岩样单轴压缩的破坏形式

岩样常规三轴压缩的最终破坏形式是明显的剪切滑移；单轴直接拉伸是垂直于轴向的拉断。但是，岩样单轴压缩的破坏形式却复杂多变，通常认为，最终的破坏多数是与轴向近乎平行的劈裂破坏，或称岩样单轴抗压强度的降低是由于岩样内部的拉伸破坏造成的。不过，在岩样的单轴压缩过程中，如果材料变形均匀，没有产生屈服破坏，那么岩样内部的应力就只有压应力和剪应力，并不存在拉应力。

2.2.1 破坏形式

中国矿业大学电液伺服试验机实验室陈列有50多个单轴压缩破坏的岩样，笔者也进行了多种岩石试样单轴压缩试验。通过对这些岩样的仔细考察，可以将岩样单轴压缩的最终破坏形式归纳为5种^［9］（图2-4）。

图2-4 岩样单轴压缩破坏的形式

（a）岩样完全由单一断面剪切滑移而破坏，与三轴压缩过程中的破坏形式相似，试样的端部可能出现一个局部的圆锥面；而风化严重的大理岩试样甚至可以出现平整的平面剪断破坏。不过，对于一般的脆性岩石，这种单一断面的剪切破坏情况比较少见。

（b）岩样沿轴向存在相当多的劈裂面，但有一个贯穿整个岩样的剪切破坏面。某些岩样除主剪切面之外还存在少量的局部剪切破坏面。由于岩石的抗拉强度较低，所以就破坏面而言以张拉为主，有时甚至掩盖了剪切破坏面。

（c）两个相互连接或平行的剪切面共同实现对岩样的贯穿，当然岩样中也可能存在沿轴向的劈裂面。

（d）岩样一端为破裂圆锥面，在锥底产生沿轴向的张裂破坏。对砂岩试样而言，这种破裂方式多出现在长径比为1的试样，而通常长径比为2的试样只会出现局部的圆锥面，没有观察到完整的破裂圆锥。并且岩样两端同时出现破裂圆锥面是不容易的。不过对细晶大理岩试样，单轴压缩破坏后靠近端部的岩石因受摩擦抑制处于三向压应力状态，结构趋于致密，而中部晶粒则丧失粘聚力，结构松散，有时可以剥出完整的圆锥体。

（e）岩样侧面出现类似于“压杆失稳”的岩片折断破坏，其余部分的破坏如（a）或（b）所示。这种情况只出现在一些硬脆的岩石试样，同时伴随着巨大的声音。这与采煤工作面出现的“片帮现象”类似。

单轴压缩时，绝大多数的主剪切破坏面都是始于岩样的一个端面而终止于另一个端面，只有极少数岩样由于层理或弱面等原因，主剪切面终止于岩样的侧面。在岩样单轴压缩失稳破坏时部分材料会被压碎，成粉末状；单轴抗压强度可达250MPa以上的细颗粒花岗岩，失稳破坏时成粉末状四散炸开。另外，围压下压缩时均质致密的大理岩破裂面可以终止于岩样的侧面，一般不会发生崩溃式失稳破坏。

通过上述分析，发现岩样的单轴压缩破坏，会产生各种各样的破裂面，这些破裂面位于垂直于轴向的投影之和，最终将覆盖岩样的端面积，造成岩样轴向承载能力的消失。破裂面如果没有覆盖岩样断面积，则岩样必然具有一定的轴向承载能力。

单轴压缩时岩样以X状共轭剪切破坏是极为罕见的，以单一断面剪切破坏并不常见，破裂角与Coulomb准则所预计的45°+φ/2也不一致，通常偏大。有些资料对岩样单轴压缩破坏的描述可能不够准确^［10］。图2-5给出了8个岩样单轴压缩破坏的照片，破坏形式较为特殊。

图2-5 岩样单轴压缩破坏的照片

A、B是剪切破坏，但由于破坏倾角较大，为了实现破裂面覆盖试样断面，出现了多个剪切破坏面。这些剪切面都是岩石材料新鲜破裂面，倾角大致相同，但方向不同。

C右上角是岩石材料的新鲜破裂面，倾角较大，后转为层理面的剪切破坏。

D是沿充填节理的破裂，不过该试样并未完全失去承载能力，如果继续施加轴向压缩变形，还会产生新的破裂面。这种陡倾角的节理在单轴压缩时承载能力很低，固然可以说是在载荷作用下破裂。不过，在围压作用下节理承载能力很高，也会在变形的作用下产生破裂，且破裂之后承载能力仍可以随着压缩变形而增大，达到峰值承载能力。即围压下压缩时，试样的承载能力与破坏并不完全等同。

