層狀類巖體室內(nèi)制樣方法及單軸壓縮力學(xué)機(jī)理研究

夏 磊，姚勁松，蔣 磊

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430010；2.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司， 重慶 400039)

地球表面含量最多的是沉積巖體，沉積巖由于其特殊的成巖機(jī)制，往往具備顯著的層狀特性，其巖體內(nèi)存在一組占絕對優(yōu)勢的平行層理。因此，在實(shí)際工程問題中，學(xué)者們在力學(xué)上通常將其視為橫觀各向同性體，即在平行于層理的任意方向上的各個(gè)點(diǎn)都具有相同的力學(xué)特性，而垂直于層理的方向上的力學(xué)特性則不同。近幾十年來，我國各類基礎(chǔ)設(shè)施和資源開發(fā)等大型工程項(xiàng)目建設(shè)如火如荼，巖體材料在各類工程建設(shè)中都扮演著不可或缺的角色，水利水電開發(fā)、礦山開采、能源開發(fā)、廢棄物地下處理、地面與地下交通建設(shè)等工程極大地促進(jìn)了我國巖石力學(xué)的發(fā)展[1-5]。而隨著實(shí)際工程規(guī)模越來越大以及對工程精度需求的提高，早已不能將實(shí)際巖體簡單地視作各向同性材料進(jìn)行工程應(yīng)用分析。因此，開展層狀巖體的力學(xué)特性問題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

而自然狀態(tài)下的層狀巖體雖然分布廣泛，但與完整巖石不同，其復(fù)雜的層理及其傾向傾角都增加了將其鉆取加工成室內(nèi)試驗(yàn)樣品的難度和成本。且在含多節(jié)理的天然巖體中，其節(jié)理面通常具有較高的風(fēng)化程度，在鉆取加工時(shí)往往會(huì)對巖體自身造成一定程度的損傷，不適合小尺寸多傾角取樣來進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。因此，許多學(xué)者都采用人工制樣相似材料模擬層狀巖體的力學(xué)特性[6-7]，且隨著試驗(yàn)條件的進(jìn)步和發(fā)展，通過人工制樣相似材料的方法可以滿足不同的試驗(yàn)需求。相對于天然巖體，人工制樣類層狀巖體試驗(yàn)方法更加靈活易行。當(dāng)前制備人工層狀巖體的制樣方法主要分為兩種。

第一種方法是將完整的天然巖塊制備成薄板塊，然后采用人造粘接劑將天然巖體博板塊逐片粘貼。我國學(xué)者肖長富等[8-10]分別將灰?guī)r、泥巖和砂巖三種巖塊進(jìn)行人工粘合，制備出由不同巖體力學(xué)特性的交替組合的室內(nèi)試驗(yàn)試樣，分別進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮、直剪等試驗(yàn)，探究不同種類巖層復(fù)合時(shí)，層狀巖體的強(qiáng)度、變形力學(xué)特性。此外，林新[11]、閆立宏等[12]和劉立等[13]也采用相似人工制樣方法制備層狀巖體試樣，并采用以環(huán)氧樹脂為原材料調(diào)制應(yīng)用于巖體的人造粘接劑，研究不同人造粘結(jié)劑及基巖塊對巖體的分層效應(yīng)對層狀巖體宏觀力學(xué)特性的影響機(jī)制。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單、試樣制樣周期短、對層理力學(xué)特性可控，其缺點(diǎn)則在于需要采集大量的天然巖體，難以靈活滿足不同基巖體的試驗(yàn)需求。

第二種方法則是采用相似材料模擬層間基巖體，并利用相似材料在固化過程中的自然粘結(jié)來實(shí)現(xiàn)層間的粘結(jié)效果。Tien等[14]最先通過水泥、砂石及硅石粉等按固定配比混合制備人工類巖體，逐層澆筑，制備出軟硬巖層交互的層狀類復(fù)合類巖體試樣。通過室內(nèi)單軸及三軸試驗(yàn)對其力學(xué)特性和破壞形態(tài)進(jìn)行了分析。隨后，胡明研[15]、余永強(qiáng)等[16]、陳新等[17]、張清照等[18]學(xué)者也都采用這種人工制樣的方法，以求能更好的模擬出層狀巖體的真實(shí)力學(xué)狀態(tài)。相對于第一種方法，這種采用相似材料制樣的方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以控制基巖的力學(xué)特性，同時(shí)不需要外加粘結(jié)劑；但是這種制樣方法也導(dǎo)致了其制樣難度大大提高、制樣周期也變長。

