曾　鵬，紀(jì)洪廣，趙　奎，李成江

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

礦業(yè)縱橫

絹云母化千枚巖各向異性特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度試驗(yàn)研究

曾鵬1，紀(jì)洪廣1，趙奎2，李成江3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

摘要：對(duì)于承受高水平荷載、工作年限長(zhǎng)的巖石邊坡工程，獲取巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，具有十分重要的意義。通過(guò)對(duì)巖質(zhì)邊坡中絹云母化千枚巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和分級(jí)加載單軸蠕變?cè)囼?yàn)，在常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了絹云母化千枚巖強(qiáng)度的各向異性特征和長(zhǎng)期強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：①相同加載條件下，隨著層理面與軸向力加載方向夾角的增大，強(qiáng)度值是一個(gè)先減小后增大的過(guò)程，當(dāng)夾角等于30°左右時(shí)，強(qiáng)度最低；②絹云母化千枚巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度大約為其單軸抗壓強(qiáng)度的60.40%～82.71%。該結(jié)果為巖質(zhì)邊坡工程的安全和設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)期強(qiáng)度；絹云母化千枚巖；單軸壓縮；分級(jí)加載；蠕變

巖石具有明顯的蠕變特性是巖石力學(xué)區(qū)別于其他很多材料的基本特征之一，其強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而減少[1]，巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度是巖石蠕變理論的一個(gè)重要參數(shù)，定義為巖石在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)受外荷載作用下而不發(fā)生破壞所能承受的最大可能作用力，巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的準(zhǔn)確確定，對(duì)地下工程、邊坡工程的安全評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

目前，在推算巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的方法主要有兩類[2-3]。一類稱為直接法，獲取各巖石試件一次性加載蠕變破壞試驗(yàn)的時(shí)間，從而建立應(yīng)力與時(shí)間之間的擬合函數(shù)關(guān)系來(lái)推算長(zhǎng)期強(qiáng)度。該方法需要大量的巖石試件，并耗費(fèi)大量的時(shí)間，實(shí)際工程中較少被采用。另一種方法為間接法，采用分級(jí)加載蠕變破壞試驗(yàn)[4]結(jié)果，來(lái)推算巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。這類方法無(wú)疑是確定長(zhǎng)期強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)單快捷的方法。

巖石力學(xué)試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石蠕變特性和長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的研究成果，如SZCZEPANIKZ等[4]通過(guò)對(duì)花崗巖試件的流變?cè)囼?yàn)研究，得到花崗巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度為單軸壓縮試驗(yàn)峰值強(qiáng)度的70%～80%。崔希海和付志亮[5]在基于紅砂巖的蠕變?cè)囼?yàn)，得出軸向和橫向都存在一個(gè)蠕變應(yīng)力閾值，其中軸向蠕變應(yīng)力閾值為單軸抗壓強(qiáng)度的45%～55%，而根據(jù)橫向穩(wěn)定蠕變的應(yīng)力閾值來(lái)確定長(zhǎng)期強(qiáng)度是前者所確定的巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度值的65%～81%。李連崇等[6]基于長(zhǎng)期強(qiáng)度特征，研究了巖質(zhì)邊坡的時(shí)效變形與破壞特征的研究。李良權(quán)等[7]對(duì)砂巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮流變?cè)囼?yàn)，并通過(guò)應(yīng)變等時(shí)曲線簇、穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平的關(guān)系、裂紋損傷應(yīng)力、流變荷載與破壞時(shí)間關(guān)系來(lái)確定其長(zhǎng)期強(qiáng)度。沈明榮和諶洪菊[8]利用過(guò)渡蠕變法、等時(shí)曲線法探討了這些方法確定紅砂巖長(zhǎng)期強(qiáng)度在理論上的正確性和試驗(yàn)方法可操作性，同時(shí)，將蠕變曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)合，提出確定巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的新方法。文獻(xiàn)[9]對(duì)軟弱復(fù)雜礦巖蠕變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了巖石蠕變特性的Burgers模型。文獻(xiàn)[10]還利用聲發(fā)射手段，對(duì)紅砂巖不同蠕變階段進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)中，主要圍繞花崗巖、大理巖、砂巖等一系列均質(zhì)性好的巖石為試驗(yàn)研究對(duì)象，吳創(chuàng)周等[11-14]在考慮了巖石各向異性特征，對(duì)一些各向異性特征明顯的巖石的蠕變特性或長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并取得了一些豐富的研究成果。