E是剪切破坏与沿轴向破坏的组合；F是剪切破坏与垂直于轴向破坏的组合。这样的破坏多出现于颗粒较细且强度较高的试样。剪切破坏无疑可以用承载能力来解释，而沿轴向和垂直于轴向的破坏，显然源于颗粒之间变形达到临界值后即相互分离。

G是端部圆锥剪切破坏引起张拉破裂，试样破裂后从端部取出完整的圆锥体H；I是端部圆锥剪切破坏与中间的平面剪切破坏的组合。这类破坏形式可能与试样端部的摩擦效应有关。

2.2.2 岩样单轴压缩产生张拉破坏的原因

Jaeger J C发现在围压低达0.35MPa（50psi）时岩样仍保持剪切破裂形式，由此推断在单轴压缩时，岩样的破坏也是由剪切破裂产生的^［11］。然而岩样的破坏形式和承载能力降低是两个不同的概念，必须明确区分。我们认为，在单轴压缩过程中，许多岩样的最终破坏形式确实是以沿着轴向的张拉劈裂为主，但张拉破坏是由剪切滑移引起的，而且岩样承载能力的降低也是由剪切滑移决定的。下面予以具体说明。

在岩样的单轴压缩过程中，如果材料变形均匀，没有产生屈服破坏，那么岩样内部的应力就只有压应力和剪应力，并不存在拉应力。这可以利用Mohr应力圆得到说明。因此，岩样内部的最初破坏只能是剪切破坏或剪切滑移。但是一旦岩样内部出现剪切滑移后，在滑移面附近的应力状态将发生巨大的变化。下面以图2-6作一简单的定性说明。

图2-6 岩样沿轴向拉张破坏机理

从岩样中沿轴向取出一个包含剪切滑移面AB的“隔离体”，在剪切滑移面上有正压力N和摩擦力F，两者沿轴向的合应力小于岩样的轴向应力，否则就不会滑移破坏。因而在BG面上必然存在剪切应力以平衡轴向载荷。剪切滑移作用还会产生垂直于轴向的拉力Ncosa-Fsina，其大小随该滑移面积增大而增大。

显然在没有围压的单轴压缩过程中，随着剪切滑移面的增大，岩样内沿轴向的拉应力达到岩石的抗拉强度时，将会产生沿轴向的张拉破坏。岩石的抗拉强度较低是出现这种现象的根本原因。某一拉张破坏面出现之后，其下方（沿滑移面）的岩石材料在轴向的剪切应力和拉应力将减为零。其后随着剪切面的不断扩大，拉张破坏又将逐个地发生，从而岩样内出现众多沿轴向劈裂的破坏面。由于试验机压头的端部摩擦效应，图中的剪切滑移面AC的上方通常很少产生拉张破坏面，至少靠近A点的岩石材料是能够保持完整的块状。

图2-7 岩样外侧“压杆失稳”式折断造成的应力跌落

如果最初的剪切滑移面出现在岩样的内部，那么剪切滑移引起的沿轴向拉张劈裂面可能使岩样侧面的材料脱离主体，成为一个压杆。细长压杆通常产生失稳而折断，完全失去承载能力。原来储存的弹性形变恢复，使其长度大于岩样而弯曲。这种破坏情形会在应力-应变全程曲线上反映出来，即在应变几乎不变时出现一个应力小幅度跌落（图2-7）。这种应力跌落多是出现在峰值附近，但并不会显著影响岩样的整体变形过程。

必须强调的是，若岩样只是沿轴向破裂成相互脱离的两块，则以两个小岩样并联体的形式完全能够继续承载轴向载荷。岩石的破坏与承载能力的丧失是两个不同的概念，只有材料的剪切破坏才能引起承载能力的降低。岩样在轴向和环向产生塑性变形就是剪切滑移的宏观表现。因此，岩样的轴向承载能力的降低与塑性变形量必然有着某种联系。