黃　春，左雙英，王　嵩，曲傳奇，趙亦婷

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng)　550025)

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層狀各向異性巖體的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)分析

黃春，左雙英，王嵩，曲傳奇，趙亦婷

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng)550025)

摘要：為研究層狀巖體變形及強(qiáng)度的各向異性特征，將不同傾角的層狀巖體制成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到巖石試件彈性模量、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，以及它們隨層面傾角β的變化規(guī)律；并對(duì)試件峰值破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，最后通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的正確性。研究結(jié)果表明：隨著層面傾角β的增大，層狀巖體的彈性模量、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。β為90°時(shí)，其模量和強(qiáng)度最大，β為45°～60°時(shí)較小，且β為90°時(shí)對(duì)應(yīng)的模量和強(qiáng)度比β為0°時(shí)要大，表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。當(dāng)β為0°～15°時(shí)，巖石產(chǎn)生沿軸向應(yīng)力方向的劈裂破壞；β>30°以后，巖石開(kāi)始產(chǎn)生沿層理結(jié)構(gòu)面的滑移破壞；β為90°時(shí)產(chǎn)生沿層理結(jié)構(gòu)面的劈裂破壞。

關(guān)鍵詞：層狀巖體；各向異性；單軸壓縮試驗(yàn)；彈性模量；峰值強(qiáng)度

1研究背景

地球表層的大多巖體，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史條件下，巖體中會(huì)形成各種原生或次生的結(jié)構(gòu)面，如層理、節(jié)理、片理、褶皺、弱面等，這些發(fā)育有呈定向規(guī)律分布的優(yōu)勢(shì)層面的巖體可視為廣義的層狀巖體。受層面傾角影響，層狀巖體的變形和強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，給實(shí)際工程設(shè)計(jì)和層狀巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)帶來(lái)巨大困難。

為研究其各向異性特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了大量研究。如席道瑛等[1]采用靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)研究了砂巖變形參數(shù)的變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算值與各向異性理論擬合結(jié)果相吻合，遵循近似橢圓規(guī)律變化；Tien等[2]采用2種不同的材料人工預(yù)制了3組不同傾角的層狀巖石，研究了各向異性體傾角對(duì)巖石整體強(qiáng)度和彈性模量的影響，并針對(duì)各向異性巖石破壞的2種不同模式提出了相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則；曾紀(jì)全等[3]對(duì)泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和石膏模型試件力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面傾角效應(yīng)進(jìn)行了研究，分析了結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)層狀、似層狀巖體變形和強(qiáng)度參數(shù)的影響；何沛田等[4]從巖石在單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的性態(tài)和巖石工程問(wèn)題的應(yīng)用出發(fā)，論述了黑灰色鈣質(zhì)頁(yè)巖巖塊層理結(jié)構(gòu)面夾角θ對(duì)其破壞特征、強(qiáng)度和變形的影響。

縱觀現(xiàn)有研究成果，多數(shù)是采用相似材料類比層狀巖體。本次試驗(yàn)直接將層狀巖體制成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到層狀巖體的彈性模量、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等參數(shù)值，并分析它們隨層面傾角變化的分布規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算，研究層面傾角對(duì)層狀巖體變形及強(qiáng)度的影響。

2試驗(yàn)條件和方法

本次試驗(yàn)采用的巖石地層為三疊系下統(tǒng)安順組三段地層，巖性為中風(fēng)化薄層—中厚層狀灰?guī)r。試件采用圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，其直徑為50 mm，高度為100 mm。試驗(yàn)采用人工制樣的方法，首先將野外采集的巖塊按不同方位進(jìn)行切割，形成不同層面傾角的小巖塊，然后鉆芯取樣，最后切割、磨平，得到最終巖石試件。試驗(yàn)將層面傾角β定義為層理面與水平面的夾角，分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°，共7組，每組制備試件數(shù)為6個(gè)，且6個(gè)試件取自同一巖塊，以保證同一傾角的試件具有相同的層理結(jié)構(gòu)[5]。各傾角試件如圖1。

圖1　不同層面傾角β的巖石試件Fig.1　Rock specimens with different inclination angle β

圖2　試件尺寸及加載方式Fig.2 Schematic diagramof specimen sizeand loading mode

單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備采用WAW-1000kN型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)前，在試件表面設(shè)置橫向和軸向的電阻應(yīng)變片，用電阻應(yīng)變儀來(lái)測(cè)定試件受力后橫向和軸向的應(yīng)變值。試件加載采用位移控制，加載速率為0.2 mm/min。加載方式如圖2所示。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變?nèi)€

對(duì)每組試件進(jìn)行完全相同試驗(yàn)條件的重復(fù)試驗(yàn)，巖石壓力機(jī)通過(guò)電腦連接，可以直接輸出試件整個(gè)破壞過(guò)程中荷載和位移的關(guān)系曲線，通過(guò)轉(zhuǎn)換，得到每組試件的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變?nèi)€，如圖3所示。

