34 工程科学学报，第44卷，第1期 用标准试件所得高温处理后砂岩的强度劣化程度 的失稳破坏往往是内部孔隙、裂隙不断产生和贯 要小；当砂岩尺寸足够大时，高温对砂岩劈裂强度 通的动态演化过程，且孔隙与裂纹形态和初始破 的影响趋于稳定，这对地下工程或火灾等涉及高 坏位置有较强的相关性，因此研究孔隙率与裂 温的工程设计施工与安全控制具有指导意义.该 隙之间的相关性有利于评价岩石的损伤程度，揭 公式可用于预测一定尺寸下不同温度砂岩的劈裂 示岩石破坏机制，2-为探究砂岩在巴西劈裂过 强度，对于本次试验所用砂岩而言，基于上述拟合 程中孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通的滞后性， 函数，在进行室内试验前仅需测量砂岩试件尺寸 利用测量圆监测不同温度和尺寸下砂岩在0.75P~P 以及高温处理时的温度即可得出该砂岩试件的劈 (Peak load,峰值荷载)以及峰后阶段的孔隙率增加 裂强度.若该砂岩产地发生火灾，进行现场安全评 相对于裂隙扩展的滞后性（图11），滞后性用孔隙 估时，可基于上述拟合函数和火灾现场温度，初步 率和裂隙分别发生变化时的荷载差值来体现.砂 判断砂岩顶板强度变化，对灾后顶板支护设计具 岩试样在加载过程中，荷载较小时，仅在端部产生 有一定参考意义.需要说明的是，本次试验仅针对 较少微裂纹，裂纹未向中部扩展，中部孔隙率几乎 直径为50、60、80和100mm的高温砂岩进行数值 不变，在荷载达到0.75P时，裂纹开始逐渐扩展贯 模拟，作者后续将以5mm为砂岩直径变化梯度进 通，孔隙率增大，因此仅监测0.75P~P以及峰后阶 行不同尺寸下高温砂岩的巴西劈裂室内试验和数 段的孔隙率及裂纹扩展情况.从0.75P开始，每隔 值模拟，进一步完善砂岩劈裂强度劣化幅值与其 0.05P记录一次该时间点砂岩裂隙总量与孔隙率 直径之间的定量关系，提高拟合精度，扩大上述拟 由于裂纹主要在试样中部生成扩展，两翼在加载 合函数的适用范围 过程中无新的裂纹产生，为更准确地研究孔隙率 2.3砂岩孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通的滞后 增加相对于裂隙扩展贯通的滞后性，仅监测图12(b) 性分析 中划定区域的孔隙率.不同温度下砂岩试样划定 岩石的微观结构直接影响其力学性能，岩石 区域孔隙率在加载过程中监测结果如图13所示 Load difference/kN (a 0.110 (b) Load difference/kN T=1000℃，-100mmg 1000 0.110 0.12P 0.101 0.08P -0.092 0.11P 0.101 800 0.092 Z0.10P -0.083 0.083 0.08P -0.074 600 0.074 0.065 0.065 0.06P -0.056 400 0.056 0.04P -0.047 0.047 0.038 /mm 0.038 0.02P 10 0.029 200 0.029 ameter 80 0.02P 0.07P 0.020 25 0.020 200400600800 60 50 60 80 100 Temperature/C 1000 Sandstone 0 Sandstone diameters/mm 图11砂岩孔隙率增加相对裂隙扩展贯通滞后的荷载差值与温度和尺寸的关系.()荷载差值：(b)垂直方向投影图 Fig.11 Relationship between the load difference of the sandstone porosity relative to the fracture propagation and penetration and temperature and size: (a)load difference;(b)vertical projection 从图11(a)可以看出，随着温度升高、砂岩尺 大，滞后于裂隙扩展.荷载差值随尺寸增大而增大 寸增大，其孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通滞后 的主要原因是砂岩尺寸较小时，加载时内部所积 的荷载差值增大，且在温度为1000℃、直径为100mm 聚能量在峰值荷载时耗散，岩石失稳破坏，而尺寸 时荷载差值最大（图11(a)中黑色圆圈）.滞后的荷 较大的砂岩其内部的能量在峰值荷载前逐步耗 载差值随温度升高而增大的主要原因是随着处理 散，宏观表现为大量裂隙的产生和扩展6，孔隙率 温度增加，砂岩从脆性破坏逐渐转变为塑性破坏啊， 也随裂隙扩展而增大（图12）.此外，由图12和 脆性较强时岩石在峰值荷载附近迅速破坏，孔隙 图13分析可知，砂岩裂隙累计数量增加趋势呈指 率随之增大；当塑性增大时，岩石在巴西劈裂过程 数函数，拟合优度R均大于0.99，其增加趋势与孔 中更早产生微裂隙，孔隙率在裂隙产生后开始增 隙率增大趋势相同，这进一步说明了砂岩内部能用标准试件所得高温处理后砂岩的强度劣化程度 要小；当砂岩尺寸足够大时，高温对砂岩劈裂强度 的影响趋于稳定，这对地下工程或火灾等涉及高 温的工程设计施工与安全控制具有指导意义. 