深埋隧道炭質(zhì)板巖微觀結(jié)構(gòu)及單軸壓縮試驗研究

謝云鵬，陳秋南，黃小城，2，羅 鵬,3

(1.湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2.重慶大學(xué)土木學(xué)院，重慶 400044；3.湖南尚上建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410022)

近年來隧道開挖過程中復(fù)雜地質(zhì)條件隧道圍巖穩(wěn)定性受到廣泛關(guān)注。炭質(zhì)板巖屬常見典型軟巖，其結(jié)構(gòu)呈片狀層理結(jié)構(gòu)，在高地應(yīng)力條件下，表現(xiàn)為擠壓流變破壞，使二次襯砌的長期穩(wěn)定性及耐久性不斷劣化，直接影響其服役性能。因此，研究炭質(zhì)板巖在含水率影響下微觀結(jié)構(gòu)及單軸壓縮試驗破壞特征規(guī)律，對工程設(shè)計、施工及運營維護具有重要的現(xiàn)實意義。

前人對不同巖石流變特性作出廣泛研究。李勇盛[1]對四種不同強度的深埋隧道炭質(zhì)板巖巖樣做單軸壓縮試驗，得到其軸向變形和側(cè)向變形，隨加載應(yīng)力的增大而逐步出現(xiàn)衰減、穩(wěn)定和加速形變過程。王更峰[2]通過炭質(zhì)板巖蠕變試驗，隨加載應(yīng)力水平提高，側(cè)向與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系由近似線性增加趨于破壞應(yīng)力水平時的非線性增加。王宇[3]研究軟巖及流變力學(xué)特性試驗，軟巖破壞方式無明顯脆延轉(zhuǎn)化點，其峰值強度、屈服強度及殘余強度均隨圍壓的升高呈線性增大。唐皓[4]在大理石力學(xué)特性研究中，得出應(yīng)力加載速率，對大理巖力學(xué)特性及其主要變形發(fā)展方式的影響。

由于炭質(zhì)板巖地層中隧道工程增多，深埋高地應(yīng)力條件下對炭質(zhì)板巖的侵蝕作用使形變特性顯著，然而目前對深埋隧道炭質(zhì)板巖單軸壓縮試驗研究還未有報道。本文從深埋炭質(zhì)板巖微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)和宏觀破碎形態(tài)兩個角度，對高地應(yīng)力炭質(zhì)板巖的單軸力學(xué)特性進行分析研究。

1 炭質(zhì)板巖微觀結(jié)構(gòu)分析

本實驗巖樣選自云南麗香鐵路圓寶山隧道長約10.6 km，最大埋深687 m，屬深埋隧道，隧道區(qū)屬剝蝕構(gòu)造高中山深切河谷地貌，相對高差過千米，巖體卸荷強烈[6-7]。巖體為黑灰色且有顯著水平層理面，結(jié)構(gòu)較致密。采集炭質(zhì)板巖巖樣近于長方體，長30～35 cm，寬20～25 cm，高12～16 cm，且均不存在宏觀可見裂隙(圖1)。

圖1 采集巖樣Fig.1 Collection of the rock samples

采用D8 Advance型X-粉末衍射儀與SM-6380LV型掃描電子顯微鏡對炭質(zhì)板巖進行礦物組成分析[8-11]。制取粉末狀巖樣和巖石薄片兩種樣品，巖石薄片沿巖石層理面選取。背散射譜圖選取點及能量譜圖見圖2。

圖2 背散射譜圖選取點，能譜圖和X衍射圖譜Fig.2 Selection points of the backscatter spectrum, backscattering spectrogram and the atlas of XRD

掃描電鏡背散射發(fā)現(xiàn)，巖樣表面由Si、O、C、Na、Al、K等元素組成，含少量Fe與Zr。經(jīng)X衍射分析，巖樣中主要有石英，石墨，白云母及鈉長石。得到各礦物的含量見表1。

表1 礦物成分含量及性狀

巖樣主要由石英、白云母、鈉長石及少量石墨組成。石英、白云母都具親水性，鈉長石具水溶性，石墨具較好潤滑性，故巖樣親水受含水量影響明顯。進而探究巖性及微觀結(jié)構(gòu)，用掃面電子顯微鏡進行微觀觀察(圖3)。

圖3 掃面電顯下的白云母(垂直視圖)和巖石微裂隙(巖石薄片側(cè)視)Fig.3 Mica under scanning electron microscope (observation direction) and microfractures of rock (Observation from the side of a thin piece of rock)

巖石薄片側(cè)面有肉眼不可見較長微裂隙，由白云母極完全解理，推斷該裂隙為白云母集合體在外力作用下沿結(jié)晶方向(水平方向)解理所成。

炭質(zhì)板巖在風(fēng)化、沉積及富水等變質(zhì)作用下，白云母具有沿層理面平行分布的典型特征。白云母單晶體間有沉積物風(fēng)化作用收縮形成的微孔隙，且在外力作用下，白云母集合體極完全解理而易形成貫穿裂隙。

