武當(dāng)群片巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

鄒　浩

(湖北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡　438000)

?

道路工程

武當(dāng)群片巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

鄒浩

(湖北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡438000)

摘要：通省隧道是十(堰)房(縣)高速公路的控制性工程，隧道建設(shè)期間不同程度地遇到了縱向裂縫、鋼拱架被剪斷等變形破壞問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)與該地區(qū)分布的武當(dāng)群片巖具有的特殊物理力學(xué)特性密切相關(guān)。為弄清該類片巖的特性，選取通省隧道掌子面的武當(dāng)群片巖，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)X衍射礦物分析、物性試驗(yàn)、三種片理傾角(0°、45°、90°)的力學(xué)試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：武當(dāng)群片巖；物理力學(xué)；特性破壞形態(tài)

1引言

在工程活動(dòng)早期，人們把巖體看成一種材料，當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)處理，把材料力學(xué)中發(fā)展起來(lái)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)直接用來(lái)分析一切巖體力學(xué)問(wèn)題。在大量的試驗(yàn)和實(shí)踐基礎(chǔ)上，人們逐漸認(rèn)識(shí)到巖體力學(xué)性質(zhì)主要受巖體結(jié)構(gòu)控制，并提出了巖體結(jié)構(gòu)的概念，認(rèn)為巖體是由巖塊和結(jié)構(gòu)面組成，結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)。正是由于巖體結(jié)構(gòu)的存在，使得巖體的力學(xué)性質(zhì)具有顯著的各向異性，也是巖體區(qū)別于巖石的最大特征。對(duì)巖體各向異性的研究實(shí)際上就是以結(jié)構(gòu)面性質(zhì)研究為基礎(chǔ)，研究結(jié)構(gòu)面空間展布對(duì)巖體整體力學(xué)性質(zhì)的影響，即所謂的“結(jié)構(gòu)面效應(yīng)”。由于自然界大量存在含原生結(jié)構(gòu)面的巖體，如沉積巖中層狀構(gòu)造的砂巖、頁(yè)巖，變質(zhì)巖中的片巖、千枚巖等，研究者對(duì)含原生結(jié)構(gòu)面的巖體進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。

Pinto對(duì)片巖進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明片巖的彈性模量、泊松比和體積膨脹率隨著最大主應(yīng)力與片理的夾角變化，片巖具有明顯各向異性。Amadei對(duì)砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并對(duì)彈性各向異性參數(shù)的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法及其變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。Liao對(duì)泥質(zhì)板巖進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)，并計(jì)算了泥質(zhì)板巖橫觀各向同性的5個(gè)彈性參數(shù)，并提出了利用超聲波確定橫觀各向異性巖石動(dòng)彈性參數(shù)的方法和理論，對(duì)泥質(zhì)板巖進(jìn)行了試驗(yàn)。Nasseri等對(duì)四種不同的片巖進(jìn)行了單軸壓縮和三軸試驗(yàn)，詳細(xì)研究了變形參數(shù)與弱面傾角和圍壓的關(guān)系。Ramamurthy總結(jié)了巖石彈性變形各向異性特征的變化規(guī)律。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是為了達(dá)到研究目的，對(duì)試驗(yàn)的內(nèi)容、流程以及數(shù)據(jù)資料分析的整體安排。一方面，試驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)該盡可能的完整，試驗(yàn)的數(shù)量應(yīng)盡可能的豐富，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性以及可信度；另一方面，試驗(yàn)不僅受到時(shí)間、精力以及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，而且受到現(xiàn)場(chǎng)取樣條件的限制，因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要找到兩者的平衡。針對(duì)武當(dāng)群片巖的物理力學(xué)性質(zhì)安排了常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)，而對(duì)武當(dāng)群片巖的各向異性則安排了不同角度的力學(xué)試驗(yàn)。片巖各向異性試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　片巖各向異性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)流程如下。

