緩傾層狀砂巖拉壓力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張鵬飛，王立川 ，李地元，陽(yáng)軍生，劉志強(qiáng)，羅平框

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222；4. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

截至2020年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.5萬(wàn)km，其中投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座，總長(zhǎng)約19 630 km，居世界第一[1]。在建和規(guī)劃中的特長(zhǎng)深埋鐵路隧道多在西部地區(qū)，我國(guó)西部地區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，水平構(gòu)造應(yīng)力值普遍偏高[2]，使鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重威脅。許多學(xué)者對(duì)鐵路隧道底部穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，普遍認(rèn)為高地應(yīng)力環(huán)境和底部巖體的力學(xué)性質(zhì)是影響隧道底部穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[3-5]。調(diào)查近年來(lái)層狀圍巖鐵路隧道底部變形致災(zāi)典型案例，發(fā)現(xiàn)病害段的巖層傾角大多處在0°～15°的緩傾斜范圍[6-7]，對(duì)緩傾層狀巖石開(kāi)展相關(guān)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，探明其變形破壞規(guī)律十分必要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在層狀巖石各向異性力學(xué)特性的研究方面做了大量的理論和試驗(yàn)研究[8-10]。SAEIDI等[11]修正了適用于層狀巖石的破壞準(zhǔn)則；WANG等[12]提出一種簡(jiǎn)化的拋物線模型，可預(yù)測(cè)不同圍壓和層理角度下的巖石強(qiáng)度；劉運(yùn)思等[13]利用單弱面理論研究了板巖抗拉強(qiáng)度的各向異性特征，并結(jié)合巴西劈裂試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；侯振坤等[14]從單軸壓縮試驗(yàn)出發(fā)，研究了龍馬溪層狀頁(yè)巖的各向異性特征，將不同層理角度的頁(yè)巖破壞類型分成了3類：0°～15°時(shí)為豎向劈裂型張拉破壞；30°～60°時(shí)沿層理面剪切滑移破壞；75°～90°時(shí)穿切層理面剪切破壞；QIU等[15-17]分析了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下層狀巖石的力學(xué)特性和破壞模式；CHO等[18]采用片麻巖、頁(yè)巖、片巖3種巖石，開(kāi)展不同層理角度下的單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所選巖石的變形和強(qiáng)度各向異性程度顯著；LI等[19]對(duì)0°和90°層理的粉質(zhì)板巖開(kāi)展的單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在這2種角度下的變形破壞過(guò)程、微觀破裂面特征及變形破壞機(jī)理表現(xiàn)出較大的差異；YIN等[20]同樣對(duì)7種不同層理角度的層狀砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，分析了砂巖在強(qiáng)度和斷裂模式方面的各向異性行為。多數(shù)學(xué)者均研究2個(gè)極限狀態(tài)之間的各向異性，即最大主應(yīng)力垂直于層理到與層理平行，鮮有聚焦緩傾層狀巖石力學(xué)特性方面的研究。本文開(kāi)展15°以內(nèi)緩傾層狀巖石的單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)，借助數(shù)字圖像技術(shù)，對(duì)緩傾層狀砂巖的破壞過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，討論緩傾條件下層狀砂巖的力學(xué)特性和破壞模式。

1 巖樣制備與測(cè)試系統(tǒng)

