基于單軸壓縮試驗的綠泥石片巖各向異性

陳 懿，周亞軍，李志剛

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，揚州 225127；2.揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚州 225127)

武當(dāng)山群片巖是一類質(zhì)軟易風(fēng)化的區(qū)域變質(zhì)巖，在中國鄂西北地區(qū)廣泛分布。此類巖石內(nèi)部均發(fā)育有密集分布且大致平行的軟弱片理面，使其物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征。這一特殊性巖石會給該地區(qū)工程建設(shè)帶來很多工程地質(zhì)問題，甚至造成工程失穩(wěn)破壞[1-2]。因此，在片巖區(qū)進(jìn)行工程設(shè)計、開挖、建設(shè)、評估以及不穩(wěn)定邊坡防治等工作，必須考慮片巖的各向異性特征。

目前，針對各向異性巖體已有較多的研究成果。Ramamurthy等[3]和Nasseri等[4]對層狀巖體力學(xué)參數(shù)的各向異性進(jìn)行了試驗和理論研究，并建立了橫觀各向同性巖體的破壞準(zhǔn)則。Cho等[5]通過單軸壓縮和巴西劈裂試驗研究了片麻巖、頁巖和片巖這3種巖石強(qiáng)度及彈性參數(shù)的各向異性特征。席道瑛等[6]從廣義虎克定律出發(fā)，研究了砂巖變形性質(zhì)的各向異性。陳天宇等[7]開展了不同圍壓、不同層理角度黑色頁巖的力學(xué)試驗研究，揭示了黑色頁巖的力學(xué)行為和各向異性特性。前人研究主要集中在沉積巖中各項異性巖體方面，成果較多也較成熟。然而，對于變質(zhì)巖類中的片巖，由于片理面軟弱易開裂，制樣十分困難，因此這類巖石的各向異性研究還相對較少，但也取得了一定成果。尹曉萌等[8-9]、劉杰等[10]采用單軸壓縮、三軸壓縮試驗進(jìn)行研究；張春生等[11]通過數(shù)值模擬分別研究了石英云母片巖物理力學(xué)性質(zhì)的各向異性特征；劉勝利等[12]通過單軸壓縮和巴西劈裂試驗研究了綠泥石片巖力學(xué)性質(zhì)的各向異性。前人對片巖類巖石各向異性研究多是從試驗數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬的角度分析其宏觀破壞模式及力學(xué)性質(zhì)各向異性的規(guī)律及機(jī)制，但是對其微觀破壞模式的各向異性及從微觀角度分析其宏觀力學(xué)性質(zhì)各向異性的機(jī)制研究較少。

基于此，選取鄂西北武當(dāng)山群的綠泥石片巖作為研究對象，通過室內(nèi)一系列物理力學(xué)試驗，研究其物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)，片理面影響下的微觀、宏觀破壞模式以及其物理力學(xué)性質(zhì)的各向異性，并對其物理力學(xué)性質(zhì)的各向異性及產(chǎn)生機(jī)制從微觀和宏觀角度進(jìn)行了深入的分析和研究，為該類片巖區(qū)巖石工程設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。

1 研究對象

以綠泥石片巖為研究對象進(jìn)行室內(nèi)試驗，試驗巖樣取自鄂西北某綠泥石片巖邊坡，所取巖樣為弱風(fēng)化，呈綠色的完整塊體。

圖1 綠泥石片巖顯微鏡下圖像Fig.1 Microscopic image of chlorite schist

通過對巖樣進(jìn)行薄片鑒定，可知該綠泥石片巖為粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造；主要礦物成分為綠泥石和石英，分別約占50%、30%，還有少量的綠簾石和方解石等。根據(jù)巖石中綠泥石、綠簾石、透閃石都互相接觸，判定其屬于同一個礦物共生組合，變質(zhì)程度為低級區(qū)域變質(zhì)相，低溫的變質(zhì)條件，少量方解石雜亂分布于巖石粒間，屬于晚期充填的產(chǎn)物。據(jù)上述礦物成分的特征，該綠泥石片巖石屬于基性變質(zhì)巖。該綠泥石片巖中的主要礦物綠泥石和石英連續(xù)定向排列，形成密集且大致平行分布的片理面。顯微鏡下綠泥石片巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物分布如圖1所示。

2 試驗方法

2.1 試件制備

為研究綠泥石片巖的各向異性，將綠泥石片巖分別加工片理面水平和片理面垂直的φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，即試件片理面傾角θ分別為0°和90°。將加工好的試件按傾角θ分為0°和90°兩組進(jìn)行波速測試，獲得片理面對波速的影響特征。加工好的綠泥石片巖試件如圖2所示。

圖2 不同片理面傾角的綠泥石片巖試件Fig.2 Specimens of chlorite schist with different angles of foliation