圖3　各層面傾角試件的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變?nèi)€Fig.3　Complete axial stress-axial strain curves of rockspecimens with different inclination angles

由圖3可見(jiàn)，試件曲線形態(tài)大致為上凹形曲線。其變形特征與一般巖石的特征相同，整個(gè)壓縮過(guò)程大致可以分為壓密階段、彈性階段和破壞階段[6]。在加載初期，曲線上升較緩，即應(yīng)變隨應(yīng)力的增加其增量減小，主要原因?yàn)椋寒?dāng)應(yīng)力很小時(shí)，層理結(jié)構(gòu)面被壓縮或存在于巖石內(nèi)的微裂隙在應(yīng)力作用下發(fā)生閉合，巖石試件出現(xiàn)了很長(zhǎng)一段明顯的壓縮變形，該階段為壓密階段。

隨著應(yīng)力的不斷增加，層理面和巖石內(nèi)的微裂隙進(jìn)一步受到壓縮而逐漸處于閉合狀態(tài)，則巖石進(jìn)入彈性階段，該階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變陡，此后變成近似于直線的變化。由圖3還可以看出，一些曲線會(huì)出現(xiàn)下降后又上升的起伏波動(dòng)，且各傾角曲線彈性階段的直線段長(zhǎng)度也不盡相同。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：首先，巖石是一個(gè)帶有缺陷的介質(zhì)，巖石中裂隙、層理面等的寬度和膠結(jié)程度不一樣，則閉合程度也不同。試件受荷后，層理面和巖石內(nèi)的裂隙受到壓縮，巖石內(nèi)新的裂縫不斷出現(xiàn)，原有的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，使得巖石產(chǎn)生一些不可逆的變形，局部受到破壞，則曲線會(huì)出現(xiàn)突然下降的現(xiàn)象；當(dāng)荷載繼續(xù)增加，新的裂隙又被充填、壓縮，曲線則會(huì)繼續(xù)上升，直至達(dá)到試件的最大承載力，進(jìn)入破壞階段；其次，受層面傾角的影響，巖石試件的變形和破壞模式也不盡相同，其剛度也會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)荷載繼續(xù)增加，巖石中的應(yīng)力超過(guò)其最大承載力，試件開(kāi)始破裂，即進(jìn)入破壞階段。在過(guò)了彈性變形階段以后，其應(yīng)力不表現(xiàn)出明顯的塑性變形特性，而是很快就發(fā)生了宏觀破壞，這種破壞也稱為脆性破壞。大多試件在破壞初期仍保持一定的強(qiáng)度，過(guò)了峰值以后，其應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象，直至最后破壞。

3.2彈性模量變化規(guī)律

通過(guò)試驗(yàn)，得到不同層面傾角巖石試件的彈性模量值E，如表1所示。

表1　不同層面傾角巖石試件的彈性模量值E

為了研究層狀巖體的變形各向異性特征，將各個(gè)傾角的6個(gè)試件所得到的E值進(jìn)行整理，剔除其中相差較大的值，取剩余數(shù)值的平均值作為該傾角的最終參數(shù)值，并研究它們隨β的變化規(guī)律。所得E-β關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4　彈性模量與層面傾角的關(guān)系Fig.4　Relation betweenelastic modulus andinclination angle of plane

由表1和圖4可以看出，巖石試件的E值隨β的增大，總體上呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在β=90°時(shí)，為7.3 GPa；最小值出現(xiàn)在β=45°時(shí)，為1.9 GPa；且β為0°和90°時(shí)，其對(duì)應(yīng)的彈性模量值并不相同，β為0°時(shí)的彈性模量為5.9 GPa，要小于β為90°時(shí)對(duì)應(yīng)的彈性模量。

由圖4可以看出，巖石試件的E-β關(guān)系曲線大致呈“U”形。當(dāng)β為0°～30°時(shí)，E值下降較緩；當(dāng)β為30°～45°時(shí)，E值下降較快；當(dāng)β>45°以后，E值開(kāi)始增大，45°～60°時(shí)增大較緩，60°～75°時(shí)急劇上升，75°～90°時(shí)上升速度又變緩。

3.3峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度變化規(guī)律

通過(guò)試驗(yàn)得到巖石試件的峰值強(qiáng)度值σp和殘余強(qiáng)度值σr，如表2所示；巖石試件峰值強(qiáng)度σp和殘余強(qiáng)度σr隨層面傾角變化的關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，巖石試件的σp-β關(guān)系曲線近似呈“U”形，其變化規(guī)律與E-β曲線變化規(guī)律大致相同；而σr-β關(guān)系曲線近似呈“V”形，當(dāng)β為0°～15°時(shí)，σr值下降較緩，當(dāng)β為15°～45°時(shí)，σr值則急劇下降，當(dāng)β>45°以后，σr值急劇上升，直至75°以后逐漸變緩。