1.1 巖樣制備

本試驗(yàn)選用江西省九江市德安縣錫嶺采石場(chǎng)的層狀黃砂巖。該砂巖表面呈褐黃色，平均密度2 083 kg/m3。單軸壓縮試樣尺寸為φ50×100 mm，巴西劈裂試樣尺寸為φ50×25 mm，加載端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，平整度符合ISRM的規(guī)范要求。加工后的單軸壓縮和巴西劈裂試樣如圖1(a)。在巴西圓盤(pán)上選取3組清晰的層理，測(cè)得其厚度約2.8 mm，每組層理平均厚度約0.93 mm，而每組層理由0.3 mm的黑色填充層及0.63 mm的褐色基質(zhì)層組成，具互層巖體特征。單軸壓縮試驗(yàn)中，定義層理傾角α為層理面與加載方向間夾角，加載方向模擬隧道底部結(jié)構(gòu)所受的最大水平主應(yīng)力方向；巴西劈裂試驗(yàn)中，定義層理傾角β為層理面與加載方向間夾角，如圖1(b)。以5°為間隔，制備層理傾角分別為0°，5°，10°和15°的單軸壓縮和巴西劈裂試樣各3個(gè)，共計(jì)24個(gè)試樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)(INSTRON-1346，INSTRON-1342伺服液壓加載系統(tǒng))與數(shù)字圖像分析系統(tǒng)2部分組成。單軸壓縮試驗(yàn)在INSTRON-1346型電液伺服控制機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)的軸向最大載荷量程為2 000 kN，用位移控制以0.01 mm/s的恒定速率加載，直到試樣破壞失效，并用應(yīng)變片測(cè)量其泊松比；巴西劈裂試驗(yàn)在INSTRON-1342型電液伺服控制機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)的軸向最大載荷量程為250 kN，用位移控制以0.2 mm/s的恒定速率加載，保證試樣在5 min內(nèi)破壞，符合ISRM的試驗(yàn)規(guī)范要求，在觀測(cè)面背面中心處粘貼一片垂直于加載方向的應(yīng)變片以測(cè)量拉伸應(yīng)變。

數(shù)字圖像分析系統(tǒng)包括2臺(tái)CCD相機(jī)、2個(gè)LED光源和VIC-3D分析軟件。試驗(yàn)過(guò)程中將相機(jī)的圖像采集速度設(shè)置為67 ms/張(15 fps)，利用VIC-3D非接觸式全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量軟件進(jìn)行分析處理。

2 緩傾層狀砂巖力學(xué)特性分析

表1和表2分別給出了試樣的平均幾何尺寸及單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)得到的力學(xué)參數(shù)，其中試樣編號(hào)代表實(shí)驗(yàn)類型、層理面傾角及平行試樣的序號(hào)。例如：S-5-1表示層理面傾角為5°，試樣序號(hào)為1的單軸壓縮層狀砂巖；B-10-2表示層理面傾角為10°，試樣序號(hào)為2的巴西劈裂層狀砂巖。

表1 單軸壓縮試樣的平均幾何尺寸與力學(xué)參數(shù)Table 1 Average geometric size and mechanical parameters of uniaxial compression specimens

表2 巴西劈裂試樣的平均幾何尺寸與力學(xué)參數(shù)Table 2 Average geometric size and mechanical parameters of Brazilian split specimens

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2展示了4種緩傾角度層狀砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，其中軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，均經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段。在圖2中選取3個(gè)應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別為側(cè)向應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)由線性變?yōu)榉蔷€性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M[21]、體積應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的擴(kuò)容點(diǎn)P及體積增大點(diǎn)Q。從圖中可知，體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)力的增加，在σP處發(fā)生轉(zhuǎn)向，試樣的體積不再收縮減小，側(cè)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快，說(shuō)明試樣內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生軸向微裂紋；到σQ時(shí)，體積應(yīng)變由負(fù)值變?yōu)檎?，巖樣開(kāi)始超過(guò)原始體積。側(cè)向應(yīng)力-應(yīng)變曲線在σM之前近似線性增長(zhǎng)，之后逐漸偏離線性，說(shuō)明在σM時(shí)軸向裂紋開(kāi)始逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致側(cè)向應(yīng)變由線性轉(zhuǎn)變成了非線性。觀察發(fā)現(xiàn)σM與σQ的值近乎相等，很好地解釋了巖樣在Q點(diǎn)由于軸向裂紋的擴(kuò)展，體積大幅增大，并逐漸超過(guò)原始體積。而0°試樣下的σP與其他緩傾層理試樣十分接近，表明該層理試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的應(yīng)力閾值與層理角度關(guān)聯(lián)度很低，而裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力閾值受到層理角度的影響較大，緩傾層理試樣內(nèi)部更易發(fā)生裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致體積膨脹，從細(xì)觀尺度解釋了緩傾層狀圍巖隧道底部易發(fā)生底隆的原因。