2 單軸力學(xué)特性試驗

為避免試驗結(jié)果離散性過大，所取試樣均來自同一巖體。采用水鉆法嚴格按照《工程巖體試驗方法標準》制成直徑50 mm，高度100 mm的圓柱體試件(圖4)。

圖4 加工后試件Fig.4 Post processing rock samples

巖樣制備后，將其置于無水常態(tài)、浸水10 d、20 d及30 d處理并分別標號為DZ-1、DZ-2、DZ-3及DZ-4。

巖石單軸力學(xué)特性試驗通過不同浸水時長下炭質(zhì)板巖的全應(yīng)力應(yīng)變曲線揭示其強度和變形破壞特征[12-15]。試樣分別進行單軸壓縮力學(xué)特性試驗，開展試驗均在RYL-600型微機伺服三軸巖石流變試驗機上完成(圖5)。

圖5 RYL-600巖石三軸流變試驗儀Fig.5 RYL-600 triaxial rheological test instrument

本次試驗采用的RLY-600型微機伺服三軸巖石流變試驗機主要技術(shù)參數(shù)為：最大法向(垂直)試驗力600 kN，試驗力測量誤差≤1%。巖樣尺寸?50 mm×100 mm，軸向變形測量范圍0～5 mm，徑向變形測量范圍0～3 mm。當荷載、軸向變形、徑向變形等參數(shù)達到極限值或預(yù)設(shè)值、試樣斷裂時均可自動保護。

單軸壓縮力學(xué)特性試驗步驟如下：

(1)裝樣：用熱縮套管將試件與試件兩端墊塊套緊，熱縮套管經(jīng)電吹風(fēng)熱烘數(shù)分鐘后能產(chǎn)生收縮并與試件和墊塊貼緊，然后安裝軸向和環(huán)向引伸計，并通過插銷安裝其他底部和頂部過渡裝置，最后將裝好的件放入流變儀的臺座上，將引伸計與臺座上的接口連接好，并通過插銷使整個裝置與臺座固定，使巖樣軸線與加載中心重合，避免產(chǎn)生偏心受壓(圖6)。

圖6 安裝引伸計后的試件Fig.6 Samples after installation of the extensomete

(2)應(yīng)變調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)引伸計上的螺母，觀測軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變是否靈敏正常，若應(yīng)變無變化，則需要重新裝樣，或重啟試驗機。

(3)預(yù)壓：通過荷載控制方式以10 N/s加載速率對其施加1 kN左右的軸向壓力，使設(shè)備與試樣充分接觸。

(4)加載：根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》的加載方式，通過荷載控制方式以100 N/s加載速率施加軸向壓力直到試樣破壞。

(5)記錄：記錄試驗中應(yīng)力應(yīng)變變化情況。

(6)整理：力學(xué)試驗結(jié)束后卸載，取出試件，保存數(shù)據(jù)，整理儀器。

4種狀態(tài)下巖石單軸壓縮力學(xué)特性試驗所得巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖7。

圖7 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Stressstrain curve

為清晰地描述巖石變形破壞全過程，對試件DZ-4應(yīng)力應(yīng)變曲線分段處理見圖7(d)，將其分為4階段：微空隙與裂隙壓密階段(OA段)，彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段(AB段)，非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段(BC段)與峰值后階段(CD段)。

(1)微空隙與裂隙壓密階段：原有微孔隙與裂隙逐漸閉合，形成早期非線性變形段，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凹型。

(2)彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段：微孔隙與裂隙在前期加載中基本閉合，巖石發(fā)生彈性變形，巖石微破裂開始發(fā)生與發(fā)展，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似于直線。

(3)非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段：巖石進入塑性變形階段，B點應(yīng)力為屈服應(yīng)力，微破裂發(fā)生質(zhì)變，破裂不斷發(fā)展，試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴容，D點對應(yīng)的應(yīng)力為峰值強度(單軸抗壓強度)。

(4)峰值后階段：試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，裂隙快速發(fā)展，形成宏觀破裂面，試件沿宏觀破裂面開始滑移，承載力迅速降低，但仍具一定承載力。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：

(1)試件DZ-1應(yīng)力應(yīng)變曲線4階段不明顯，峰值強度前近于彈性變形，隨浸水時間增長，試件應(yīng)力應(yīng)變曲線4階段逐漸明顯。

(2)隨浸水時間增長，峰值點越“平滑”，峰值后應(yīng)力跌落越慢，脆性越不明顯。試件DZ-1的峰值點“尖”，脆性明顯，破壞聲音很大；試件DZ-4相反。

(3)巖石彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段整體較長，隨浸水時間增長，該階段逐漸蛻化為微空隙與裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段及非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段。

對各試件曲線近似直線段擬合，選取擬合直線兩端點及中點對應(yīng)的軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變值，得3次泊松比平均值見表2。