對此，本文結(jié)合以上兩種制樣方法的優(yōu)勢，提出一種新的制樣方法，選用水泥砂漿作為類巖石相似材料模擬基巖的力學(xué)特性，選用以環(huán)氧樹脂為主要膠凝材料的人工粘接劑模擬層理。通過粘貼、拼裝、切割、打磨、成型等工序，設(shè)計(jì)層理間距為1 cm的層狀類巖體人工制樣方法。這樣可以同時(shí)控制基巖與層理的力學(xué)特性，同時(shí)相較于第二種制樣方法，簡化了制樣過程、縮短了制樣周期、降低了試驗(yàn)成本。

1 試驗(yàn)材料的選取

在制作合適的類層狀復(fù)合巖體前，需確定出類巖石和人造粘結(jié)劑這兩種材料的配比及力學(xué)特性。

1.1 類巖石相似材料的制取

目前巖石力學(xué)物理試驗(yàn)研究，以相似材料模擬不同條件下巖體的試驗(yàn)方法已比較普遍和成熟，相應(yīng)的相似材料配比方法經(jīng)驗(yàn)也較為充分。其中，以水泥為主要膠結(jié)物，配以其他硬體顆粒材料(如石英砂、黃砂等)已成為當(dāng)前學(xué)者普遍采用并接受的配比方法[19-20]。采用相似材料進(jìn)行演示力學(xué)試驗(yàn)的優(yōu)勢主要在于其原材料來源廣泛、制作方法簡單易行、制作成本低廉，且可以選擇不同的配比模擬出不同力學(xué)性質(zhì)的類巖石體。

本文參照前人經(jīng)驗(yàn)，選取32.5號(hào)普通水泥作為膠結(jié)材料，選取黃砂作為骨料材料。剛運(yùn)來的黃砂露天存放且濕度較大，因此對黃砂進(jìn)行翻曬處理，使其能達(dá)到氣干狀態(tài)。隨后采用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩選砂粒，篩除粒徑大于1.0 mm的粗砂粒。處理好的黃砂放置與陰涼室內(nèi)存儲(chǔ)。

選用重量配比為水泥∶黃砂∶水=2∶4∶1。利用標(biāo)準(zhǔn)模具制備出直徑為50 mm、高100 mm的圓柱體單軸壓縮試樣和邊長為100 mm的立方體直剪試驗(yàn)試樣，所得試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1 類巖石相似材料單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖2 類巖石相似材料直剪試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，本文所制備的4組相同的單軸壓縮結(jié)果基本相同，模擬基巖的平均單軸彈性模量為5.697 GPa，平均單軸峰值強(qiáng)度為27.395 MPa。同時(shí)，從圖2可以看出，隨著法向壓力的逐漸增大，試樣的抗剪強(qiáng)度也在逐漸增強(qiáng)。

1.2 人造粘結(jié)劑的制取

環(huán)氧樹脂材料具有粘結(jié)性能穩(wěn)定、傳遞荷載均勻、制作簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)以環(huán)氧樹脂為主要膠凝材料制備人造粘結(jié)劑，以模擬出復(fù)合層狀巖體的層間粘結(jié)效果。

本文首次以建筑膩?zhàn)臃蹫槿趸牧?，降低環(huán)氧樹脂的黏性；以無水乙醇為稀釋材料，保證混合試劑的流動(dòng)性。通過不斷調(diào)試，為達(dá)到合適的流動(dòng)性和稠度，確定最終配方如下：

環(huán)氧樹脂——膠凝材料，200 g；EP固化劑——固化劑，40 g；建筑膩?zhàn)臃邸趸牧希?50 g；無水乙醇——稀釋劑，30 g。

同時(shí)，為了保證在人工攪拌過程中具有可操作性，確定各材料的混合順序如下：

(1) 稱取200 g的環(huán)氧樹脂，30 g無水乙醇，150 g建筑膩?zhàn)臃郏?0 gEP固化劑。

(2) 將30 g無水乙醇摻入到環(huán)氧樹脂中，充分?jǐn)嚢杈鶆?，使得混合試劑具有足夠的流?dòng)性。

(3) 摻入建筑膩?zhàn)臃?，為保證混合試劑不至于稠度過大而無法進(jìn)行人工攪拌，將建筑膩?zhàn)臃鄯謨纱螕饺?，攪拌均勻?/p>

(4) 摻入EP固化劑，充分?jǐn)嚢琛?/p>

將完整立方體試樣在中心切開成兩個(gè)100 mm×100 mm×50 mm的長方體塊，然后用上述人造粘結(jié)劑粘貼固化，待穩(wěn)定后進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