(1)取樣及制樣

片巖試樣均取自通省隧道的掌子面，制樣時(shí)按照切割方向(也是主應(yīng)力的加載方向)與片理垂直、平行及45°斜交加工成三組50.00×100.00 mm的圓柱體試樣。(本文采用地質(zhì)定義的傾角α描述試驗(yàn)中片理的產(chǎn)狀)。

(2)物理性質(zhì)試驗(yàn)

對(duì)制取好的試樣進(jìn)行物性試驗(yàn)，采用量積法測(cè)取片巖巖塊密度，采用真空抽氣法測(cè)定片巖飽和吸水率，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41-2005)進(jìn)行，并取部分代表性巖樣進(jìn)行X衍射礦物分析。另外，對(duì)試樣進(jìn)行波速試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中由試樣兩端的探頭發(fā)射和接受縱波，根據(jù)時(shí)差計(jì)算得到縱波波速。

(3)力學(xué)試驗(yàn)

根據(jù)片巖物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)垂直(α=0°)、斜交(α=45°)、平行(α=90°)三組片巖試樣進(jìn)行組間整理，將物理性質(zhì)相近的試驗(yàn)作為一組力學(xué)試樣，以此減小試驗(yàn)結(jié)果的差異性。對(duì)平行、斜交、垂直三組片巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和在5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa圍壓下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，得到片巖力學(xué)參數(shù)及其各向異性特征。見(jiàn)圖1。

圖1　不同片理傾角的片巖試樣

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1X衍射礦物成分分析

礦物分析試驗(yàn)采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X-射線衍射儀進(jìn)行礦物成分和能譜分析。TS-K9為通省隧道進(jìn)口段掌子面巖塊，該處片理發(fā)育，層間結(jié)合差，片理微張，層間光滑、手搓具有滑膩感；TS-Y6為通省隧道出口段掌子面巖塊，該處為灰白色巖樣，片理發(fā)育，但層間結(jié)合較進(jìn)口段稍好，層間稍具顆粒感；TS-10M為通省隧道出口段掌子面發(fā)育的條帶狀軟弱泥化夾層，呈土狀，手能搓成粉末。三組試樣的礦物成分相對(duì)含量見(jiàn)表2、波譜特征見(jiàn)圖2。

圖2　隧道區(qū)片巖礦物能譜圖

礦物分析的結(jié)果表明：通省隧道的武當(dāng)群片巖主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、伊利石、綠泥石，相對(duì)含量在隧道不同區(qū)段有一定變化。進(jìn)口段片巖中綠泥石含量較高，因綠泥石是層狀礦物，強(qiáng)度不高，所以進(jìn)口段的巖體質(zhì)量較差；出口段片巖中石英的含量較高，因石英的強(qiáng)度高，所以出口段的巖體質(zhì)量較好。與此同時(shí)，出口段片巖中伊利石的含量也很高，伊利石是粘土礦物，強(qiáng)度低、遇水軟化且具有膨脹性，所以出口段的巖體遇水后巖體質(zhì)量將迅速變差。

表2　隧道區(qū)片巖礦物成分及含量

3.2片巖物性試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)密度試驗(yàn)、吸水性試驗(yàn)，測(cè)得武當(dāng)群片巖的物理水理參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　武當(dāng)群片巖物理水理參數(shù)

通過(guò)波速試驗(yàn)，得到α=0°(垂直于片理)、α=45°(斜交于片理)、α=90°(水平于片理)三組試驗(yàn)天然及飽和時(shí)候的波速結(jié)果，見(jiàn)表4。