本文以絹云母化千枚巖為研究對(duì)象，先通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同應(yīng)力水平的分級(jí)加載單軸蠕變?cè)囼?yàn)，并通過(guò)過(guò)渡蠕變法，確定巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。

2試件特征及制備

2.1巖性特征

本次試驗(yàn)對(duì)象絹云母化千枚巖取自江西某露天礦區(qū)巖質(zhì)邊坡一個(gè)鉆孔(圖1(a))，巖性一致、位置接近。絹云母化千枚巖的主要成分由絹云母、綠泥石、石英等定向構(gòu)造，含較多褐黑色雜質(zhì)，顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)。巖石中片狀礦物形成細(xì)而薄的連續(xù)片理，沿片理面呈定向排列致使其具有明顯的千枚狀構(gòu)造。

圖1　巖芯及試件照片

2.2試件制備

按國(guó)際巖石力學(xué)會(huì)(ISRM)試驗(yàn)規(guī)程，采用DQ-4A型巖石切割機(jī)切割巖芯，然后采用M-200型雙端面磨石機(jī)打磨端面，最終加工成直徑為Φ50mm，高徑比為2∶1的圓柱體試件。加工試件端面平整，上下端面不平行度小于0.05mm，并使端面與軸向垂直最大偏差不超過(guò)0.25°。巖石的縱波波速等參數(shù)與巖石內(nèi)部的損傷狀態(tài)及單軸抗壓強(qiáng)度均有密切的關(guān)聯(lián)性，因此采用RSM-SY5聲波儀對(duì)試件再進(jìn)行聲波測(cè)試，篩選出波速相近的試件，見(jiàn)圖2。

3單軸壓縮試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)儀器及方案

在進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)前，對(duì)絹云母化千枚巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，本次單軸壓縮試驗(yàn)中巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)采用RMT-150C電液伺服試驗(yàn)機(jī)，其垂直最大加載力為1000kN，機(jī)架剛度5×106N/mm，具有操作方便、控制性能好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程均采用行程控制方式，加載速率為0.0005mm/s。

由于千枚巖構(gòu)造發(fā)育，考慮到片理面對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，對(duì)試件的片理面方向與軸向力加載方向的夾角(β，見(jiàn)圖3)進(jìn)行了測(cè)量。

圖2　RSM-SY5(N)聲波儀篩選試樣

圖3　加載方向與片里面夾角示意圖

3.2常規(guī)力學(xué)特性

單軸壓縮試驗(yàn)中共10塊試件，各試件的單軸抗壓強(qiáng)度值與β值具體見(jiàn)表1。

為了更加直觀的觀察不同層理角度的絹云母化千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度的各向異性，因此將表1中數(shù)據(jù)繪制于圖4中，并對(duì)所得強(qiáng)度值進(jìn)行擬合。試驗(yàn)結(jié)果表明，絹云母化千枚巖存在明顯的各向異性，表現(xiàn)為不同的層理角度，其單軸抗壓強(qiáng)度值明顯不同。但其整體規(guī)律是，隨著β值從0°開始增加，單軸抗壓強(qiáng)度值逐漸減小，在β=30°左右時(shí)，其強(qiáng)度值最小，而當(dāng)β再逐漸增大至90°的過(guò)程中，單軸抗壓強(qiáng)度值將增大。比較β=0°與β=90°的單軸抗壓強(qiáng)度值可以看出，當(dāng)β=0°時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度值要略高于β=90°時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度值。

表1　絹云母化千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度值

圖4　不同層理角度絹云母化千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度各向異性

4分級(jí)加載單軸蠕變?cè)囼?yàn)

