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.揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225127)

武當山群片巖是一類質(zhì)軟易風化的區(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]對層狀巖體力學參數(shù)的各向異性進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試驗研究，揭示了黑色頁巖的力學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性質(zhì)各向異性的規(guī)律及機制，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性質(zhì)各向異性的機制研究較少。

基于此，選取鄂西北武當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性質(zhì)的各向異性，并對其物理力學性質(zhì)的各向異性及產(chǎn)生機制從微觀和宏觀角度進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的標準圓柱體試件，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°的試件的峰值強度遠低于θ為90°的試件，當應(yīng)力達到峰值以后，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 破壞模式及力學機制

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機制。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。片理面的抗拉強度和最大壓桿強度共同決定了該試件的峰值強度，而其他壓桿強度則決定了試件的殘余強度。由于各獨立壓桿并不是同時發(fā)生失穩(wěn)破壞，故在試件強度達到峰值前后發(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度處裂開，當斷面發(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、能量衰減，進而波速降低；當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 單軸抗壓強度分析

由表1可知，θ為0°試件的單軸抗壓強度為13.07～16.09 MPa，均值為14.62 MPa；θ為90°試件的單軸抗壓強度為25.35～29.60 MPa，均值為27.41 MPa。兩組試件單軸抗壓強度比值為1.9，相差較大，分析其原因為：當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度，所以強度較低；當θ為 90°時，試件為壓桿失穩(wěn)破壞，強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??；當θ為0°時，綠泥石片巖基質(zhì)承擔豎向荷載，此時片理面不會被壓密，而是擴容、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，文中僅進行了片理面水平和直立時綠泥石片巖的物理力學性質(zhì)研究。要進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性質(zhì)變化規(guī)律的研究。