2.2 試驗方法

依據(jù)波速測試結(jié)果，挑選加工好的試件(編號P-1～P-6)分為兩組，每組3塊，每組試件的波速相同或相近。單軸壓縮試驗采用MTS-815型巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)(圖3)，試驗加載速率為1×10-3mm/s，全程采集試件在加載過程中的應(yīng)力、軸向和環(huán)向的應(yīng)變。

圖3 MTS-815型巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)Fig.3 MTS-815 experiment system

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

圖4 綠泥石片巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of chlorite schist

根據(jù)綠泥石片巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖4)可知：片理面傾角相同時，其變形破壞規(guī)律基本相同，片理面傾角不同則差異較大。不同片理面傾角試件的變形破壞規(guī)律之間的差異主要體現(xiàn)在：當(dāng)片理面傾角θ為 0°時，隨著應(yīng)力的增加，試件應(yīng)變變化遠(yuǎn)小于片理面傾角θ為90°時，說明綠泥石片巖在垂直片理面方向的彈性模量較小，片理面易被壓縮閉合，使其在垂直片理面方向更容易產(chǎn)生壓縮變形；片理面傾角θ為0°的試件的峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)低于θ為90°的試件，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值以后，片理面傾角θ為0°的試件迅速破壞，表現(xiàn)出脆性破壞特征，而θ為90°的試件則存在一定程度的不穩(wěn)定破裂過程。

圖5 θ=0°時綠泥石片巖試件破壞模式Fig.5 Failure modes of chlorite schist specimens when θ=0°

圖6 θ=90°時綠泥石片巖試件破壞模式Fig.6 Failure modes of chlorite schist specimens when θ=90°

3.2 破壞模式及力學(xué)機(jī)制

巖石受外力作用破壞后的模式通常就可以反映出其破壞的力學(xué)機(jī)制。圖5、圖6為試驗破壞后的綠泥石片巖試件，可以看出片理面傾角對試件的破壞模式影響較大。當(dāng)傾角θ為0°時，試件呈穿切片理面的劈裂-剪切破壞，如圖5所示；當(dāng)傾角θ為90°時，試件呈平行片理面的豎向劈裂-彎曲破壞，如圖6所示。

由圖5可知，當(dāng)θ為0°時，片理面水平，在荷載作用下片理面首先壓緊閉合，隨著荷載增加，片理面之間的片狀塊體則開始出現(xiàn)豎向或斜向的劈裂及剪切破壞。由于試驗過程中荷載的方向并不能與片理面一直保持絕對的垂直，那么在施加荷載后會產(chǎn)生一定的拉剪應(yīng)力，使得試件的微裂紋先沿著軟弱的片理面萌生、擴(kuò)展，試件則被分成多個層狀塊體。而水平方向的拉應(yīng)力較小，不足以使各個層狀塊體沿片理面發(fā)生滑移。但隨著應(yīng)力的增加，以上各層塊體的劈裂、剪切裂紋逐漸擴(kuò)展連接形成貫通的破壞面，該試件沿該破壞面發(fā)生剪切滑移破壞。

由圖6可知，當(dāng)θ為90°時，片理面直立，荷載方向與片理面方向平行。試件在荷載作用下會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，使得張拉微裂紋在片理面上擴(kuò)展、延伸，則試件沿多條片理面劈裂，形成多個獨立且與片理面近似平行的薄層狀壓桿。片理面的抗拉強(qiáng)度和最大壓桿強(qiáng)度共同決定了該試件的峰值強(qiáng)度，而其他壓桿強(qiáng)度則決定了試件的殘余強(qiáng)度。由于各獨立壓桿并不是同時發(fā)生失穩(wěn)破壞，故在試件強(qiáng)度達(dá)到峰值前后發(fā)生了一段不穩(wěn)定破裂過程，應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值附近出現(xiàn)了一系列波動。

3.3 試件斷口微觀形貌特征及破裂機(jī)制

巖石的微觀破裂特征往往決定其宏觀破壞模式，為研究綠泥石片巖兩種不同破壞模式的微觀機(jī)制，采用掃描電鏡(SEM)測試其斷口微觀形貌特征，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 綠泥石片巖斷口SEM圖像Fig.7 The SEM image of the chlorite schist fracture

當(dāng)θ為0°時，發(fā)生穿切片理面的劈裂-剪切破壞，試件宏觀斷面起伏粗糙，并有較多碾碎的巖石碎屑。從試件斷取樣測其微觀破壞特征[圖7(a)]可知，斷口破裂表面凹凸不平，片狀的綠泥石呈劈裂破壞，破裂的綠泥石碎片較多；由于主要礦物成分綠泥石彼此鑲嵌膠結(jié)，荷載產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力，使斷裂面從綠泥石晶界面和晶間面的最小強(qiáng)度處裂開，當(dāng)斷面發(fā)生剪切滑移后，較多綠泥石碎屑便散落于斷面處。