4.1蠕變?cè)囼?yàn)方案

研究表明[4]，一般巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度為單軸抗壓強(qiáng)度值的50%～80%不等。因此，在結(jié)合絹云母化千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度值的基礎(chǔ)上，制定了分級(jí)單軸加載蠕變?cè)囼?yàn)方案。本文的分級(jí)單軸加載蠕變?cè)囼?yàn)在MTS858疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，共設(shè)計(jì)四級(jí)不同應(yīng)力水平加載，分別為15kN、17.5kN、20kN和25kN。蠕變?cè)囼?yàn)研究的載荷控制是一個(gè)反復(fù)的循環(huán)加卸載及穩(wěn)壓過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程中的加載及變形、載荷測(cè)量均由MTS858疲勞試驗(yàn)機(jī)提供，加載全過(guò)程均采用載荷控制速率為0.05kN/s，并保證每級(jí)載荷下持續(xù)穩(wěn)壓10h。分級(jí)加載單軸蠕變?cè)囼?yàn)中共9塊試件，具體見(jiàn)表2。

4.2蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果及分析

巖石蠕變?cè)囼?yàn)中當(dāng)穩(wěn)態(tài)蠕變速度為零時(shí)的最大荷載可作為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度[1-2]。由于巖石破壞過(guò)程中有擴(kuò)容效應(yīng)，而擴(kuò)容與巖石內(nèi)部裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展是聯(lián)系相關(guān)，其內(nèi)部裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展存在一個(gè)應(yīng)力閥值。過(guò)渡蠕變法在基于低應(yīng)力、低溫度水平下巖石裂紋分析，當(dāng)施加的外力低于該應(yīng)力閥值，巖石不會(huì)破壞，高于該值則巖石內(nèi)部裂紋出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)展直至巖石破壞，過(guò)渡蠕變法示意圖見(jiàn)圖5。通過(guò)蠕變速率的變化，得到不穩(wěn)定擴(kuò)展的應(yīng)力閥值作為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度[8]。

表2　絹云母化千枚巖蠕變?cè)囼?yàn)

圖5　過(guò)渡蠕變法示意圖[1]

巖石在低水平恒定荷載持續(xù)作用下，變形量隨著時(shí)間增長(zhǎng)而增加，蠕變速率則隨之減小，最后趨于穩(wěn)定；當(dāng)荷載較大時(shí)，蠕變不能趨于穩(wěn)定，而是無(wú)限增長(zhǎng)直到破壞。

試件J3(β=42°)在最后一級(jí)應(yīng)力12.82MPa穩(wěn)壓過(guò)程中破壞，觀察試件J3破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，絹云母化千枚巖基本上是順著其片理結(jié)構(gòu)面的形態(tài)發(fā)生破壞，說(shuō)明在軸向壓應(yīng)力的作用下，泊松效應(yīng)下產(chǎn)生了橫向拉應(yīng)力，其內(nèi)部的片理結(jié)構(gòu)形式，決定了其在蠕變過(guò)程的主要破壞形式。在邊坡工程中，這種復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)面，將主要影響邊坡工程中的穩(wěn)定與安全。因此，在邊坡工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)主要巖體結(jié)構(gòu)面的形式及走向等進(jìn)行詳細(xì)的勘探和研究，盡量避開危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)面，以防止這種因巖體結(jié)構(gòu)弱面而導(dǎo)致的破壞形式。試件破壞形態(tài)照片見(jiàn)圖6。

圖7和圖8分別為試件J3在12.82MPa下蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果曲線和各級(jí)應(yīng)力水平下的蠕變曲線，根據(jù)巖石典型的蠕變曲線經(jīng)驗(yàn)方程，圖7曲線方程形式可表達(dá)為[2]下式。

式中：ε(t)為時(shí)間的應(yīng)變；ε0為瞬時(shí)應(yīng)變；ε1(t)為初始應(yīng)變；ε2(t)為等速段應(yīng)變；ε3(t)為加速段應(yīng)變。

