南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組力學與變形特性試驗研究

張 洪，李 毅，陳映江

南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組力學與變形特性試驗研究

張 洪，李 毅，陳映江

（四川省核工業(yè)地質局二八三大隊，四川 達州 635000）

采用力學試驗方法，對貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組力學與變形特性進行了研究。試驗表明：含水狀態(tài)：遇水后迅速崩解破壞，強度急劇降低；干燥狀態(tài)下：①剪切變形破壞含四個階段：壓密變形階段、彈性變形階段、塑性變形階段、峰值后變形階段；②單軸壓縮變形破壞含三個階段：彈性變形階段、抗變形能力提升階段、峰值后變形階段；③蠕變破壞含四個階段：瞬時變形階段、減速蠕變或衰減蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段。

冰磧礫巖；力學試驗；力學特性；變形特性

貴州省南華系主要出露于東部地區(qū)，其屬于華南地層大區(qū)；可劃分為江南地層分區(qū)與揚子地層分區(qū)。揚子地層分區(qū)包含貴陽-遵義小區(qū)，甕福磷礦英坪礦區(qū)內的南華系就屬貴陽-遵義小區(qū)（林樹基等，2018；）馬義波等，2015；劉軍等，2019）。

冰磧礫巖作為南華系上統(tǒng)南沱組中最典型的一種巖石，世界上比較稀少。前人對南沱組冰磧礫巖研究主要集中于沉積相、沉積環(huán)境及巖石組分等方面；針對其力學性質研究鮮有報道。研究南沱組冰磧礫巖的力學性質具有重要意義，為冰磧礫巖積累力學參數(shù)與變形特性；可為針對南沱組冰磧礫巖試驗研究提供基礎性成果。本文對貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)南沱組冰磧礫巖開展力學試驗基礎上，對英坪礦區(qū)南沱組冰磧礫巖的變形特性進行分析、研究及初步總結。

圖1 室內巖石力學試驗試件

1 英坪礦區(qū)概況

貴州甕福磷礦分為白巖礦區(qū)與高坪礦區(qū)。英坪礦區(qū)位于高坪礦區(qū)最南端，此次試驗巖樣為現(xiàn)場取自英坪礦區(qū)小壩礦段小壩滑坡區(qū)，礦區(qū)內自下而上出露地層為青白口系清水江組、南華系上統(tǒng)南沱組、震旦系下統(tǒng)陡山沱組及上統(tǒng)燈影組、寒武系牛蹄塘組、明心寺組與金頂山組，第四系不整合覆于各時代地層之上。

礦區(qū)南沱組以紫紅、灰紫、灰綠、灰紫紅色冰磧礫巖為主；上部礫石減少，略顯層理，為冰湖相沉積；厚度0～9.4m，一般厚9.0m。

2 試驗概況

2.1 試件及試驗設備

試驗采用貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)小壩礦段小壩滑坡冰磧礫巖，為降低因巖石試件個體差異所造成試驗結果的離散性及提高試驗結果準確性，用于制備試件巖塊取自巖層相同部位的大塊完整巖體上。

針對南沱組冰磧礫巖開展抗剪強度試驗、單軸壓縮強度和變形試驗、單軸壓縮蠕變試驗?？辜魪姸仍囼灢捎昧⒎襟w試件，試件邊長50mm。單軸壓縮強度和變形試驗、單軸壓縮蠕變試驗均采用圓柱體標準試件，試件直徑50mm，高度100m。制備好的試件如圖1所示。

抗剪強度試驗采用攜帶式巖石力學多功能試驗儀，單軸壓縮強度和變形試驗采用MTS815型伺服控制剛性試驗機，單軸壓縮蠕變試驗采用YSR-05巖石三軸蠕變試驗系統(tǒng)。

2.2 試驗方案

南沱組冰磧礫巖力學性質受含水狀態(tài)影響較大，遇水后極易崩解破壞，為保證試驗成功與結果準確性，三類試驗試件在干燥狀態(tài)下進行。

抗剪強度試驗采用1組試件，試件個數(shù)為6個，施加正應力按照等差級數(shù)、級差為2.5MPa分為6級，依次為5.0MPa、7.5MPa、10.0MPa、12.5MPa、15MPa、17.5MPa。每級正應力作用下，施加剪切應力直至試件破壞，最大剪切應力即為該級正應力作用下的峰值抗剪強度。