表2　不同層面傾角巖石試件的峰值強(qiáng)度值σp、

圖5　峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與層面傾角的關(guān)系Fig.5　Variations of peak strength and residual strengthwith inclination angle

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)層面傾角為45°～60°時(shí)，層狀巖體的E值、σp值和σr值均較低，工程中此類巖體較危險(xiǎn)；當(dāng)層面傾角為75°～90°時(shí)較為安全，0°～15°時(shí)其次。

3.4峰值破壞形態(tài)分析

層狀巖體的變形和破壞是由巖體本身和層理面強(qiáng)度共同決定的，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，受層面傾角的影響，大致可分為圖6所示的破壞形態(tài)。

圖6　不同層面傾角巖石試件的破壞形態(tài)Fig.6　Fracture morphology of rock specimens withdifferent inclination angles

由圖6可知：

(1) 沿軸向應(yīng)力方向的劈裂破壞，當(dāng)β為0°～15°時(shí)，層面傾角較緩，荷載主要垂直作用于巖石的層理結(jié)構(gòu)面。由于層理結(jié)構(gòu)面受到壓縮，巖石的變形主要以層理間的法向變形為主，隨著荷載增大，巖石中裂紋由試件兩端向著巖塊中部傳遞，直至最后貫通，發(fā)生壓碎性的劈裂破壞。如圖6(a)、圖6(b)所示。

(2) 沿軸向應(yīng)力方向的劈裂破壞和沿層理結(jié)構(gòu)面的滑移破壞，隨著β的增大，荷載有一部分作用于層理面切向方向，巖石的變形由層理間的法向變形向?qū)永黹g的切向變形轉(zhuǎn)化，此時(shí)，層理面抗剪強(qiáng)度開(kāi)始對(duì)巖石的變形起控制作用。當(dāng)層理間的剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖石試件會(huì)沿層理面錯(cuò)動(dòng)，發(fā)生剪切性滑移破壞，同時(shí)伴隨有沿軸向應(yīng)力方向的劈裂破壞。如圖6(c)、圖6(d)所示。

(3) 沿層理結(jié)構(gòu)面的滑移破壞，當(dāng)β進(jìn)一步增大，荷載開(kāi)始主要作用于層理面切向方向，此時(shí)巖石的變形完全受層理結(jié)構(gòu)面控制，當(dāng)層理間的剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，試件發(fā)生剪切性滑移破壞。如圖6(e)、圖6(f)所示。

(4) 沿層理結(jié)構(gòu)面的劈裂破壞，當(dāng)β=90°時(shí)，荷載直接作用于層理結(jié)構(gòu)面方向，巖石的變形主要受層理間的剪應(yīng)變控制，此時(shí)荷載通過(guò)層理間的剪應(yīng)力向著兩側(cè)傳遞，隨著荷載的增大，試件的層理結(jié)構(gòu)面間發(fā)生剪切變形，當(dāng)層理面抗剪強(qiáng)度不足以抵抗荷載產(chǎn)生的剪切變形時(shí)，巖石試件就會(huì)發(fā)生沿層理結(jié)構(gòu)面間的剪切劈裂破壞。如圖6(g)所示。

4與理論計(jì)算比較

由巖石試件的彈性模量、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨層面傾角的變化規(guī)律可以看出，層狀巖體的變形和強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，這主要是因?yàn)閷用鎯A角的不同，層狀巖體的變形和破壞方式也不盡相同[7]；通過(guò)各傾角巖石試件的峰值破壞形態(tài)可以看出，當(dāng)β為0°～15°時(shí)，試件受力后產(chǎn)生完整巖石的破壞，當(dāng)β>30°以后，試件產(chǎn)生沿層理結(jié)構(gòu)面的破壞。

假定完整巖石和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特性都滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，可以得到用σ1，σ3表示層理結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度公式，即

(1)

式中：σ1為最大主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力，取σ3=0；cj和φj分別為層理結(jié)構(gòu)面的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

極限應(yīng)力圓與結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度線的幾何關(guān)系如圖7所示。

圖7　Mohr-Coulomb應(yīng)力圓Fig.7　Mohr-Coulomb stress circle

圖7中，R，Q兩點(diǎn)的物理意義表示巖石試件既沿層理結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞又發(fā)生完整巖石的破壞，根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，可求得R，Q兩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的層面傾角β1，β2，即：

(2)

(3)

其中：

(4)