圖6　試件J3破壞形態(tài)

圖7　試件J3在12.82MPa荷載下蠕變曲線

試件J3對(duì)應(yīng)的四級(jí)應(yīng)力分別為8.01MPa、9.35MPa、10.68MPa、12.82MPa。事實(shí)上，這一強(qiáng)度已經(jīng)屬于常規(guī)強(qiáng)度與長(zhǎng)期強(qiáng)度的一種過(guò)渡狀態(tài)，按照前期單軸抗壓強(qiáng)度擬合值約為15.68MPa，則可以認(rèn)為當(dāng)β=42°左右時(shí)，巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度值要小于其單軸抗壓強(qiáng)度的82.71%。

同樣的，試件J7(β=15°)時(shí)，試件所對(duì)應(yīng)的各級(jí)應(yīng)力分別為8.03MPa、9.69MPa、10.71MPa和13.38MPa，其中，試件在13.38MPa穩(wěn)壓階段時(shí)，也發(fā)生了破壞，根據(jù)前期單軸抗壓強(qiáng)度擬合值約為16.90MPa，說(shuō)明當(dāng)β=15°左右時(shí)，巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度值要小于其單軸抗壓強(qiáng)度的79.17%。因此，分析試件J3和試件J7來(lái)看，巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度至少應(yīng)在其單軸抗壓強(qiáng)度值的82.71%以下。

圖9和圖10分別為試件J4(β=10°)試件J11(β=45°)在分級(jí)荷載下的蠕變曲線，其中試件J4對(duì)應(yīng)的四級(jí)應(yīng)力大小分別為7.98MPa、9.32MPa、10.65MPa、12.78MPa；試件J11所對(duì)應(yīng)的四級(jí)應(yīng)力大小分別為7.96MPa、9.61MPa、10.71MPa、12.73MPa。從圖中可以看出以下結(jié)果。①在不同級(jí)別的荷載作用下，加載瞬間，軸向都產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，其后產(chǎn)生隨時(shí)間而逐漸增長(zhǎng)的蠕變變形，試件規(guī)律較為明顯，大體一致。②當(dāng)巖石加載的應(yīng)力值小于蠕變應(yīng)力閥值時(shí)，其進(jìn)入第一蠕變階段，如圖7中AB段所示，此時(shí)蠕變衰減趨于0；而當(dāng)加載應(yīng)力大于該應(yīng)力閾值時(shí)，則進(jìn)入第二蠕變階段，如圖7中BC段所示，此時(shí)蠕變趨于穩(wěn)定。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，巖石逐漸進(jìn)入蠕變加速階段，如圖7中CD段所示。試件J4和試件J11分別在10.65MPa和10.71MPa穩(wěn)壓過(guò)程中均未出現(xiàn)明顯蠕變加速現(xiàn)象，但當(dāng)進(jìn)入下一加載階段12.78MPa和12.73MPa時(shí)，蠕變曲線的末端開始向上翹起，說(shuō)明此時(shí)巖石出現(xiàn)明顯的加速蠕變階段。

圖8　試件J3在分級(jí)荷載下蠕變曲線

圖9　試件J4在分級(jí)荷載下蠕變曲線

圖10　試件J11在分級(jí)荷載下蠕變曲線

根據(jù)利用不穩(wěn)定擴(kuò)展的應(yīng)力閾值來(lái)確定巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的方法[8]，結(jié)合不同層理角度絹云母化千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度各向異性，當(dāng)β=10°和β=45°時(shí)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度擬合值約分別為21.16MPa和17.94MPa，最終確定巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為其單軸抗壓強(qiáng)度值的60.40%和70.96%。因此，從分析試件J4和試件J11來(lái)看，可以確定巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度應(yīng)在其單軸抗壓強(qiáng)度值的60.40%～70.96%的范圍內(nèi)。

