武当群片岩物理力学特性试验研究

邹　浩

(湖北省地质局第三地质大队，湖北 黄冈　438000)



道路工程

武当群片岩物理力学特性试验研究

邹浩

(湖北省地质局第三地质大队，湖北 黄冈438000)

摘要：通省隧道是十(堰)房(县)高速公路的控制性工程，隧道建设期间不同程度地遇到了纵向裂缝、钢拱架被剪断等变形破坏问题，这些问题的出现与该地区分布的武当群片岩具有的特殊物理力学特性密切相关。为弄清该类片岩的特性，选取通省隧道掌子面的武当群片岩，对其进行室内X衍射矿物分析、物性试验、三种片理倾角(0°、45°、90°)的力学试验。

关键词：武当群片岩；物理力学；特性破坏形态

1引言

在工程活动早期，人们把岩体看成一种材料，当作连续介质处理，把材料力学中发展起来的连续介质力学直接用来分析一切岩体力学问题。在大量的试验和实践基础上，人们逐渐认识到岩体力学性质主要受岩体结构控制，并提出了岩体结构的概念，认为岩体是由岩块和结构面组成，结构面的组合关系构成岩体结构。正是由于岩体结构的存在，使得岩体的力学性质具有显著的各向异性，也是岩体区别于岩石的最大特征。对岩体各向异性的研究实际上就是以结构面性质研究为基础，研究结构面空间展布对岩体整体力学性质的影响，即所谓的“结构面效应”。由于自然界大量存在含原生结构面的岩体，如沉积岩中层状构造的砂岩、页岩，变质岩中的片岩、千枚岩等，研究者对含原生结构面的岩体进行了大量的试验研究。

Pinto对片岩进行了室内试验和现场单轴压缩试验，结果表明片岩的弹性模量、泊松比和体积膨胀率随着最大主应力与片理的夹角变化，片岩具有明显各向异性。Amadei对砂岩进行了单轴压缩试验，并对弹性各向异性参数的室内和现场试验方法及其变化规律进行了总结。Liao对泥质板岩进行了直接拉伸试验，并计算了泥质板岩横观各向同性的5个弹性参数，并提出了利用超声波确定横观各向异性岩石动弹性参数的方法和理论，对泥质板岩进行了试验。Nasseri等对四种不同的片岩进行了单轴压缩和三轴试验，详细研究了变形参数与弱面倾角和围压的关系。Ramamurthy总结了岩石弹性变形各向异性特征的变化规律。

2试验设计

试验设计是为了达到研究目的，对试验的内容、流程以及数据资料分析的整体安排。一方面，试验的内容应该尽可能的完整，试验的数量应尽可能的丰富，以保证试验数据的完整性以及可信度；另一方面，试验不仅受到时间、精力以及试验经费的限制，而且受到现场取样条件的限制，因此，试验设计需要找到两者的平衡。针对武当群片岩的物理力学性质安排了常规物理力学试验，而对武当群片岩的各向异性则安排了不同角度的力学试验。片岩各向异性试验设计见表1。

表1　片岩各向异性试验设计

试验流程如下。

(1)取样及制样

片岩试样均取自通省隧道的掌子面，制样时按照切割方向(也是主应力的加载方向)与片理垂直、平行及45°斜交加工成三组50.00×100.00 mm的圆柱体试样。(本文采用地质定义的倾角α描述试验中片理的产状)。

(2)物理性质试验

对制取好的试样进行物性试验，采用量积法测取片岩岩块密度，采用真空抽气法测定片岩饱和吸水率，试验过程严格按照《公路工程岩石试验规程》(JTG E41-2005)进行，并取部分代表性岩样进行X衍射矿物分析。另外，对试样进行波速试验，试验过程中由试样两端的探头发射和接受纵波，根据时差计算得到纵波波速。