2.2 強(qiáng)度變化規(guī)律

圖3和圖4分別顯示了單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)和彈性模量(E)隨層理傾角(精確測(cè)量值)的變化趨勢(shì)。由圖3和圖4可知，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨層理傾角的增大先減小后緩慢增大，呈現(xiàn)U型變化趨勢(shì)。單軸抗壓強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在層理傾角0°附近，在5°左右下降后較平緩地上升。由于層理傾角的變化較小，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的離散性偏大，但從整體上看，層理角度由0°至15°變化時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度的總體趨勢(shì)是減小的，這與大部分學(xué)者的研究結(jié)果一致。

圖5繪制了砂巖抗拉強(qiáng)度(BTS)隨層理傾角的變化趨勢(shì)。測(cè)試的BTS值隨層理的傾斜逐漸增大，最大的BTS值出現(xiàn)在15°，最小值出現(xiàn)在0°，這與CHO等[18]的試驗(yàn)結(jié)果一致。因?yàn)樵诶碚撋?，巴西圓盤(pán)主要破壞面是垂直于最大拉伸應(yīng)力方向的，當(dāng)主要破壞面為層理面時(shí)，更易發(fā)生破壞，所以，當(dāng)層理面與加載方向平行時(shí)試樣的巴西抗拉強(qiáng)度最小。

3 緩傾層狀砂巖破壞模式分析

3.1 單軸壓縮破壞模式

試驗(yàn)用層狀砂巖在單軸壓縮條件下表現(xiàn)出明顯的脆性特征，4組層理角度的試樣破壞后的典型照片如圖6，側(cè)向應(yīng)變演化云圖見(jiàn)圖7。緩傾層狀砂巖的變形特征和抗壓強(qiáng)度與其破壞模式密切相關(guān)，該緩傾層狀砂巖的破壞模式主要分以下2種類型，總結(jié)歸納見(jiàn)表3。

表3 緩傾層狀砂巖單軸壓縮破壞模式Table 3 Uniaxial compression failure mode of gently inclined layered sandstone

1)α=0°附近時(shí)，破壞模式以穿層理面的剪切破壞為主，試樣周邊產(chǎn)生順層理面的劈裂張拉裂紋。由于加載方向平行于層理面，試樣首先沿著層理面產(chǎn)生劈裂張拉裂紋，劈裂后的試樣仍能繼續(xù)承載；隨著軸向應(yīng)力達(dá)到巖樣基質(zhì)強(qiáng)度后，產(chǎn)生穿切層理面的剪切裂紋，并與相鄰的劈裂張拉裂紋相互貫通，從而導(dǎo)致試樣失去承載力，裂紋演化過(guò)程見(jiàn)圖7。試樣的主破斷角(主破壞面與水平方向之間的夾角)在75°左右，抗壓強(qiáng)度主要由基質(zhì)體的剪切強(qiáng)度控制，由Coulomb準(zhǔn)則得出巖石的內(nèi)摩擦角為60°，黏聚力為5.3 MPa。