單軸壓縮強度和變形試驗采用1組試件，試件個數(shù)為2個，采用位移傳感器法進行試驗。通過試驗獲得巖石單軸壓縮應力-應變全過程曲線，求取相關力學參數(shù)。

單軸壓縮蠕變試驗采用1組試件，試件個數(shù)為1個，采用陳氏加載法，利用包爾茲曼疊加原理獲得巖石蠕變曲線；分析巖石蠕變特性、求取巖石的極限強度和粘滯系數(shù)。

圖2 剪應力-剪位移關系曲線

3 試驗結果分析

3.1 抗剪強度試驗

巖石抗剪強度一般可采用庫倫公式：

式中：c和φ為巖石試件的內聚力和內摩擦角。

根據(jù)試驗所記錄的各個試件剪切應力與相應剪切位移，得到剪切應力-剪切位移關系曲線，如圖2所示，通過該曲線分析巖石的剪切變形特性、求取相關力學參數(shù)。

根據(jù)剪應力-剪位移關系曲線，抗剪強度試驗中6個試件對應的曲線變形規(guī)律基本相似，其變形破壞過程可劃分為4個階段（周罕等，2014；張桂民等，2012）。第一階段為壓密變形階段，曲線微呈上凹形；第二階段為彈性變形階段，曲線近呈直線，剪切應力與剪切位移二者近呈線性關系；第三階段為塑性變形階段，曲線由近呈直線轉換為呈下凹形曲線，且曲線由近呈直線形轉換為呈下凹形的轉換點所對應剪應力為某級正應力作用下的屈服剪應力，塑性變形階段以剪應力達到峰值剪應力、試件剪斷破壞為終點；第四階段為峰值后變形階段，試件剪斷破壞后，剪應力迅速跌落，剪切位移增大，剪應力最終基本保持為某一恒定值，該恒定值即為某級正應力作用下的殘余剪應力。

圖3 抗剪強度曲線

根據(jù)剪應力-剪位移關系曲線，獲得各個試件在不同正應力作用下的屈服剪應力、峰值剪應力及殘余剪應力。再依據(jù)試驗中作用于各個試件的正應力與屈服剪應力、峰值剪應力、殘余剪應力繪制出正應力-屈服剪應力曲線、正應力-峰值剪應力曲線、正應力-殘余剪應力曲線，得屈服抗剪前度曲線、峰值抗剪強度曲線、殘余抗剪強度曲線，如圖3所示。

根據(jù)抗剪強度曲線求解巖石抗剪強度參數(shù)c和φ的方法有點群中心法、模糊回歸法、優(yōu)定斜率法和隨機-模糊法，鑒于本組試驗的6個試件所得試驗數(shù)據(jù)離散性較小，本文采用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，通過擬合得到的直線求得南沱組冰磧礫巖峰值抗剪強度參數(shù)cc和φc、屈服抗剪強度參數(shù)cp和φp、殘余抗剪強度參數(shù)cr和φr。抗剪強度數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 峰值抗剪強度數(shù)據(jù)

表2 屈服抗剪強度數(shù)據(jù)

3.2 單軸壓縮強度和變形試驗

針對南沱組冰磧礫巖的單軸壓縮強度和變形試驗，獲得單軸壓縮條件下巖石的應力-應變過程曲線，分析單軸壓縮條件下變形特性，求取力學參數(shù)。本試驗1組2個試件：1#、2#單軸壓縮試件試驗結果繪制出應力-應變曲線，如圖4～5所示。表3 殘余抗剪強度數(shù)據(jù)

表3 殘余抗剪強度數(shù)據(jù)

根據(jù)1#、2#單軸壓縮試件應力-應變曲線，分析南沱組冰磧礫巖在單軸壓縮條件下的變形破壞過程可分為3個階段（秦廣鵬等，2011；藏德勝和李安琴，2003；楊海清和周小平，2010；劉傳孝等，2008）。第一階段為彈性變形階段，軸向應力-軸向應變曲線近呈直線，試件體積應變由增加轉化為減小，巖石試件體積由壓縮轉化為膨脹；第二階段為抗變形能力提升階段，軸向應力-軸向應變曲線近直線，曲線斜率較第一階段變陡，抗變形能力提升階段以軸向應力達到峰值強度或單軸極限抗壓強度、試件壓縮破壞為終點；第三階段為峰值后變形階段，試件壓縮破壞后，軸向應力迅速跌落基本保持為某一定值不變，軸向應變持續(xù)增大，當軸向應變增大至某一值后軸向應力又再次跌落至某一恒定值且基本保持不變，峰值后變形階段的軸向應力-軸向應變曲線呈階梯形。

