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文|张博然的研究室编辑|张博然的研究室前言在隧道、地下巷道和地下硐室的开挖和支护过程中，岩体的卸荷行为是难以避免的。
一方面，岩体的卸荷可能引发严重的工程灾害，如岩爆等；另一方面，通过保护层开采技术，可以通过释放和转移原地应力来消除煤层瓦斯突出的问题。
由于工作面及其附近的围压较小，围岩必然会发生膨胀，从而在自由表面方向产生较大的岩石位移。
研究者李等人认为围岩大量裂隙的扩展和快速变形是岩爆的前兆特征。
地下支护的目标是通过适当的高支护力主动控制开挖引起的围岩过度膨胀变形。
剪胀是岩石的一个重要力学特性，岩体的破坏与其剪胀机理密切相关。
剪胀现象及其影响因素剪胀性是指岩体内部裂纹压实、萌生、扩展和剪切滑移引起的体积非线性增加。
剪胀行为从屈服阶段开始，一直到应变软化阶段。
它主要受塑性应变和围压的影响，这与地下工程开挖边界附近围岩的力学响应相一致。
研究了低围压下裂隙大理岩的峰后强度与非弹性体积应变之间的相关性，指出峰后剪胀曲线可以用直线代替，且曲线的斜率随着围压的增加而减小。
砂岩在达到屈服破坏之前表现出塑性应变，并引起明显的剪胀变形。
剪胀导致软岩发生较大位移。
岩石的塑性行为并不罕见，特别是对于页岩和富煤层而言，但对于石灰岩和砂岩而言则较少见。
研究表明，各向异性杨氏模量往往会逆转塑性应变的影响，从而降低页岩和煤炭失效的可能性。
这些研究表明砂岩具有明显的剪胀行为，损伤是由微裂纹发展引起的体积膨胀造成的。
萨拉里等人认为弹性损伤是由体积膨胀引起的。
能量释放速率可以用弹性体积应变和塑性体积应变来表示，从而表征岩石的损伤变量和强度软化模型，岩体的剪胀角与围压和塑性剪应变有关，不是固定的或线性变化的。
在地下岩石工程中，可能会面临非常复杂的地质条件，曾经毕节市大方隧道发生了瓦斯突出事故，其中涉及岩溶、断层破碎带以及矿渣等问题。
在这样的情况下，流场的影响不容忽视，而岩石的剪胀行为对渗透率的演变具有重要影响。
渗透率的变化与卸载围压下的体积应变密切相关，这导致渗透率出现快速增加的阶段。
对花岗岩进行了剪切渗流试验，研究发现剪切效应对裂缝渗透率有着显著影响，即较小的剪切位移就会导致裂缝渗透率大幅增加。
加载和卸载速率也与岩体的变形行为、强度和渗透率演变密切相关，岩体破坏过程中的暴力行为和声发射能量的释放与卸载速率有关。
随着卸载速率的降低，破坏模式从应变爆发转变为剥落。
在高加载率下，剪切滑动是主要的破坏模式。
随着加载速率的进一步降低，破坏模式变得不一致，而岩石的强度没有明显变化，随着卸载速率的增加，岩石的破坏模式会从剪切转变为拉伸。
过去的研究很少将卸载应力路径下岩石的剪胀行为与渗透率突变特征联系起来。
在固定轴向应力下，对不同初始围压和卸载围压率组合的砂岩进行了三轴力学和渗流实验，以研究其剪胀行为、渗透率演化及其之间的关系。
在地下岩石工程中，使用了煤岩热-水-力耦合伺服控制渗流装置来进行实验，该装置由主机、液压动力源、恒温油浴、测控系统组成。
主机包括轴向应力加载油缸、三轴压力传感器和举升机构。
砂岩样本采集与制备方法实验标本从长石砂岩取得，经过切割、粗磨和抛光后制成直径50毫米、高100毫米的标本。
标本之间的相对端面不平行度误差不超过0.02毫米。
砂岩的单轴抗压强度为46.90 MPa，孔隙率为4.15%，微孔发育。
在固定轴向应力下不同卸载围压率对砂岩变形行为和渗透率演化的影响，首先进行了传统的三轴压缩测试，以确定UCT下的轴向应力水平。
具体步骤如下：以0.05 MPa/s的速率施加轴向应力和围压，使静水压力达到10、15、20和25 MPa。
打开进气阀，对不同围压下的砂岩试件施加3 MPa的气体压力。
当流量稳定时，以0.01 mm/min的速率施加轴向应力，直至试样失效。
随后进行UCT实验，具体步骤如下：施加轴向应力和围压，使静水压力达到15、20和30 MPa，相同速率0.05 MPa/s。
打开进气阀，对不同围压下的砂岩试件施加3 MPa的气体压力。
当流量稳定时，施加轴向应力直至CTC实验在0.05 MPa/s速率下测得的峰值应力的约70%。
保持轴向应力恒定，以0.02、0.05、0.1 MPa/s的速率进行卸荷围压实验。
一旦试件失效，立即将力控制切换为位移控制，并以0.1 mm/min的速率继续加载，直至残余强度稳定。
以第三步UCT实验为出发点，分析了砂岩的变形行为和渗透率演化规律。
砂岩的偏应力应变曲线如图5所示，在不同实验条件下变形趋势是一致的。
在实验中，轴向应力保持不变，而围压不断减小，导致偏应力不断增加。
应力路径可以看作是偏差应力加载路径。
相对于轴向应变，环向应变的快速增加加速了砂岩样品的体积膨胀速率。