本次蠕變?cè)囼?yàn)中試件J1(β=5°)、J2(β=10°)、J5(β=70°)、J6(β=10°)、J8(β=55°)在各階段均未出現(xiàn)蠕變加速階段。說(shuō)明所提供的最高級(jí)應(yīng)力均未能達(dá)到巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，從不同層理角度巖石強(qiáng)度各向異性圖可以得出，當(dāng)β>15°和β<45°時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度值要小于β∈(15°，45°)范圍內(nèi)的強(qiáng)度，故就目前所提供的應(yīng)力水平而言，巖石不會(huì)出現(xiàn)加速蠕變現(xiàn)象。這也進(jìn)一步說(shuō)明了絹云母化千枚巖的蠕變強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度也表現(xiàn)出了與單軸抗壓強(qiáng)度規(guī)律相一致的各向異性特性。因此，上述各試件最高級(jí)蠕變應(yīng)力階段過(guò)程所對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度分別為：23.27MPa、21.16MPa、22MPa、21.16MPa和20.7MPa，所對(duì)應(yīng)的最高級(jí)蠕變應(yīng)力值分別為單軸抗壓強(qiáng)度擬合值的57.20%、63.23%、58.23%、63.14%和65.80%，由這些數(shù)據(jù)可得出，當(dāng)巖石所受應(yīng)力水平小于單軸抗壓強(qiáng)度值的65.80%時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。

本次試驗(yàn)中包含了巖石不同層理角度與軸向力加載方向夾角的試驗(yàn)，即充分考慮了巖石的各向異性特征。因此，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中的誤差與離散性，最終對(duì)本次試驗(yàn)中巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)行最大范圍的取值，其中長(zhǎng)期強(qiáng)度的上限取得為其單軸抗壓

強(qiáng)度值的82.71%，下限為其單軸抗壓強(qiáng)度值的60.40%。最終可確定絹云母化千枚巖長(zhǎng)期強(qiáng)度大約為其單軸抗壓強(qiáng)度值的60.40%～82.71%。

5結(jié)論

1)絹云母化千枚巖強(qiáng)度具有明顯的各向異性特征。相同加載條件下，隨著層理面與軸向夾角(β)的增大，強(qiáng)度值是一個(gè)先減小后增大的過(guò)程，當(dāng)β=30°左右時(shí)，強(qiáng)度最低。

2)在基于過(guò)渡蠕變法的研究方法上，確定了絹云母化千枚巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度值大約為其單軸抗壓強(qiáng)度值的60.40%～82.71%，這一結(jié)果為巖石邊坡工程的安全評(píng)價(jià)和合理設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。

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Experimental study on long-term strength and anisotropic characteristics of sericite phyllite

ZENGPeng1，JIHong-guang1，ZHAOKui2，LICheng-jiang3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.EngineeringInstitute，UniversityofScienceandTechnologyJiangxi，Ganzhou341000，China；3.CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.，Ltd.，MCCGroup，Beijing100088，China)

Abstract:It’s very important to obtain the long-term strength of rock for rock slope engineering which under high levels loading and long working years.Laboratory experiments on the sericite phyllite specimens in rock slope under uniaxial compression and uniaxial creep with step-loading were carried out.On the basic of test data，the long-term strength and anisotropic characteristics of strengths of sericite phyllites were studied.The results indicate that：①With the increase of angles between bedding planes and axial-stress loading directions，the strengths are increase first and then decrease in the same load conditions.And the minimum value of strengths appears at the angle of 30°；②The long-term strength of sericite phyllite is 60.40%～82.71% of the compressive strength.The test results could provide a favorable basis for the safety and design of rock slope engineering.

Key words：long-term strength；sericite phyllite；uniaxial compression；step-loading；creep

收稿日期：2015-08-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51174015；51064010；51534002)

作者簡(jiǎn)介：曾鵬(1987-)，男，博士研究生，主要從事礦山巖石力學(xué)測(cè)試與工程穩(wěn)定性研究。E-mail：zengpeng23@126.com。 通訊作者：紀(jì)洪廣(1963-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程檢測(cè)、聲發(fā)射技術(shù)、礦山動(dòng)力災(zāi)害等方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TU45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0141-05