该 公式可用于预测一定尺寸下不同温度砂岩的劈裂 强度，对于本次试验所用砂岩而言，基于上述拟合 函数，在进行室内试验前仅需测量砂岩试件尺寸 以及高温处理时的温度即可得出该砂岩试件的劈 裂强度. 若该砂岩产地发生火灾，进行现场安全评 估时，可基于上述拟合函数和火灾现场温度，初步 判断砂岩顶板强度变化，对灾后顶板支护设计具 有一定参考意义. 需要说明的是，本次试验仅针对 直径为 50、60、80 和 100 mm 的高温砂岩进行数值 模拟，作者后续将以 5 mm 为砂岩直径变化梯度进 行不同尺寸下高温砂岩的巴西劈裂室内试验和数 值模拟，进一步完善砂岩劈裂强度劣化幅值与其 直径之间的定量关系，提高拟合精度，扩大上述拟 合函数的适用范围. 2.3    砂岩孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通的滞后 性分析 岩石的微观结构直接影响其力学性能，岩石 的失稳破坏往往是内部孔隙、裂隙不断产生和贯 通的动态演化过程，且孔隙与裂纹形态和初始破 坏位置有较强的相关性[41] ，因此研究孔隙率与裂 隙之间的相关性有利于评价岩石的损伤程度，揭 示岩石破坏机制[1, 42−44] . 为探究砂岩在巴西劈裂过 程中孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通的滞后性， 利用测量圆监测不同温度和尺寸下砂岩在 0.75P～P (Peak load，峰值荷载) 以及峰后阶段的孔隙率增加 相对于裂隙扩展的滞后性（图 11），滞后性用孔隙 率和裂隙分别发生变化时的荷载差值来体现. 砂 岩试样在加载过程中，荷载较小时，仅在端部产生 较少微裂纹，裂纹未向中部扩展，中部孔隙率几乎 不变，在荷载达到 0.75P 时，裂纹开始逐渐扩展贯 通，孔隙率增大，因此仅监测 0.75P～P 以及峰后阶 段的孔隙率及裂纹扩展情况. 从 0.75P 开始，每隔 0.05P 记录一次该时间点砂岩裂隙总量与孔隙率. 由于裂纹主要在试样中部生成扩展，两翼在加载 过程中无新的裂纹产生，为更准确地研究孔隙率 增加相对于裂隙扩展贯通的滞后性，仅监测图 12（b） 中划定区域的孔隙率. 不同温度下砂岩试样划定 区域孔隙率在加载过程中监测结果如图 13 所示. 60 80 100 800 600 400 200 50 200 600 400 100 800 1000 60 80 25 Loaddifference/kN 0.12P 0.10P 0.08P 0.06P 0.02P 0.04P Temperature/℃ Sandstone diameters/mm (a) T=1000 ℃, d=100 mm Temperature/ ℃ (b) 0.08P 0.11P 0.02P 0.07P 1000 50 Sandstone diameters/mm Load difference/kN 0.110 0.101 0.092 0.083 0.074 0.065 0.056 0.047 0.038 0.029 0.020 Load difference/kN 0.110 0.101 0.092 0.083 0.074 0.065 0.056 0.047 0.038 0.029 0.020 图 11    砂岩孔隙率增加相对裂隙扩展贯通滞后的荷载差值与温度和尺寸的关系. （a）荷载差值；（b）垂直方向投影图 Fig.11    Relationship between the load difference of the sandstone porosity relative to the fracture propagation and penetration and temperature and size: (a) load difference; (b) vertical projection 从图 11（a）可以看出，随着温度升高、砂岩尺 寸增大，其孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通滞后 的荷载差值增大，且在温度为1000℃、直径为100 mm 时荷载差值最大（图 11（a）中黑色圆圈）. 滞后的荷 载差值随温度升高而增大的主要原因是随着处理 温度增加，砂岩从脆性破坏逐渐转变为塑性破坏[45] ， 脆性较强时岩石在峰值荷载附近迅速破坏，孔隙 率随之增大；当塑性增大时，岩石在巴西劈裂过程 中更早产生微裂隙，孔隙率在裂隙产生后开始增 大，滞后于裂隙扩展. 荷载差值随尺寸增大而增大 的主要原因是砂岩尺寸较小时，加载时内部所积 聚能量在峰值荷载时耗散，岩石失稳破坏，而尺寸 较大的砂岩其内部的能量在峰值荷载前逐步耗 散，宏观表现为大量裂隙的产生和扩展[46] ，孔隙率 也随裂隙扩展而增大（图 12） . 此外，由图 12 和 图 13 分析可知，砂岩裂隙累计数量增加趋势呈指 数函数，拟合优度 R 2 均大于 0.99，其增加趋势与孔 隙率增大趋势相同，这进一步说明了砂岩内部能 · 34 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期