黃本柱

（安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院， 安徽 合肥 230001）

1 概述

巖石的力學(xué)性質(zhì)是工程地質(zhì)中高度關(guān)注的問(wèn)題，而巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。自然界中廣泛發(fā)育各向異性巖石，如頁(yè)巖、薄層砂巖、千枚巖、片巖、片麻巖、糜棱巖等，針對(duì)這些巖石進(jìn)行了大量的力學(xué)性質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)（Nasseri et al.，2003；Agliardi et al.，2014；Cho et al.，2014；Liu et al.，2017；Garcia-Fernandez et al.，2018），以往的研究均認(rèn)為該類型巖石存在兩個(gè)方向上的各向異性，分別是垂直面理方向及平行面理方向。而千枚巖、片巖、片麻巖、糜棱巖等巖石以發(fā)育面理及礦物拉伸線理構(gòu)造為特征，該特征造成該類型巖石為三個(gè)方向的各向異性特征（見圖1-4），分別為平行面理且平行礦物拉伸線理方向（X）、平行面理且垂直礦物拉伸線理方向（Y）及垂直面理方向（Z）（見圖1），而關(guān)于三個(gè)方向各向異性巖石力學(xué)性質(zhì)的研究以往并沒(méi)有報(bào)導(dǎo)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各向異性力學(xué)特性進(jìn)行了較多的研究。趙文瑞（1984）通過(guò)層狀砂巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層狀巖石的弱面與主應(yīng)力成30°角時(shí)，巖樣強(qiáng)度最低；席道瑛等（1995）分析得到了橫觀各向同性介質(zhì)中波速的變化規(guī)律，并通過(guò)層狀砂巖進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證；曾紀(jì)全等（2001）對(duì)泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和石膏模型試件進(jìn)行了試驗(yàn)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；A.Tavallali and A.Vervoort（2010）對(duì)層狀砂巖進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)，得到了層狀砂巖抗拉強(qiáng)度與層理角度的關(guān)系；高春玉等（2011）對(duì)平行層理和垂直層理方向的砂板巖進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2 種層理角度巖樣的力學(xué)特性和變形破壞特征差異顯著；李國(guó)權(quán)等（2011）通過(guò)抗壓試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn)，分析了板巖的抗壓、抗拉強(qiáng)度的各向異性，并總結(jié)了相關(guān)的破壞模式；劉勝利等（2012）通過(guò)試驗(yàn)研究了綠泥石片巖的各向異性特征。Cho et al.（2014）通過(guò)單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)，研究了片麻巖、頁(yè)巖和片巖的各向異性特性；鄧華鋒等（2016）設(shè)計(jì)、進(jìn)行了考慮不同層理角度的層狀砂巖巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)層狀巖體抗拉強(qiáng)度的各向異性特點(diǎn)非常明顯，并將其破壞模式歸納為直線型、折線型和弧型三種類型等等。上述研究成果為巖體各向異性力學(xué)特性分析奠定了較好的基礎(chǔ)，但相關(guān)研究中主要著重于分析層狀或者面狀巖石的各向異性，而對(duì)存在面理上的礦物拉伸線理以忽略。

圖1 糜棱巖樣品野外特征及其構(gòu)造示意圖

基于以上，本次研究取樣于郯廬斷裂帶肥東雜巖段。該地區(qū)主要為二長(zhǎng)片麻巖、角閃黑云斜長(zhǎng)片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖。大橫山巖段主要含角閃斜長(zhǎng)片麻巖、二云片巖、白云石英片巖、二云斜長(zhǎng)片麻巖等（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987），經(jīng)歷了中生代郯廬斷裂帶強(qiáng)烈的左行走滑活動(dòng)（Zhu et al.，2005；Zhao et al.，2014，2016），發(fā)育了大量的糜棱巖剪切帶（見圖1-1，1-2，1-3）。該糜棱巖存在典型的面理及礦物拉伸線理構(gòu)造（見圖1-2，圖1-4）。

2 試驗(yàn)原理與過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

本文選用糜棱巖，無(wú)節(jié)理裂隙等缺陷。制作平行面理平行線理方向（X）、平行面理垂直線理方向（Y）、垂直面理方向（Z）三種方向上的巖樣，經(jīng)過(guò)切割、打磨，將采集到的巖石加工成Φ43 mm×80 mm（高）的圓柱體試樣。巖石的抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

式中：R為巖石的抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時(shí)的荷載，N；A為試件的截面積，mm2。