根據(jù)β1和β2的物理意義，當(dāng)層面傾角β處在β1和β2之間，可斷定巖石試件沿層理結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖體直剪試驗(yàn)，得到天然狀態(tài)下巖體層理結(jié)構(gòu)面的cj=142.0 kPa，φj=24.8°。取σ1=σp，代入式(2)和式(3)，所得結(jié)果如表3所示。

表3　β1，β2計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表3的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)24.8°<β<90°時(shí)，巖石試件將產(chǎn)生沿層理結(jié)構(gòu)面的破壞，且在此范圍內(nèi)，極限最大主應(yīng)力將隨β值的變化而變化，表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度各向異性特征。此外，由圖7可以看出，當(dāng)β為45°+φj/2，即β=57.4°時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到最低值。由巖石試件峰值破壞形態(tài)可知，當(dāng)β>30°時(shí)，巖石試件開(kāi)始出現(xiàn)沿層理結(jié)構(gòu)面的破壞，與理論計(jì)算結(jié)果吻合；由試驗(yàn)結(jié)果可知，巖石試件E值、σp值和σr值達(dá)到最低值時(shí)，層面傾角β為45°，但由E,σp和σr分別與β的關(guān)系曲線可以看出，最低值必然會(huì)落在β=45°～60°范圍內(nèi)，與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

5結(jié)論

為了研究層狀巖體的各向異性特征，本文通過(guò)不同傾角層狀巖體的單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)巖石試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行了分析；并研究了巖石試件彈性模量、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨層面傾角的變化規(guī)律；對(duì)試件的峰值破壞形態(tài)進(jìn)行了分析；最后通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行了比較。所得結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)巖石試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以得到，整個(gè)壓縮過(guò)程可以分為壓密階段、彈性階段和破壞階段。

(2) 通過(guò)試驗(yàn)，得到E，σp和σr與β的關(guān)系曲線都呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，E，σp曲線形態(tài)大致為“U”形，σr為“V”形。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)層面傾角為45°～60°時(shí)，層狀巖體的參數(shù)值較低，工程中此類巖體較危險(xiǎn)；當(dāng)層面傾角為75°～90°時(shí)巖體較為安全，0°～15°時(shí)次之。

(3) 由試件峰值破壞形態(tài)可知，巖石會(huì)產(chǎn)生沿軸向應(yīng)力方向的劈裂破壞和沿層理結(jié)構(gòu)面的滑移破壞，或2種破壞共同產(chǎn)生，或沿層理結(jié)構(gòu)面發(fā)生劈裂破壞。

(4) 通過(guò)理論計(jì)算可知，當(dāng)φj<β<90°時(shí)，巖石將產(chǎn)生沿層理結(jié)構(gòu)面的破壞；當(dāng)β為45°+φj/2時(shí)，巖石的E值、σp值和σr值將達(dá)到最低值，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

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(編輯：黃玲)

Analysis of Indoor Uniaxial Compression Test onLayered Anisotropic Rock Masses

HUANG Chun, ZUO Shuang-ying, WANG Song, QU Chuan-qi, ZHAO Yi-ting

(College of Resource and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang550025, China)

Abstract:To study the anisotropic characteristics of deformation and strength of layered rock masses, we produced a number of layered rock masses with different inclination angles into standard specimens for uniaxial compression laboratory tests. Through the tests we obtained the elastic modulus, peak strength and residual strength of the specimens, as well as their variation regularities with inclination angle β. We also analyzed the fracture morphology of the specimens at peak values, and finally verified the validity of the test results by theoretical calculation. The results showed that: with the increase of inclination angle β, the elastic modulus, peak strengths and residual strength of the specimens showed a tendency of increase after decrease. When β equaled to 90 °, the modulus and strengths reached the maximum values. When β ranged from 45 ° to 60 °, the modulus and strengths were relatively small. Moreover, when β equaled to 90 °, the corresponding modulus and strengths were larger than those when β equaled to 0 °, displaying significant anisotropic characteristics; when β ranged from 0 ° to 15 °, splitting failure occurred along the axial stress direction; if β was greater than 30 °, sliding failure took place along the structural surface; when β equaled to 90 °, splitting failure happened along the structural surface.

Key words:layered rock masses; anisotropic; uniaxial compression test; elastic modulus; peak strength

中圖分類號(hào)：TU458.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)05-0058-05

doi:10.11988/ckyyb.201508202016,33(05):58-62

作者簡(jiǎn)介：黃春(1990-)，男，貴州沿河人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程方面的研究工作，(電話)0851-83627126(電子信箱)706504309@qq.com。通訊作者：左雙英(1977-)，女，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事地下工程方面的教學(xué)和研究工作，(電話)15286041205(電子信箱)shyzuo@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51469007)；貴州省地質(zhì)工程研究生教育創(chuàng)新實(shí)踐基地創(chuàng)新基金項(xiàng)目(DZ2014004)

收稿日期：2015-09-28；修回日期：2015-10-21