根據(jù)1#與2#單軸壓縮試件的應力-應變曲線，求得南沱組冰磧包括單軸抗壓強度、彈性模量、變形模量及泊松比在內的一系列力學參數(shù)，如表4所示。

表4 單軸壓縮強度和變形試驗數(shù)據(jù)

圖4 1#單軸壓縮試件應力-應變曲線

由表4可知，干燥狀態(tài)，南沱組冰磧礫巖單軸抗壓強度均值為17.32MPa，彈性模量值為2.12GPa，泊松比均值0.23，變形模量均值為1.84。冰磧礫巖在干燥狀態(tài)下單軸抗壓強度較高，具有較好的力學性質；遇水飽和后短時間內迅速發(fā)生崩解，強度急劇降低，力學性質嚴重弱化，單軸飽和抗壓強度為5～15MPa，屬于軟巖。

圖5 2#單軸壓縮試件應力-應變曲線

3.3 單軸壓縮蠕變試驗

南沱組冰磧礫巖屬軟巖，其在礦區(qū)內下伏于震旦系陡山沱組與燈影組硬質巖組，對區(qū)內邊坡穩(wěn)定性尤其露天礦坑邊坡穩(wěn)定性具重要影響作用，因此研究其在單軸向應力作用下的力學與變形特性具有重要工程價值。

針對南沱組冰磧礫巖的單軸壓縮蠕變試驗，采用陳氏加載法，即對同一試件分級逐布加載（李化敏等，2004；劉保國和崔少東，2010；姜永東等，2005；丁秀麗等，2005）。以干燥狀態(tài)下南沱組冰磧?yōu)榛A，結合巖石極限長期強度與瞬時強度之間的關系，確定荷載級數(shù)預設為5級、級差為5KN，荷載分別為5KN、10KN、15KN、20KN、25KN，各級荷載的加載歷時均保持一致。

根據(jù)單軸壓縮蠕變試驗成果，荷載加至20KN后試件最終發(fā)生了破壞。根據(jù)各級荷載作用下，巖石試件隨時間變化的軸向位移值，運用包爾滋曼疊加原理，得到各級荷載作用下的軸向應變-時間關系曲線，即蠕變曲線，如圖6所示。

在荷載5KN、10KN、15KN作用下，巖石試件蠕變經(jīng)歷三個階段：①瞬時變形階段：荷載一加上后發(fā)生的變形；②減速蠕變或衰減蠕變階段：軸向應變隨時間逐漸增大，但軸向應變速率則相反，逐漸減小且接近第三階段時軸向應變近似為0；③等速蠕變階段：軸向應變隨時間近于等速增長，軸向應變速率近似為0，在恒定不變荷載作用下，軸向位移或軸向應變基本無變化，不會經(jīng)蠕變而破壞。在荷載20KN作用下，巖石試件蠕變過程經(jīng)歷了四個蠕變階段：①瞬時變形階段：荷載一加上后發(fā)生的變形；②減速蠕變或衰減蠕變階段：軸向應變隨時間逐漸增大，但軸向應變速率則逐漸減小，接近蠕變第三階段時軸向應變減小至大于0常值，其值較前三級荷載作用下的速率顯著增大；③等速蠕變階段：軸向應變逐漸增大，軸向應變速率在此階段基本無變化，保持為某一常值；④加速蠕變階段：軸向應變速率增大、變形加速，軸向應變顯著增大，試件最終經(jīng)蠕變而破壞。

圖6 蠕變曲線（橫軸：時間/s，縱軸：軸向應變）

在5KN、10KN、15KN作用下，冰磧礫巖試件發(fā)生趨穩(wěn)蠕變即穩(wěn)定型蠕變，在20KN作用下，冰磧礫巖試件發(fā)生非趨穩(wěn)蠕變即典型蠕變；在各級荷載作用下，巖石變形呈隨時間逐漸增長趨勢。存在某一長期應力臨界值，即極限長期強度，當巖石所受長期應力小于該臨界值時，其發(fā)生趨穩(wěn)蠕變，不會經(jīng)蠕變而破壞；當巖石所受長期應力大于臨界值時，其發(fā)生非趨穩(wěn)蠕變，經(jīng)蠕變而破壞（李星星等，2011；楊彩紅和李劍光，2006；李棟偉等，2011）。根據(jù)圖6，試件在20KN荷載即10.42MPa軸向應力作用下，發(fā)生蠕變破壞，分析其極限長期強度不超過10.42MPa。