2)α為5°至15°時(shí)，破壞模式仍以穿層理面的剪切破壞為主，同時(shí)發(fā)生沿層理面的剪切滑移。隨軸向應(yīng)力的增加，裂紋首先從試樣端部沿層理面產(chǎn)生，擴(kuò)展到一定程度后，與基質(zhì)內(nèi)的剪切裂紋貫通，最終發(fā)生穿層理面的剪切破壞。在圖7可以看到，緩傾層理巖樣均產(chǎn)生了明顯的順層剪切裂紋，特別是15°試樣在峰值應(yīng)力前出現(xiàn)了5條(1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)和5號(hào))沿層理面的拉伸應(yīng)變集中帶，且最終的2條剪切裂紋即為其中2條較大的拉伸應(yīng)變集中帶(1號(hào)和2號(hào))發(fā)展而成。由于試樣端部的摩擦效應(yīng)，多數(shù)試樣在破壞后上下端呈錐型，測(cè)量試樣的主破斷角仍在75°左右，與層理方向十分接近，說(shuō)明沿層理面的剪切裂紋易與主破斷面貫通，導(dǎo)致試樣抗壓強(qiáng)度降低。而在α=15°附近時(shí)，出現(xiàn)了個(gè)別強(qiáng)度增加的情況，經(jīng)觀察圖6(d)中S15-2與S15-3試樣的破壞模式，發(fā)現(xiàn)沿層面的剪切裂紋與穿層面的剪切裂紋形成了鋸齒狀的破裂面，導(dǎo)致試樣破壞后完整性較好，起到了提高強(qiáng)度的作用，所以在2.2節(jié)中的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)U型變化趨勢(shì)。

從破壞模式中可以得出，與0°層理試樣相比，緩傾層理試樣中產(chǎn)生的沿層理面的剪切裂紋起到了加速巖石破壞的作用。

3.2 巴西劈裂試驗(yàn)破壞模式

圖8顯示了巴西劈裂試驗(yàn)后典型緩傾層狀砂巖的破壞模式，圖中實(shí)線代表裂紋的軌跡，虛線代表試樣的層理方向。由圖8可見(jiàn)，所有試樣的斷裂模式可歸納為直線型和折線型2種。層理傾角為0°時(shí)，裂紋沿著層理面劈裂拉伸破壞，破裂面與加載方向、層理面平行，形成直線型破壞模式；當(dāng)層理傾角逐漸增大時(shí)，在圓盤(pán)中心1/3D(D為圓盤(pán)直徑)部位，裂紋沿著層理面擴(kuò)展，在靠近圓盤(pán)兩端時(shí)，裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)向，逐漸與加載方向平行，屬?gòu)埣艋旌掀茐?，破壞模式變成了三段式折線型。文獻(xiàn)[22]中0°和15°層理傾角的巴西劈裂試驗(yàn)，也得到了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖9反映了側(cè)向應(yīng)變演化過(guò)程，β=0°時(shí)，在峰值載荷前形成了一條細(xì)長(zhǎng)的沿層理面的應(yīng)變集中帶，β=5°，10°，15°時(shí)，圓盤(pán)中心的拉伸應(yīng)變?cè)茍D在峰值荷載前形成的應(yīng)變集中帶的寬度較大，且相機(jī)幀率有限，裂紋擴(kuò)展迅速，未能捕捉到沿層理面的應(yīng)變分布，但最終的破壞模式與圖8一致。

4 結(jié)論

1) 單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨層理傾角的增大先減小后緩慢增大，試樣的強(qiáng)度特征與破壞模式關(guān)系密切。巴西抗拉強(qiáng)度值隨層理的傾斜逐漸增大，最大抗拉強(qiáng)度值出現(xiàn)在15°，最小值出現(xiàn)在0°處。

2) 試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的應(yīng)力閾值與層理角度關(guān)聯(lián)度低，而裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力閾值則受到層理角度的影響較大；緩傾層理試樣內(nèi)部更易發(fā)生裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致體積膨脹，從細(xì)觀尺度解釋了緩傾層狀圍巖隧道底部易發(fā)生底隆的原因。

3) 單軸壓縮條件下，隨層理傾角從0°增至15°，破壞模式由0°時(shí)的穿層面剪切與劈裂張拉混合破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫弮A角度時(shí)的穿層面與順層面的復(fù)合剪切破壞。巴西劈裂試驗(yàn)中，隨著層理傾角的增大，試樣的斷裂模式由0°時(shí)的直線型劈裂拉伸破壞漸變?yōu)榫弮A角度下的折線型張剪混合破壞。