圖3為波速與片理傾角α的關(guān)系。從圖中可以看出，片巖波速具有明顯的各向異性，波速隨著傾角的增大而減小，在α=90°時(shí)波速最大(天然狀態(tài)下4 218.00 m/s、飽和狀態(tài)下5 339.38 m/s)，而在α=0°時(shí)波速最小(天然狀態(tài)下2 419.63 m/s、飽和狀態(tài)下4 629.50 m/s)。飽和狀態(tài)下波速較天然狀態(tài)下有大幅增加，但飽和狀態(tài)下的各向異性則有明顯的下降。波速的各向異性反映的是片巖自身結(jié)構(gòu)的各向異性，當(dāng)α=90°時(shí)，波速儀探頭發(fā)射的縱波傳播方向平行于片理，傳播過(guò)程中縱波受到的阻礙最小，因而波速最大；當(dāng)α=0°時(shí)，縱波傳播方向垂直于片理，縱波受到的阻礙最大，因而波速最小。在飽和狀態(tài)下，水充填了巖石中的空隙，且縱波在水中的波速遠(yuǎn)大于空氣中，因而弱化了片巖反映的各向異性。

圖3　武當(dāng)群片巖波速隨片理傾角的變化情況

片理傾角α/°試樣編號(hào)天然波速/(m/s)飽和波速(m/s)天然波速均值/(m/s)飽和波速均值/(m/s)0°ts1-11-52037.504464.002419.634629.50ts1-21-62092.004495.00ts1-11-82501.004752.00ts1-11-62538.504752.00ts1-12-72695.504587.00ts5-11-32868.004752.0045°ts5-12-82708.004346.003093.444641.75ts5-11-52776.504464.00ts2-11-73140.504919.00ts2-11-83168.004892.00ts2-22-33522.004629.00ts2-22-13642.504726.00

續(xù)表4

3.3片巖力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

武當(dāng)群片巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示?？傮w上，不同片理傾角的片巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上是相同的，都反映出應(yīng)變軟化的特性，具有巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線的5個(gè)階段：壓密階段、彈性階段、塑性階段、應(yīng)變軟化階段、摩擦階段。壓密階段，曲線呈上凹形，應(yīng)變速率隨著應(yīng)力的增加而減小；彈性階段，曲線基本呈直線形，應(yīng)力與應(yīng)變的比值基本呈常數(shù)；塑性階段，曲線呈下凹形，應(yīng)變速率隨著應(yīng)力的增加而增加，并逐漸達(dá)到峰值；應(yīng)變軟化階段，應(yīng)力超過(guò)峰值后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力發(fā)生急劇的減小，發(fā)生“應(yīng)力跌落”；在摩擦階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加逐漸穩(wěn)定。隨著圍壓的增大，片巖峰值增大，而摩擦階段的應(yīng)力增大不明顯。

圖4　武當(dāng)群片巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

注：曲線中a表示單軸壓縮，b表示圍壓為5 MPa，c表示圍壓為10 MPa，d表示圍壓為15 MPa，e表示圍壓為20 MPa

(2)破壞形態(tài)

武當(dāng)群片巖單軸及三軸試樣破壞形態(tài)如圖5～6所示，可以歸納為三種破壞形態(tài)。

①劈裂破壞

劈裂破壞主要發(fā)生在0 MPa圍壓下加載方向與片理方向平行(片理傾角α=90°)的情況(圖5(e)～(f))，該破壞形態(tài)以縱向裂紋貫穿導(dǎo)致試樣破壞為主要特征。通常認(rèn)為，單軸壓縮條件下縱向裂紋是由于試樣內(nèi)部平行于加載方向的微裂紋尖端拉應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的，在試驗(yàn)過(guò)程中，由于片理平行于加載方向，片理尖端拉應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生了縱向裂紋，片巖會(huì)產(chǎn)生幾條平行的縱向裂紋，隨著加載應(yīng)力增大，縱向裂紋發(fā)展并貫穿，導(dǎo)致試樣破壞。

圖5　武當(dāng)群片巖單軸壓縮試樣破壞形態(tài)

②沿片理剪切破壞

沿片理剪切破壞主要發(fā)生在0～20 MPa圍壓下加載方向與片理方向斜交(片理傾角α=45°)的情況(圖5(c)～(d)、圖6(c)～(d))，該破壞形態(tài)以產(chǎn)生一條沿著片理貫穿試樣的主剪切面導(dǎo)致試樣破壞為主要特征。α=45°時(shí)，片理面的強(qiáng)度較小，而片理面上的剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ組合也較為不利，因而α=45°片巖的破壞主要由片理面強(qiáng)度控制。另外，除了沿片理產(chǎn)生一條貫穿試樣的主剪切面外，部分試樣還產(chǎn)生了共軛的次剪切面，主次兩條剪切面貫通(或部分貫通)，但仍以主剪切面為主要特征。

