

　　5.2 高濕對裂紋貫通應力的影響

　　圖 15 為濕度對平行雙裂隙砂巖貫通應力的影響關系曲線，圖中同樣給出峰值強度曲線。貫通應力則定義為在預制的兩條裂隙間巖橋貫通所對應的應力，若試樣存在兩處貫通，則選取第一次貫通時的應力。可見，貫通應力與濕度之間的關系與峰值強度變化趨勢也類似，隨著濕度的增大總體呈減小的變化規律，但不同的是，90%RH 下的平均貫通應力出現上升的趨勢。當濕度由干燥增加到 80% RH 時，預制平行雙裂隙砂巖的平均貫通應力由 19.90MPa 降到 10.91MPa;而當溫度由 80%RH 增大到 90%RH 時，平均貫通應力由 10.91MPa 又升到 12.83MPa，且 100%濕度下的平均貫通應力比 80%RH 下的平均貫通應力稍有下降，且降幅不大。

　　5.3 高濕作用下預制平行雙裂隙砂巖力學參數劣化機制

　　砂巖作為一種典型的沉積巖，內部含有一些初始缺陷，導致氣態水分子很容易進入。當濕度升高時，試樣表面以及兩條貫通裂隙接觸到的水分子數量增加，部分礦物通過水巖作用進行離子交換和水解，形成二氧化硅以及次生礦物高嶺石，加上本身攜帶的少量伊利石和蒙脫石，這三種親水性礦物吸水膨脹性強，形成內外應力差，表層的礦物顆粒因此掉落，裂隙與孔隙趁機漸漸發展，生成更多水巖接觸面。同時，長石礦物與鈣質膠結物的水巖作用會因水分吸收、水分子滲透而迅速發展。在烘干過程中，水溶性礦物隨水分子蒸發而遷移，導致滲透渠道與孔隙的生成。在上述作用下，砂巖結構趨于松散，這體現在兩方面，一是礦物顆粒框架慢慢軟化，二是內部微細觀的孔、裂隙發育。因此試樣在高濕作用下發生劣化效應，反映在預制平行雙裂隙巖樣的彈性模量、峰值強度和應變都呈減小趨勢。這也是巖樣裂紋演化和破壞模式變化的原因所在。

　　6 結論

　　(1)隨著環境濕度的增加，裂隙砂巖原致密片狀結晶形態呈現出團絮狀形態，結構疏松程度加大，層間分界變得模糊，微裂隙和微孔隙的數量增多，高濕軟化接觸面的礦物顆粒結合內外部應力差使其脫落，其緊實的微觀結構趨于松散，質量減少，削弱其宏觀力學性能。

　　(2)環境濕度對試樣裂紋擴展及破壞模式具有明顯影響，隨著濕度的增加，裂紋萌生類型因濕度的加大從翼形裂紋演化為反抗拉裂紋，導致破壞模式從剪切破壞過渡到拉伸破壞。

　　(3)預制平行雙裂隙砂巖貫通、起裂應力和濕度三者的關系類似于峰值強度的變化趨勢，即因濕度的上升而總體下降，但 100%濕度下的起裂應力和 90% 濕度下的貫通應力出現反常偏高。

　　(4)探討了濕度對預制平行雙裂隙砂巖力學參數的影響機制。高濕作用對試樣的力學參數起劣化作用，當相對濕度較高時，試件彈性模量、峰值強度和峰值應變均有所降低，泊松比則增大。裂隙尖端在高濕環境下產生水壓作用發生劈裂，削弱顆粒之間摩擦力，從而在單軸壓縮過程中促進裂紋的擴展，也就是加速裂隙砂巖的破壞。