綜上所述，類巖石相似材料及人造粘結(jié)劑的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見表1。

圖3 人造粘結(jié)劑直剪試驗(yàn)曲線

表1 材料力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)

從中可以看出，本文所制備的人工粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度要明顯弱于巖石基巖體。

2 層狀類巖體試樣制備方法

為制備出具有層狀特性的類層狀巖體試樣，本文采取先制備相同尺寸的水泥砂漿薄板，用人造粘結(jié)劑將薄板層層粘貼，待固化穩(wěn)定后按特定角度進(jìn)行切割打磨，制備出具備不同層理傾角的層狀類巖體試樣。試樣制備流程如圖4所示。

圖4 層狀類巖體試樣制備流程圖

2.1 制備模具箱

因需要制備出尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的不同層理傾角下的層狀結(jié)構(gòu)立方體，本文采用將水泥砂漿薄板疊合后按所需角度切割獲取試樣的方法，如圖5所示。

因此，幾何上需要薄板疊加粘貼后的尺寸應(yīng)滿足：

(1)

圖5 理論試樣取樣圖

水泥砂漿薄板澆筑采用自制箱型模具澆筑,模具箱由木板手動(dòng)拼裝，側(cè)邊版與底板由螺栓組裝，拆卸方便，可以重復(fù)使用，模具箱有效長度為60 cm，寬度為14 cm，高度為18 cm。在側(cè)向木板內(nèi)側(cè)提前刻制出凹槽，間距1 cm。采用PVC硬隔板嵌入凹槽中，PVC硬隔板有相當(dāng)?shù)挠捕?，保證在澆筑過程中沒有明顯的擠壓變形。同時(shí)，模具箱兩側(cè)上部用鐵絲穿孔固定，保證模具箱在澆筑振動(dòng)過程中的穩(wěn)定。最終所制備得到的水泥砂漿薄板厚度均為1 cm。

2.2 水泥砂漿薄板澆筑

利用上述模具箱澆筑類巖石薄板的具體流程如圖6所示。

圖6 水泥砂漿薄板澆筑成型

(1) 組裝模具箱，模具箱內(nèi)涂抹凡士林密封，同時(shí)涂抹脫模劑。

(2) 按設(shè)計(jì)配比稱重原材料，投入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢瑁瑸楸ＷC材料混合均勻，采用先放水泥、再放黃砂、最后放水的次序。在放置水泥和黃砂后，先用攪拌機(jī)干攪2 min，使水泥和黃砂混合均勻，然后將預(yù)定配比的自來水倒入攪拌機(jī)中與干料混合并再次攪拌4 min，保證其達(dá)到設(shè)計(jì)稠度。

(3) 將攪拌均勻的水泥砂漿倒入已組裝好的模具箱內(nèi)，為消除水泥砂漿內(nèi)部的氣孔，將灌漿的模具置于低頻振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min后取下，期間隨時(shí)補(bǔ)充物料。

(4) 將已澆筑好的水泥砂漿從振動(dòng)臺(tái)上取下，并用塑料膜覆蓋養(yǎng)護(hù)。

(5) 靜置48 h候拆除模具，取出水泥砂漿薄板，重復(fù)組裝模具箱，重復(fù)(1)、(2)、(3)、(4)步驟。

(6) 將水泥砂漿薄板放置在陰涼處保養(yǎng)4周。

2.3 水泥砂漿薄板粘貼拼裝

將水泥砂漿薄板靜置養(yǎng)護(hù)28 d，待其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，便可以進(jìn)行粘貼拼裝。在拼裝前，擦去每片水泥砂漿薄板的表面灰塵，同時(shí)剔除表面有明顯孔洞及不平整的薄板。

一次粘貼疊加薄板至所需成型高度，不同傾角的成品所需拼裝高度不同，為保證所疊加的薄板數(shù)量所至的高度達(dá)到試樣成型的要求，在不考慮人造粘接劑的厚度前提下，各個(gè)角度所需疊加拼裝的高度及所需薄板數(shù)量如表2所示。

表2 粘貼拼裝所需水泥砂漿薄板數(shù)量

2.4 切割加工

粘貼拼裝完成后，晾置7 d，使其完全固化。按照所需層理傾角，在每個(gè)待加工試樣表面描摹好切割線，如圖7所示，通過改變直角三角形墊塊的角度，并將切割刀片對準(zhǔn)事先臨摹好的切割線，保持切割刀片沿線切割，便可得到相應(yīng)層理傾角的立方體試樣。將一個(gè)立方體試樣沿中心切割成4個(gè)尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的長方體塊，即可得到層狀類巖體單軸壓縮試樣。