③貫穿片理剪切破壞

貫穿片理剪切破壞主要產(chǎn)生在5～20 MPa圍壓下片理傾角α=90°(圖6(e)～(f))和0～20 MPa圍壓下片理傾角α=0°(圖5(a)～(b)、圖5(a)～(b))的情況，該破壞形態(tài)以產(chǎn)生一條貫穿片理的主剪切面導(dǎo)致試樣破壞為主要特征。該破壞形態(tài)不同于第②種，不是由片理面強(qiáng)度控制，而是由試樣中極薄層片巖塊強(qiáng)度控制，破壞發(fā)生在剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ組合最不利的位置。除了主剪切面外，部分試樣還產(chǎn)生了共軛次剪切面，個(gè)別試樣還生產(chǎn)了縱向裂紋，這些次剪切面和縱向裂紋與主剪切面或貫通或部分貫通，加速了試樣的破壞，但仍以主剪切面為主要特征。

圖6　武當(dāng)群片巖三軸壓縮試樣破壞形態(tài)

注：從左向右圍壓依次為5MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa

(3)力學(xué)參數(shù)

圖7、圖8分別為天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)下武當(dāng)群片巖彈性模量與片理傾角的關(guān)系。從圖中可以看出：無(wú)論是天然還是飽和狀態(tài)，武當(dāng)群片巖的彈性模量都在α=45°時(shí)最小，而在α=90°時(shí)最大，在α=0°時(shí)彈性模量處于中間值。由此可知：武當(dāng)群片巖的各向異性十分顯著。除天然狀態(tài)圍壓0 MPa彈性模量偏大、飽和狀態(tài)圍壓5 MPa彈性模量偏小外，武當(dāng)群片巖的彈性模量基本呈現(xiàn)隨圍壓增大而增大的趨勢(shì)，但是增大的幅度有限。另外，從圖中還可以看出，飽和狀態(tài)下彈性模量較天然狀態(tài)小，減小的幅度分別為：α=0°為36%，α=45°為61%，α=90°為24%。

圖7　天然狀態(tài)下武當(dāng)群片巖彈性模量與片理傾角關(guān)系

圖8　飽和狀態(tài)下武當(dāng)群片巖彈性模量與片理傾角關(guān)系

圖9為武當(dāng)群片巖泊松比與片理傾角的關(guān)系。由圖9可知：泊松比在α=45°時(shí)最大，在α=90°時(shí)最小，而在α=0°時(shí)處于中間值，也顯示出武當(dāng)群片巖顯著的各向異性。另外，圖中也顯示出，飽和狀態(tài)下泊松比較天然狀態(tài)下大，幅度分別為：α=0°為1%，α=45°為5%，α=90°為24%。

圖9　武當(dāng)群片巖泊松比與片理傾角關(guān)系

圖10、圖11為天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)下武當(dāng)群片巖的抗壓強(qiáng)度與片理傾角的關(guān)系。從圖中也可以看出，武當(dāng)群片巖的的抗壓強(qiáng)度隨著片理傾角變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在α=90°時(shí)取得最大值，在α=45°時(shí)取得最小值，在α=0°取得中間值，顯示出片巖明顯的各向異性。圖中顯示，片巖抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增加而明顯增加。

圖10　天然狀態(tài)下武當(dāng)群片巖抗壓強(qiáng)度與片理傾角關(guān)系

綜上所述，武當(dāng)群片巖的力學(xué)性能可歸納為三個(gè)特點(diǎn)：①各向異性明顯：隨著片理傾角α的變化，片巖力學(xué)性能也會(huì)變化，在α=90°時(shí)力學(xué)性能最好，在α=45°時(shí)力學(xué)性能最差，而在α=0°時(shí)力學(xué)性質(zhì)中等；②圍壓效應(yīng)：隨著圍壓的增大，彈性模量、抗壓強(qiáng)度都會(huì)增大，片巖力學(xué)性能得到提升；③軟化效應(yīng)：飽和狀態(tài)下片巖力學(xué)性能要差于天然狀態(tài)。