(3)力学试验

根据片岩物理性质试验结果，对垂直(α=0°)、斜交(α=45°)、平行(α=90°)三组片岩试样进行组间整理，将物理性质相近的试验作为一组力学试样，以此减小试验结果的差异性。对平行、斜交、垂直三组片岩进行单轴压缩试验和在5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa围压下进行三轴压缩试验。对试验结果进行整理，得到片岩力学参数及其各向异性特征。见图1。

图1　不同片理倾角的片岩试样

3试验结果分析

3.1X衍射矿物成分分析

矿物分析试验采用荷兰帕纳科公司生产的X-射线衍射仪进行矿物成分和能谱分析。TS-K9为通省隧道进口段掌子面岩块，该处片理发育，层间结合差，片理微张，层间光滑、手搓具有滑腻感；TS-Y6为通省隧道出口段掌子面岩块，该处为灰白色岩样，片理发育，但层间结合较进口段稍好，层间稍具颗粒感；TS-10M为通省隧道出口段掌子面发育的条带状软弱泥化夹层，呈土状，手能搓成粉末。三组试样的矿物成分相对含量见表2、波谱特征见图2。

图2　隧道区片岩矿物能谱图

矿物分析的结果表明：通省隧道的武当群片岩主要矿物成分为石英、长石、伊利石、绿泥石，相对含量在隧道不同区段有一定变化。进口段片岩中绿泥石含量较高，因绿泥石是层状矿物，强度不高，所以进口段的岩体质量较差；出口段片岩中石英的含量较高，因石英的强度高，所以出口段的岩体质量较好。与此同时，出口段片岩中伊利石的含量也很高，伊利石是粘土矿物，强度低、遇水软化且具有膨胀性，所以出口段的岩体遇水后岩体质量将迅速变差。

表2　隧道区片岩矿物成分及含量

3.2片岩物性试验结果分析

通过密度试验、吸水性试验，测得武当群片岩的物理水理参数见表3。

表3　武当群片岩物理水理参数

通过波速试验，得到α=0°(垂直于片理)、α=45°(斜交于片理)、α=90°(水平于片理)三组试验天然及饱和时候的波速结果，见表4。

图3为波速与片理倾角α的关系。从图中可以看出，片岩波速具有明显的各向异性，波速随着倾角的增大而减小，在α=90°时波速最大(天然状态下4 218.00 m/s、饱和状态下5 339.38 m/s)，而在α=0°时波速最小(天然状态下2 419.63 m/s、饱和状态下4 629.50 m/s)。饱和状态下波速较天然状态下有大幅增加，但饱和状态下的各向异性则有明显的下降。波速的各向异性反映的是片岩自身结构的各向异性，当α=90°时，波速仪探头发射的纵波传播方向平行于片理，传播过程中纵波受到的阻碍最小，因而波速最大；当α=0°时，纵波传播方向垂直于片理，纵波受到的阻碍最大，因而波速最小。在饱和状态下，水充填了岩石中的空隙，且纵波在水中的波速远大于空气中，因而弱化了片岩反映的各向异性。

图3　武当群片岩波速随片理倾角的变化情况

片理倾角α/°试样编号天然波速/(m/s)饱和波速(m/s)天然波速均值/(m/s)饱和波速均值/(m/s)0°ts1-11-52037.504464.002419.634629.50ts1-21-62092.004495.00ts1-11-82501.004752.00ts1-11-62538.504752.00ts1-12-72695.504587.00ts5-11-32868.004752.0045°ts5-12-82708.004346.003093.444641.75ts5-11-52776.504464.00ts2-11-73140.504919.00ts2-11-83168.004892.00ts2-22-33522.004629.00ts2-22-13642.504726.00