砂岩的强度和体积应变随着围压的增加而增大。
表1列出了在失效时的偏应力和应变。
为了研究砂岩的剪胀行为，观察了砂岩形成与轴向应力成一定角度的倾斜破坏面，并发现了一些粉末。
为了确定这些粉末是由剪切还是拉伸引起的，进行了巴西劈裂试验和直接剪切试验，以研究两种极端情况下破坏面的特征。
在剪切作用下，砂岩部分颗粒分散，更多颗粒落在台面上，这表现为表面剥落或颗粒脱落，这与之前的研究一致。
而在拉应力破坏时，主要特征是出现沿粒裂纹，仅有少量散在颗粒，这也与之前的研究结果相符，剪切效应引起的破坏轮廓比拉伸效应引起的破坏轮廓更加弯曲。
在实验中，砂岩的破坏主要是由于剪切作用造成的。
较低的围压导致砂岩明显的脆性下降，并且没有观察到脆塑转变行为。
砂岩的剪胀效应和剪切局域化没有被抑制，导致变形行为呈现不均匀分布。
在剪切断裂损伤区内存在微裂纹，由于这些微裂纹的长度一般与砂岩颗粒尺寸相当，肉眼无法观察到它们。
砂岩的内摩擦角影响剪切膨胀效应，显示了在v = 0.02 MPa/s情况下砂岩内摩擦角的变化。
可以看出，内摩擦角基本相同，表明它对剪胀性能具有相同的影响，并且砂岩的剪胀行为受外加应力显著影响。
随着偏应力的增加，剪切效应增强，促进了闭合裂纹的滑动以及凹凸处微裂纹的张开。
综上所述，较高的偏应力导致了较大的体积应变增量，表明砂岩经历了明显的剪胀行为。
观察到 DF具有两个明显的特征。
DF大于相关文献的这表明ΔεV, p/Δεa, p较大，即ΔεV, p大于Δεa, p。
这意味着在实验中砂岩的剪胀现象非常显著。
随着围压的增加，DF并没有减小，而DF的减小通常意味着剪胀性被抑制。
渗透率方程及参数解释这一部分描述了一些用于计算裂纹密度参数的数学模型和参数说明。
在这些模型中，σ表示施加的应力，单位为兆帕。
σ_c是裂缝闭合和接触所需的法向应力，单位为MPa。
(σ1 - σ3)是偏应力，即主应力之间的差异，单位为MPa。
ε_a是轴向应变，Ê是归一化杨氏模量，单位为MPa，E是三轴应力状态下砂岩的杨氏模量，单位为MPa，E_eff是有效杨氏模量，单位为MPa，α是裂纹的初始纵横比，即裂纹的短轴与长轴之比认为α是砂岩椭圆形裂纹的特征。
砂岩的裂缝是椭圆形的，c_open是砂岩的开放裂缝贡献的柔度。
c_滑动是滑动裂缝对砂岩贡献的柔度。
γ是裂纹密度参数。
β为裂纹长轴与轴向应力之间的夹角，并且小于90°。
β_s为裂纹滑动临界角。
β_c是裂纹闭合的临界角。
μ为裂纹相对表面的摩擦系数。
在不同初始围压和卸载速率下，应力平台的持续时间。
砂岩在轴向应力达到目标值后，会经历一段时间的应力平台，然后发生瞬时破坏。
砂岩的破坏过程可以分为两个阶段：应力平台阶段和破坏失稳阶段。
在应力平台阶段开始时，卸载速率越大，砂岩越脆弱，这可能在工程应用中不利。
从砂岩的变形行为可以看出，在应力平台的初期，体积应变变化平稳。
尽管在剪胀阶段砂岩内部已经开始产生新的微裂纹，但是砂岩的剪胀行为包括弹性体积恢复，因此砂岩仍然表现出相当大的承载能力。
卸载初期应变会保持相对稳定。
在应力平台的后期，随着连续卸载，应变急剧增加，加速剪胀现象出现。
裂缝不受控制地扩展，这本质上是因为轴向应力逐渐接近砂岩的极限承载能力所致。
在应力平台后期，较高的卸载速率导致更快的应变变化。
在剪切损伤区，穿晶裂纹会增多，并且随着卸载速率的增加，这些裂纹沿着轴向应力方向更加优先出现，特别是由于实验中使用的砂岩孔隙率较低，因此更容易捕获这些裂纹。
在拉伸裂纹形成后，剪切裂纹往往会扩展和发展。
随着围压的不断卸载，较高的偏应力抑制了拉裂的萌生和发展，而更有利于先前形成的剪切裂缝的滑移。
相比含有原煤的割理系统和页岩，砂岩内部的裂隙系统相对较简单，气体滑脱效应更为明显。
砂岩可以被看作是由岩石颗粒组成的集合体，其渗透率通常遵循达西定律。
渗透率的计算公式为：k = 2q μL ΔP2。
其中k是以平方米为单位的渗透率，q是CH4的出口流速，单位为立方米每秒，μ是在测试温度下CH4的运动粘度，单位为兆帕秒，L是样品长度，单位为米，ΔP是在测试温度下测得的CH4的入口压力。
A是砂岩样本的横截面积，单位为平方米。
结论卸载应力状态的减少使得裂缝更容易发生滑移，导致砂岩经历剪胀行为。
剪切效应在砂岩破坏前体现，且偏应力越大，剪切效应越明显。
剪胀行为并没有随着初始围压的增加而减小，也就是说剪胀系数没有降低。
与此对应，裂缝密度参数随着初始卸载围压的增加而增大，与体积应变的变化趋势一致。
归一化渗透率与卸载速率呈正相关，渗透率与剪切膨胀行为密切相关。
砂岩在卸载应力路径下经历了两个阶段：应力平台阶段和破坏失稳阶段。
砂岩的破坏是累积损伤的可以利用破坏时间的概念来预测砂岩失稳阶段的破坏时间。