圖11　飽和狀態(tài)下武當(dāng)群片巖抗壓強(qiáng)度與片理傾角關(guān)系

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)武當(dāng)群片巖進(jìn)行室內(nèi)X衍射礦物分析、物性試驗(yàn)、三種片理傾角(0°、45°、90°)的力學(xué)試驗(yàn)，得到結(jié)論如下。

(1)通省隧道區(qū)的武當(dāng)群片巖主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、伊利石、綠泥石，相對(duì)含量在隧道不同區(qū)段有一定變化。進(jìn)口段片巖中綠泥石的含量較高，巖體質(zhì)量偏差；出口段片巖由于石英的含量偏高，巖體質(zhì)量較好。與此同時(shí)，出口段片巖中伊利石的含量較高，遇水后巖體質(zhì)量容易變差。

(2)武當(dāng)群片巖的主要物理性質(zhì)指標(biāo)為：天然密度2.690 g/cm3，飽和密度2.695 g/cm3，飽和吸水率1.002%?？v波波速試驗(yàn)結(jié)果表明：在片理傾角為90°(波速方向與片理方向平行)時(shí)，波速最大，而在片理傾角為0°(波速方向與片理方向垂直)時(shí)，波速最小，武當(dāng)群片巖具有顯著的各向異性。

(3)武當(dāng)群片巖應(yīng)力應(yīng)變曲線具有5個(gè)階段，其中應(yīng)變軟化階段具有應(yīng)力跌落的現(xiàn)象，表明武當(dāng)群片巖是應(yīng)變軟化材料。片巖試樣的破壞形態(tài)主要有劈裂破壞、沿片理面剪切破壞以及貫穿片理面破壞三種類型。片巖的力學(xué)性能具有各向異性明顯、圍壓效應(yīng)、飽和效應(yīng)三種效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]席道瑛,陳林,張濤.砂巖的變形各向異性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1995,14(1):49-58.

[2]席道瑛,陳林.巖石各向異性參數(shù)研究[J].物探化探計(jì)算技術(shù),1994,(1):16-21.

[3]曹文貴,顏榮貴.小鐵山礦各向異性石英角斑凝灰?guī)r力學(xué)參數(shù)量測(cè)與研究[J].湖南有色金屬,1995,11(4):1-6.

[4]周大千.各向異性巖石的強(qiáng)度方程及其試驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào),1988,(3):87-97.

收稿日期：2016-02-08

作者簡(jiǎn)介：鄒浩(1983-)，男，湖北公安人，研究方向：巖土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治。

基金項(xiàng)目：變質(zhì)巖區(qū)深埋長(zhǎng)大隧道支護(hù)效果與關(guān)鍵技術(shù)研究，項(xiàng)目編號(hào)：2010-353-342-260。

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)06-0001-05

A experimental study on physical and mechanical characteristics of the wudang group schists

ZOU Hao

(Third Geological Team of Hubei Geological Bureau, Huanggang, Hubei 438000，China)

Abstract:Tong province tunnel controls the project progress of ShiFangEressway. During the construction of the tunnel, it met different degrees of deformation failure problems such as longitudinal cracks and steel arch ribs be cut, the emergence of these problems are closely related with the special physical and mechanical characteristics of the Wudang group schists which distributed in the region. To clarify the characteristics of this kind of schist, this paper selects the Wudang Group Schists at tunnel face of Tong province tunnel, carries on the analysis of indoor X diffraction mineral, physical property test and mechanical test of three kinds of schistosity angle which are 0°、45°and 90°.

Keywords:wudang group schistsphysical and mechanical characteristicsthe destruction shape