因制作的巖石試樣非標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值按照規(guī)范條文說(shuō)明中公式進(jìn)行換算，公式為了便于對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果作統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)將任意高徑比的抗壓強(qiáng)度值R按下式換算成高徑比為2:1 的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值R1。

巖石的變形模量計(jì)算公式如下：

式中：σ 為應(yīng)力，MPa；P為與所測(cè)各組應(yīng)變值相應(yīng)的荷載，N；A為試件的截面積，m。

繪制應(yīng)力與縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變關(guān)系曲線，在應(yīng)力與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線上找出加載最大值的0.8倍和0.2 倍的點(diǎn)，并作割線，以該割線的斜率表示該試件的彈性模量，按式以下計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果精確至100 MPa。

式中：E為彈性模量，MPa；σ0.8、σ0.2分別為加載最大值的0.8 倍和0.2 倍時(shí)的試件應(yīng)力，MPa；ε0.8，ε0.2為應(yīng)力為σ0.8、σ0.2時(shí)的縱向應(yīng)變值，MPa。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

本文對(duì)這些巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。本次單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)是在長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司研制的微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)儀器是專為巖土類工程材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，包括加壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，還包括一些輔助配件。該系統(tǒng)含有多種試驗(yàn)功能，可本試驗(yàn)只進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)采用位移控制加載方式，加載速率控制在0.5 MPa/s。把準(zhǔn)備好的巖石試樣放在試驗(yàn)機(jī)上，在上端加一個(gè)剛性墊塊，然后以保持不變的加載速率沿軸向方向施加荷載，直至巖石試樣破壞。采用垂直位移傳感器，測(cè)試軸向變形。通過(guò)試驗(yàn)獲得巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等變形參數(shù)。

圖2 糜棱巖樣品處理過(guò)程與壓裂圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 位移—負(fù)荷曲線

巖石單軸壓縮試驗(yàn)提供了豐富的基礎(chǔ)資料，巖石類型不同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異會(huì)導(dǎo)致不同的巖石存在不同的位移—負(fù)荷曲線，也反映了巖石的力學(xué)響應(yīng)。本次試驗(yàn)進(jìn)行較為順利，其部分式樣破壞位移—負(fù)荷曲線見圖3。

巖樣受力后，隨著壓力不斷增加，其變形破壞是一個(gè)逐漸發(fā)展過(guò)程，可分為3 個(gè)階段：

1）壓密階段。為組成礦物之間的緊密接觸，試件中原有的張開性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形。

2）彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。隨壓力增加，巖石被壓密后，變形隨應(yīng)力成比例增加。試件內(nèi)出現(xiàn)新的微破裂，曲線出現(xiàn)微小的彎曲，是較平靜的變形破壞階段。

3）破壞后階段。此時(shí)荷載達(dá)到峰值強(qiáng)度，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，但試件仍基本保持整體狀。裂隙快速發(fā)展、交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面，試件承載力隨變形增大而迅速下降。

圖3 巖石樣品負(fù)荷- 位移曲線圖

3.2 糜棱巖抗壓強(qiáng)度曲線及彈性模量曲線

通過(guò)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)并計(jì)算得到如表1 結(jié)果，并得出圖4 數(shù)據(jù)分析圖。

表1 糜棱巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：糜棱巖的抗壓強(qiáng)度范圍為79～124 MPa，具有較明顯的各向異性特征?？箟簭?qiáng)度從高到低依次為Z方向＞Y方向＞X方向，其中垂直面理方向遠(yuǎn)高于平行面理方向，而平行面理方向上礦物拉伸線理的存在對(duì)其影響較小。糜棱巖彈性模量分布在1.01×104～1.56×104MPa，同樣具有較明顯的各向異性特征。變形模量從高到低依次為X方向＞Y方向＞Z方向，其中平行面理平行線理方向遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)方向，礦物拉伸線理的存在對(duì)其影響較為顯著。

圖4 糜棱巖抗壓強(qiáng)度和彈性模量圖

4 結(jié)論

1）糜棱巖抗壓強(qiáng)度具有明顯的各向異性特征。抗壓強(qiáng)度從高到低依次為Z方向＞Y方向＞X方向。

2）糜棱巖彈性模量具有較明顯的各向異性特征。彈性模量從高到低依次為X方向＞Y方向＞Z方向。

3）糜棱巖的面理和礦物拉伸線理影響了巖石的力學(xué)性質(zhì)。該結(jié)果不僅增加了人們對(duì)各向異性巖石的力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為工程建設(shè)提供了一些指導(dǎo)意義。