將切割完成后的直剪試樣及單軸壓縮試樣放置陰涼室內(nèi)養(yǎng)護(hù)14 d后即可開始加載試驗(yàn)。

3 層狀類巖體試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文人工制樣類層狀巖體試樣，對本文制樣方法所制備的層狀類巖體試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并將試驗(yàn)規(guī)律與天然層狀巖體進(jìn)行對比驗(yàn)證。單軸壓縮試樣共包含7種不同層理傾角，試驗(yàn)采用位移加載控制，加載速率為0.01 mm/s。

圖7 不同層理傾角試樣切割示意圖

本次試驗(yàn)在YZW50型微機(jī)控制的電動(dòng)應(yīng)力式直剪儀上進(jìn)行。

如圖8所示為7種不同層理傾角下層狀類巖體試樣的單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其各不同層理傾角下的彈性模量及峰值強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

3.1 彈性模量隨層理傾角的變化規(guī)律

表4列出了已有文獻(xiàn)中通過單軸壓縮試驗(yàn)測量所得到的各類天然層狀巖體的彈性模量隨層理傾角的變化規(guī)律，定義彈性模量各向異性度Emax/Emin。

圖8 層狀類巖體單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 層狀類巖體單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表4 天然層狀巖體單軸壓縮彈性模量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4中可以看出，層狀巖體單軸壓縮彈性模量隨層理傾角的變化趨勢一般都呈現(xiàn)U型或遞增型。

而本文所制備的層狀類巖體單軸壓縮彈性模量隨層理傾角的變化趨勢表現(xiàn)為先降低再增大的U型變化，在β=45°時(shí)取最小值(E45=1.53 GPa)，在β=90°時(shí)取最大值(E90=5.21 GPa)，如圖9所示。本文試樣彈性模量各向異性度為3.405，表明本文所制備的類層狀巖體試樣具備層狀巖體的變形特性。

3.2 峰值強(qiáng)度隨層理傾角的變化規(guī)律

表5列出了已有文獻(xiàn)中通過單軸壓縮試驗(yàn)測量得到各類天然層狀巖體的峰值強(qiáng)度隨層理傾角的變化規(guī)律，定義峰值強(qiáng)度各向異性度UCSmax/UCSmin。

圖9 類層狀巖體單軸壓縮彈性模量隨層理傾角的變化趨勢

表5 天然層狀巖體單軸壓縮峰值強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表5中可以看出，層狀巖體的單軸壓縮強(qiáng)度隨層理傾角變化的最大值主要集中在β=0°或β=90°時(shí)，而最小值一般都集中在β=45°～75°，其峰值強(qiáng)度各向異性度的范圍較大。如圖10所示為本文層狀類巖體試樣單軸壓縮峰值強(qiáng)度隨層理傾角的變化曲線，其中連續(xù)曲線為單一弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則的理論解。

圖10 單軸壓縮峰值強(qiáng)度隨層理傾角的變化趨勢

從表5及圖10中可以得到，本文的層狀類巖體試樣的單軸壓縮強(qiáng)度在β=90°時(shí)取最大值，β=0°與β=90°下的峰值強(qiáng)度相近；在β=60°左右取最小值，峰值強(qiáng)度隨層理傾角呈先降低、后增加的U型趨勢；峰值強(qiáng)度各向異性度UCSmax/UCSmin=2.73，在表5的合理范圍內(nèi)。證明本文所制備的類層狀巖體試樣也具備天然層狀巖體的強(qiáng)度特性。

4 層狀類巖體試樣單軸壓縮破壞模式分析

驗(yàn)證了本文層狀巖體制樣方法的合理性后，即開展不同層理傾角條件下層狀巖體單軸壓縮破壞模式分析。

層狀巖體受壓破壞形態(tài)及模式是由層理和基巖體共同決定，圖11展示了不同層理傾角條件下層狀類巖體試樣的單軸壓縮破壞形態(tài)。

在加載過程中可以觀察到，當(dāng)單軸壓縮軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，試樣中開始出現(xiàn)多個(gè)宏觀裂紋，并迅速匯合形成貫穿裂紋，形成宏觀拉伸或剪切破裂面，試樣失去繼續(xù)承載的能力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力陡降。而隨著層理傾角的變化，其破壞形態(tài)具有明顯的各向異性，如圖11所示，層狀類巖體的破壞形態(tài)主要分為四種。