续表4

3.3片岩力学试验结果分析

(1)应力-应变曲线

武当群片岩的应力-应变曲线如图5所示。总体上，不同片理倾角的片岩应力-应变曲线基本上是相同的，都反映出应变软化的特性，具有岩石应力应变曲线的5个阶段：压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、应变软化阶段、摩擦阶段。压密阶段，曲线呈上凹形，应变速率随着应力的增加而减小；弹性阶段，曲线基本呈直线形，应力与应变的比值基本呈常数；塑性阶段，曲线呈下凹形，应变速率随着应力的增加而增加，并逐渐达到峰值；应变软化阶段，应力超过峰值后，随着应变的增加，应力发生急剧的减小，发生“应力跌落”；在摩擦阶段，应力随着应变的增加逐渐稳定。随着围压的增大，片岩峰值增大，而摩擦阶段的应力增大不明显。

图4　武当群片岩应力应变曲线

注：曲线中a表示单轴压缩，b表示围压为5 MPa，c表示围压为10 MPa，d表示围压为15 MPa，e表示围压为20 MPa

(2)破坏形态

武当群片岩单轴及三轴试样破坏形态如图5～6所示，可以归纳为三种破坏形态。

①劈裂破坏

劈裂破坏主要发生在0 MPa围压下加载方向与片理方向平行(片理倾角α=90°)的情况(图5(e)～(f))，该破坏形态以纵向裂纹贯穿导致试样破坏为主要特征。通常认为，单轴压缩条件下纵向裂纹是由于试样内部平行于加载方向的微裂纹尖端拉应力过大产生的，在试验过程中，由于片理平行于加载方向，片理尖端拉应力过大产生了纵向裂纹，片岩会产生几条平行的纵向裂纹，随着加载应力增大，纵向裂纹发展并贯穿，导致试样破坏。

图5　武当群片岩单轴压缩试样破坏形态

②沿片理剪切破坏

沿片理剪切破坏主要发生在0～20 MPa围压下加载方向与片理方向斜交(片理倾角α=45°)的情况(图5(c)～(d)、图6(c)～(d))，该破坏形态以产生一条沿着片理贯穿试样的主剪切面导致试样破坏为主要特征。α=45°时，片理面的强度较小，而片理面上的剪应力τ和正应力σ组合也较为不利，因而α=45°片岩的破坏主要由片理面强度控制。另外，除了沿片理产生一条贯穿试样的主剪切面外，部分试样还产生了共轭的次剪切面，主次两条剪切面贯通(或部分贯通)，但仍以主剪切面为主要特征。

③贯穿片理剪切破坏

贯穿片理剪切破坏主要产生在5～20 MPa围压下片理倾角α=90°(图6(e)～(f))和0～20 MPa围压下片理倾角α=0°(图5(a)～(b)、图5(a)～(b))的情况，该破坏形态以产生一条贯穿片理的主剪切面导致试样破坏为主要特征。该破坏形态不同于第②种，不是由片理面强度控制，而是由试样中极薄层片岩块强度控制，破坏发生在剪应力τ和正应力σ组合最不利的位置。除了主剪切面外，部分试样还产生了共轭次剪切面，个别试样还生产了纵向裂纹，这些次剪切面和纵向裂纹与主剪切面或贯通或部分贯通，加速了试样的破坏，但仍以主剪切面为主要特征。

图6　武当群片岩三轴压缩试样破坏形态

注：从左向右围压依次为5MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa

(3)力学参数

图7、图8分别为天然状态、饱和状态下武当群片岩弹性模量与片理倾角的关系。从图中可以看出：无论是天然还是饱和状态，武当群片岩的弹性模量都在α=45°时最小，而在α=90°时最大，在α=0°时弹性模量处于中间值。由此可知：武当群片岩的各向异性十分显著。除天然状态围压0 MPa弹性模量偏大、饱和状态围压5 MPa弹性模量偏小外，武当群片岩的弹性模量基本呈现随围压增大而增大的趋势，但是增大的幅度有限。另外，从图中还可以看出，饱和状态下弹性模量较天然状态小，减小的幅度分别为：α=0°为36%，α=45°为61%，α=90°为24%。