根據(jù)蠕變曲線，得到不同時刻軸向應力-軸向應變速率的等時曲線，如圖7所示。等時曲線存在一明顯的拐點，拐點以下其近呈直線，拐點以上其逐漸向下彎曲；通過等時曲線簇獲得一系列拐點，其軸向應力值基本一致，由此得到一條平行于橫軸的直線；該直線與縱軸交點的軸向應力值為冰磧礫巖的極限長期強度即為8MPa，極限長期強度與瞬時強度的比值約0.5。

由圖6，荷載5KN、10KN、15KN作用下，等速蠕變階段應變速率近于0，但為大于0的極小常值；荷載20KN作用下，等速蠕變階段應變速率顯著大于前三級荷載作用，但其值仍極小。根據(jù)各級荷載作用下的等速蠕變階段的軸向應變速率和軸向應力，得軸向應力-軸向應變速率關系曲線，如圖8所示。軸向應力-軸向應變速率關系曲線的直線段斜率即為冰磧礫巖的粘滯系數(shù)，其值為8×107MPa.s，即8×1013Pa.s。

4 結論

本文以貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組為研究對象，采用力學試驗方法，對其力學與變形特性進行了相關研究，得到以下主要結論：

（1）南沱組冰磧礫巖的力學性質受含水狀態(tài)影響較大，遇水后短時間內迅速崩解破壞，強度急劇降低。

（2）干燥狀態(tài)下，南沱組冰磧礫巖的峰值抗剪強度參數(shù)cc=21.3MPa，φc=45.3°；屈服抗剪強度參數(shù)cp=17.9MPa，φp=37.3°；殘余抗剪強度參數(shù)cr=10.2MPa ，φr=31.5°。巖石的剪切變形破壞過程包含四個階段：壓密變形階段、彈性變形階段、塑性變形階段、峰值后變形階段。

（3）干燥狀態(tài)下，南沱組冰磧礫巖的單軸抗壓強度均值為17.32MPa，彈性模量均值為2.12GPa，泊松比均值為0.23，變形模量均值為1.84。巖石的單軸壓縮變形破壞過程包含三個階段：彈性變形階段、抗變形能力提升階段、峰值后變形階段。

（4）干燥狀態(tài)下，南沱組冰磧礫巖的極限長期強度為8MPa，粘滯系數(shù)為8×1013Pa.s。巖石經(jīng)蠕變而破壞過程包含四個階段：瞬時變形階段、減速蠕變或衰減蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段。

由于采樣原因，試驗參數(shù)僅代表完整南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組的力學參數(shù)；用于該冰湖相巖組分布區(qū)滑坡相關參數(shù)時，應考慮水及滑坡滑動對巖組結構破壞的不利影響。

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Experimental Study of Mechanical and Deformation Characteristics of Glacial-Lacustrine Rock Formation of the Upper Part of Moraine Conglomerate of the Nantuo Formation of the Nanhua System

ZHANG Hong LI Yi CHEN Ying-jiang

(The 283rd Geological Party, Sichuan Bureau of Uranium Geology, Dazhou, Sichuan 635000)

This study has a discussion on mechanical and deformation characteristics of moraine conglomerate of the Nantuo Formation of the Nanhuan System in the Yingping mining area of the Wengfu Phosphate Mine of Guizhou Province on the basis of mechanical test. The test results show as follows: ①mechanical characteristics of the moraine conglomerate are greatly affected by moisture condition; ②in the dry state, the shear deformation and failure process of the moraine conglomerate may be divided into such four stages as compaction deformation stage, elastic deformation stage, plastic deformation stage and post peak deformation stage; ③in the dry state, the uniaxial compression deformation and failure process of the moraine conglomerate may be divided into such three stages as elastic deformation stage, deformation resistance improvement stage and post peak deformation stage; ④in the dry state, the creep failure process of the moraine conglomerate may be divided into such four stages as instantaneous deformation stage, deceleration creep or attenuation creep stage, constant velocity creep stage and accelerated creep stage.

moraine conglomerate; mechanical test; mechanical characteristic; deformation characteristic

P642

A

1006-0995（2022）02-0335-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.030

2021-08-19

達州市科技計劃項目（19YYJC0006）

張洪（1989— ），男，四川達州人，工程師，研究方向：巖土工程及地質災害防治