表2 巖石變形參數(shù)

深部炭質(zhì)板巖礦物主要由石英、白云母等親水性礦物組成，長期水浸作用下：

(1)水的作用表現(xiàn)

①潤滑作用(結(jié)合水)：礦物中的鹽，例如Na[AlSi3O8]溶解，導(dǎo)致礦物顆粒間連結(jié)力減小，摩擦力減小。

②水楔作用(結(jié)合水)：礦物(石英、白云母)親水性使水分子吸附于表面，水分子由2個礦物顆粒接觸處的吸著力向顆?？p隙處擠入(圖8)。壓應(yīng)力增大情況下，水分子擠入，增大兩顆粒間距，礦物微空隙增大，巖石強度降低。

圖8 水楔作用Fig.8 Water wedge effect

③潛蝕作用(自由水)：滲透水長期在礦物微空隙中流動，將可溶物質(zhì)帶走，微空隙增大，強度降低。

(2)由炭質(zhì)板巖含較多白云母，且其具有彈性，主要以巖石層理面方向排列。因此，各試件在峰值前彈性變形階段最顯著。

(3)由水的潤滑作用、水楔作用及潛蝕作用，白云母等礦物極完全解理，使巖石微觀上微空隙增大。宏觀巖石強度減低，隨浸水時間增長，巖石破壞由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。

3 破裂形態(tài)宏觀分析

4種不同飽水量的炭質(zhì)板巖試樣在單軸壓縮力學(xué)試驗破壞形態(tài)見圖9。

圖9 炭質(zhì)板巖單軸壓縮破裂形式Fig.9 Uniaxial compression fracture form of the carbonaceous slate

從炭質(zhì)板巖單軸壓縮力學(xué)試驗破裂形式可見[16-17]，水的損傷劣化作用使礦物結(jié)構(gòu)遭到破壞，巖石變“軟”。試件宏觀破壞形態(tài)為脆性斷裂破壞，隨浸水時間增長，破裂面貫穿試件上下端部，試件破裂程度更明顯。由此可得，含水量對炭質(zhì)板巖破壞形態(tài)影響顯著，巖體強度隨含水率和浸水時長增長而減小。進而對富水炭質(zhì)板巖實驗破壞形態(tài)進行研究分析。

從宏觀角度看，炭質(zhì)板巖試樣破壞面由DZ1到DZ4逐漸變緩，用繪圖工具將破壞面描出，見圖10。該試樣沿軸向壓縮至破碎，破壞面法線和軸線的角度，隨飽水度增大而逐漸減小。

基于材料力學(xué)理想化模型分析，假定材料內(nèi)部各向同性，不發(fā)生相對摩擦?xí)r，將在45°破壞斜面有最大剪應(yīng)力產(chǎn)生。但考慮富水炭質(zhì)板巖試樣在壓縮至臨近破壞時，其破裂面間產(chǎn)生相對滑動趨勢，相對內(nèi)摩擦力阻礙上下部分的相對運動[18-19]。在DZ1-DZ4中，水分子改變相對摩擦系數(shù)，且相對摩擦系數(shù)隨浸水時間增長逐漸減小，宏觀表現(xiàn)為破壞面法線和軸線夾角逐漸減小，即裂隙變緩，見表3。

圖10 炭質(zhì)板巖單軸壓縮破裂角度分析Fig.10 Angle analysis of the uniaxial compression fracture of the carbonaceous slate

表3 破壞面法線-軸線夾角與浸水關(guān)系

4 結(jié)論

(1)炭質(zhì)板巖中主要有石英、白云母及鈉長石。炭質(zhì)板巖在風(fēng)化、沉積及高地應(yīng)力等變質(zhì)作用下，白云母具有沿層理面平行分布的典型特征。白云母單晶體間有沉積物風(fēng)化作用收縮而成的微孔隙，外力作用下白云母集合體極完全解理易形成貫穿裂隙。

(2)炭質(zhì)板巖在達到最大峰值強度前近于彈性變形，隨浸水時間的增長，炭質(zhì)板巖應(yīng)力應(yīng)變曲線四階段逐漸明顯，且峰值后應(yīng)力跌落減緩。

(3)由石英、白云母具親水性，隨浸水時間增長，水的潤滑作用，水楔作用及潛蝕作用，礦物間結(jié)構(gòu)遭到破壞，微空隙增大。力學(xué)特性表現(xiàn)為，巖石彈性模量、單軸抗壓強度顯著降低，泊松比、峰值應(yīng)變略有增大。

(4)炭質(zhì)板巖宏觀破裂形態(tài)方面，四種不同浸水時長的巖樣，水分子改變了巖樣中的相對摩擦系數(shù)，且相對摩擦系數(shù)隨浸水時間增長逐漸減小，宏觀表現(xiàn)為破壞面法線和軸線夾角逐漸減小，即裂隙角度變緩。