當(dāng)θ為90°時，發(fā)生平行片理面的劈裂-張拉破壞，試件沿著片理面產(chǎn)生多個宏觀斷面，每個宏觀斷面整體為一平面，稍顯凹凸不平。從主斷面上取一試樣測其微觀破壞形貌，如圖7(b)所示。由圖7(b)所知，斷面整體表現(xiàn)為沿綠泥石晶面斷裂，呈臺階狀，階面整體較平坦，有少量由于拉張作用脫離巖石而散落的綠泥石殘片。由此可知，荷載方向平行于片理面時，試件主要是順著膠結(jié)強(qiáng)度較低的片理面張開，從而使得試件被分成多個獨立壓桿。

3.4 綠泥石片巖物理力學(xué)參數(shù)各向異性分析

通過對不同片理面傾角的綠泥石片巖試件開展一系列物理力學(xué)試驗，所獲得的參數(shù)如表1所示。

表1 綠泥石片巖室內(nèi)試驗結(jié)果Table 1 Results of laboratory test for chlorite schist

3.4.1 波速特征分析

從表1可知，θ為0°的試件的波速為478～843 m/s，平均為634 m/s；θ為90°的試件的波速為5 000～5 263 m/s，平均為5 121 m/s，兩組試件波速相差近8倍。造成波速產(chǎn)生以上較大差異的原因為：當(dāng)θ為0°時，縱波垂直穿過綠泥石片巖基質(zhì)及片理面，而片理面是一種低速介質(zhì)，使得波的反射增強(qiáng)、能量衰減，進(jìn)而波速降低；當(dāng)θ為90°時，此時縱波沿著綠泥石片巖基質(zhì)傳播，不受片理面影響，故波速較大；此外，若片理面膠結(jié)程度越差、分布越密集，則波速越低[13]。

3.4.2 單軸抗壓強(qiáng)度分析

由表1可知，θ為0°試件的單軸抗壓強(qiáng)度為13.07～16.09 MPa，均值為14.62 MPa；θ為90°試件的單軸抗壓強(qiáng)度為25.35～29.60 MPa，均值為27.41 MPa。兩組試件單軸抗壓強(qiáng)度比值為1.9，相差較大，分析其原因為：當(dāng)θ為0°時，試件沿片狀礦物薄弱部位發(fā)生拉剪破壞，受片理面影響較大均發(fā)生局部破壞而失去整體強(qiáng)度，所以強(qiáng)度較低；當(dāng)θ為 90°時，試件為壓桿失穩(wěn)破壞，強(qiáng)度為被片理面分割開來的各壓桿整體抗彎曲能力的綜合，故強(qiáng)度相較于θ為0°時較高。

3.4.3 彈性模量與泊松比分析

彈性模量和泊松比可表征巖石的變形能力。由表1可知，θ為0°的試件的彈性模量為1.71～2.70 GPa，平均為2.24 GPa，泊松比為0.023～0.038，平均為0.03；θ為90°的試件的彈性模量為5.33～9.16 GPa，平均為7.80 GPa，泊松比為0.140～0.162，平均為0.15。兩組試件的彈性模量和泊松比分別相差3.5倍、5倍，相差也較大。產(chǎn)生以上差別的原因為：當(dāng)θ為0°時，荷載方向垂直于片理面，試件受壓時片理面率先被壓密，施加較小的荷載就可產(chǎn)生較大的軸向變形，而側(cè)向變形相對較小，故彈性模量和泊松比均較?。划?dāng)θ為0°時，綠泥石片巖基質(zhì)承擔(dān)豎向荷載，此時片理面不會被壓密，而是擴(kuò)容、向兩側(cè)劈裂，因此側(cè)向變形較大而軸向變形較小，故彈性模量和泊松比均較大。

4 結(jié)論

綠泥石片巖由于片理面的發(fā)育，使其物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出各向異性特征。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)不同片理面傾角的綠泥石片巖受到外荷載作用時變形破壞規(guī)律差異較大。在垂直片理面方向上較平行片理面方向上更易變形，變形量更大，且表現(xiàn)為一定的脆性破壞特征，而平行片理面方向表現(xiàn)出一定的延性破壞特征。

(2)片理面傾角對巖石的宏觀破壞模式和微觀破壞形貌有顯著的影響。片理面水平時，宏觀破壞模式為穿切片理面的劈裂-剪切破壞，斷面微觀形貌多表現(xiàn)為穿晶斷裂和沿晶斷裂組合特征；片理面直立時，宏觀破壞模式為豎向劈裂-張拉破壞，斷面的微觀形貌以沿晶斷裂為主。

(3)不同片理面傾角的綠泥石片巖的物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異。波速在平行片理面方向傳播速度為垂直方向8倍，片理面直立時的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比分別約為水平時的1.9、3.5和5倍，表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。

另外，由于制樣的困難，文中僅進(jìn)行了片理面水平和直立時綠泥石片巖的物理力學(xué)性質(zhì)研究。要進(jìn)一步研究綠泥石片巖的各向異性，須先提高制作易裂巖石試驗試件的水平，然后再開展其他片理面傾角情況下綠泥石片巖的物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的研究。