圖11 不同層理傾角條件下層狀類巖體單軸壓縮破壞形態(tài)

當(dāng)層理傾角β=0°～15°時(shí)，試樣形成貫穿整個(gè)試樣的破裂面，且破壞面直接貫穿層理。這是因?yàn)榇藭r(shí)試樣內(nèi)最大主應(yīng)力σ1幾乎垂直層理，同時(shí)試樣內(nèi)最大剪應(yīng)力τmax與層理的夾角較大，此時(shí)σ1對層理的壓應(yīng)力效果達(dá)到最大，τmax對層理基本沒有影響，層理的滑移破壞受到完全抑制，試樣直接在σ1作用下發(fā)生基巖內(nèi)破壞。

當(dāng)層理傾角β=30°～45°時(shí)，試樣為基巖破壞與層理破壞的混合破壞模式。此時(shí)，τmax與層理的夾角逐漸減小，τmax對層理的作用開始顯現(xiàn)，試樣開始出現(xiàn)沿層理破壞。β=30°時(shí)試樣在左右兩側(cè)形成兩個(gè)大角度的剪切破裂面，貫穿多個(gè)層理向中部擴(kuò)展，兩個(gè)剪切破裂面在中部與層理交匯并沿著層理方向擴(kuò)展。當(dāng)β=45°時(shí)，試樣開始形成明顯的沿層理的破裂面。

當(dāng)層理傾角β=60°～75°時(shí)，試樣內(nèi)只包含沿層理的破壞面。此時(shí)τmax對層理的作用達(dá)到最大，同時(shí)σ1對層理的法向壓縮作用越來越小，已經(jīng)不能起到抑制層理發(fā)生滑移的作用，試樣在發(fā)生基巖內(nèi)的劈裂破壞前就已發(fā)生了沿層理的滑移破壞。此時(shí)試樣以層理處的破壞為主，其單軸壓縮峰值強(qiáng)度則主要由層理控制。

當(dāng)層理傾角β=90°時(shí)，試樣的破裂主要為沿著層理方向的破壞，平行于加載方向，且貫通整個(gè)試樣。此時(shí)τmax與層理法向的夾角又達(dá)到最大，τmax失去對層理的影響作用，σ1與層理處于平行狀態(tài)，σ1的作用使得試樣側(cè)向變形過大而導(dǎo)致層理發(fā)生拉伸破壞，多個(gè)貫通的縱向破裂面將試樣分成多個(gè)薄板狀巖體，作用在層狀類巖體試樣上的作用力相當(dāng)于作用在多個(gè)豎向組合柱上，此時(shí)試樣仍能繼續(xù)承載，類似于結(jié)構(gòu)中的“壓桿效應(yīng)”。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合現(xiàn)有的兩種模擬層狀巖體試樣制樣方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種層狀類巖體人工制樣方法。

(1) 以32.5號(hào)普通水泥作為膠結(jié)材料，黃砂為骨料材料可以很好的模擬出巖石的力學(xué)特性。同時(shí)，通過不斷調(diào)試，試驗(yàn)配置了以環(huán)氧樹脂為主要膠凝材料、摻加相應(yīng)比例的建筑膩?zhàn)臃酆蜔o水乙醇以獲取層間粘結(jié)劑，通過層間剪切試驗(yàn)可以證明所獲取的層間粘結(jié)劑能很好的模擬出層理的力學(xué)特性。

(2) 制作并加工了以人工粘結(jié)劑為層間粘結(jié)材料、層間厚度為10 mm的層狀類巖體單軸壓縮試樣，巖層傾角依次為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的彈性模量和峰值強(qiáng)度都隨著層理傾角的增大呈現(xiàn)先降低后增大的變化趨勢。其彈性模量各向異性度Emax/Emin=3.405，峰值強(qiáng)度各向異性度UCSmax/UCSmin=2.73，與已有的天然層狀巖體室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律相符。證明本文的人工制樣試樣具備層狀巖體的變形及強(qiáng)度特性。

(3) 層狀巖體單軸壓縮的破壞模式主要可以分為以下幾類：①β=0°～15°時(shí)，試樣形成貫穿整個(gè)試樣的破裂面，破裂面直接貫穿層理；②β=30°～45°時(shí)，試樣為基巖破壞與層理破壞的混合破壞模式；③β=45°～75°時(shí)，試樣在層理處發(fā)生滑移破壞；④β=90°時(shí)，試樣主要發(fā)生沿層理方向的張拉劈裂破壞。