图7　天然状态下武当群片岩弹性模量与片理倾角关系

图8　饱和状态下武当群片岩弹性模量与片理倾角关系

图9为武当群片岩泊松比与片理倾角的关系。由图9可知：泊松比在α=45°时最大，在α=90°时最小，而在α=0°时处于中间值，也显示出武当群片岩显著的各向异性。另外，图中也显示出，饱和状态下泊松比较天然状态下大，幅度分别为：α=0°为1%，α=45°为5%，α=90°为24%。

图9　武当群片岩泊松比与片理倾角关系

图10、图11为天然状态、饱和状态下武当群片岩的抗压强度与片理倾角的关系。从图中也可以看出，武当群片岩的的抗压强度随着片理倾角变化呈现先减小后增大的趋势，在α=90°时取得最大值，在α=45°时取得最小值，在α=0°取得中间值，显示出片岩明显的各向异性。图中显示，片岩抗压强度随着围压的增加而明显增加。

图10　天然状态下武当群片岩抗压强度与片理倾角关系

综上所述，武当群片岩的力学性能可归纳为三个特点：①各向异性明显：随着片理倾角α的变化，片岩力学性能也会变化，在α=90°时力学性能最好，在α=45°时力学性能最差，而在α=0°时力学性质中等；②围压效应：随着围压的增大，弹性模量、抗压强度都会增大，片岩力学性能得到提升；③软化效应：饱和状态下片岩力学性能要差于天然状态。

图11　饱和状态下武当群片岩抗压强度与片理倾角关系

4结论

通过对武当群片岩进行室内X衍射矿物分析、物性试验、三种片理倾角(0°、45°、90°)的力学试验，得到结论如下。

(1)通省隧道区的武当群片岩主要矿物成分为石英、长石、伊利石、绿泥石，相对含量在隧道不同区段有一定变化。进口段片岩中绿泥石的含量较高，岩体质量偏差；出口段片岩由于石英的含量偏高，岩体质量较好。与此同时，出口段片岩中伊利石的含量较高，遇水后岩体质量容易变差。

(2)武当群片岩的主要物理性质指标为：天然密度2.690 g/cm3，饱和密度2.695 g/cm3，饱和吸水率1.002%。纵波波速试验结果表明：在片理倾角为90°(波速方向与片理方向平行)时，波速最大，而在片理倾角为0°(波速方向与片理方向垂直)时，波速最小，武当群片岩具有显著的各向异性。

(3)武当群片岩应力应变曲线具有5个阶段，其中应变软化阶段具有应力跌落的现象，表明武当群片岩是应变软化材料。片岩试样的破坏形态主要有劈裂破坏、沿片理面剪切破坏以及贯穿片理面破坏三种类型。片岩的力学性能具有各向异性明显、围压效应、饱和效应三种效应。

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收稿日期：2016-02-08

作者简介：邹浩(1983-)，男，湖北公安人，研究方向：岩土体稳定性评价与防治。

基金项目：变质岩区深埋长大隧道支护效果与关键技术研究，项目编号：2010-353-342-260。

中图分类号：U416.1

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)06-0001-05

A experimental study on physical and mechanical characteristics of the wudang group schists

ZOU Hao

(Third Geological Team of Hubei Geological Bureau, Huanggang, Hubei 438000，China)

Abstract:Tong province tunnel controls the project progress of ShiFangEressway. During the construction of the tunnel, it met different degrees of deformation failure problems such as longitudinal cracks and steel arch ribs be cut, the emergence of these problems are closely related with the special physical and mechanical characteristics of the Wudang group schists which distributed in the region. To clarify the characteristics of this kind of schist, this paper selects the Wudang Group Schists at tunnel face of Tong province tunnel, carries on the analysis of indoor X diffraction mineral, physical property test and mechanical test of three kinds of schistosity angle which are 0°、45°and 90°.

Keywords:wudang group schistsphysical and mechanical characteristicsthe destruction shape