楊意德，賈淯斐，梁 冰，夏 冬, 3，吳朝松

層理傾角對巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響的試驗(yàn)研究*

楊意德1, 2，賈淯斐1, 2，梁 冰1, 2，夏 冬1, 2, 3，吳朝松1, 2

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山市 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山市 063210；3.唐山市礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山市 063210)

為探究層理傾角對巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)與裂紋長度的影響規(guī)律，對層理傾角為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°的巖樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：層理傾角對巖樣的抗剪強(qiáng)度、破壞模式和破壞后裂紋長度具有顯著影響，0°時，巖樣粘聚力和內(nèi)摩擦角最小，90°時，巖樣的粘聚力最大，15°和75°時，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角接近；裂紋均值長度的最大值和最小值對應(yīng)的層理傾角分別為0°和90°，其值分別為86 mm和118.5 mm；試驗(yàn)過程中，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)兩個極值，一個出現(xiàn)在層理傾角為45°時，此時對應(yīng)的裂紋長度約80 mm，另一個出現(xiàn)在層理傾角為60°時，此時裂紋的長度約140 mm。研究成果為研山鐵礦順傾邊坡穩(wěn)定性分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

層理傾角;黑云變粒巖;粘聚力;內(nèi)摩擦角;裂紋長度

0 引 言

層狀巖石是各向異性特征極為明顯的一類特殊巖石，國內(nèi)外已有的研究成果表明[1-2]，層理的存在，對巖石和巖體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著的弱化作用，同時，層理面也是巖質(zhì)邊坡等工程巖體失穩(wěn)的控制弱面，因此，開展含層理巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)研究具有重要的理論意義和實(shí)際的工程應(yīng)用價值。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在層理對巖石物理力學(xué)參數(shù)的影響方面開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)方面的研究工作。鄧華鋒等[3]開展了不同層理傾角砂巖的巴西劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)層理傾角對各種層狀巖石抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致；衡帥等[4-5]對頁巖開展了直剪試驗(yàn)、單軸和三軸壓縮條件下各向異性特征的試驗(yàn)研究，揭示了頁巖破壞機(jī)制的各向異性；唐欣薇等[6]對層狀巖石微觀結(jié)構(gòu)表征及劈裂受載各向異性行為開展了系統(tǒng)的研究工作，發(fā)現(xiàn)層狀巖石的破裂模式和力學(xué)性能均存在明顯的各向異性特征；潘睿等[7]基于能量分析方法，對層狀巖石斷裂能各向異性開展了相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)垂直層理和平行層理方向上斷裂能差異顯著；Debecker等[8]的研究成果表明，層理、片理等結(jié)構(gòu)面對巖石各向異性特征具有重要影響；Tavallali等[9]發(fā)現(xiàn)層理方向和微觀組構(gòu)對砂巖強(qiáng)度和破壞模式具有重要影響；Walter[10]的研究成果表明，在層狀巖石中，應(yīng)力與波速存在一定的對應(yīng)關(guān)系；Vervoort等[11]研究發(fā)現(xiàn)，巖石的破壞模式、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)與巖石的層理傾角呈一定的對應(yīng)關(guān)系；騰俊洋等[12]系統(tǒng)地研究了層理和水耦合作用對頁巖抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度受控于層理面與加載方向；張志鎮(zhèn)等[13]對不同層理傾角巖石力學(xué)特性和聲發(fā)射特征開展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度隨層理傾角的增加呈先增大后減小的過程。

上述研究成果表明，層理傾角對巖石抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度及波速等物理力學(xué)參數(shù)均具有顯著影響。對于含層理的巖體，巖體各向異性在巖體工程穩(wěn)定性分析計算中不可忽視。為了系統(tǒng)地研究層理傾角對巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，以研山鐵礦東幫邊坡層狀黑云變粒巖為研究對象，分別對層理傾角為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°的巖樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究抗剪強(qiáng)度、剪切裂紋長度與傾角的對應(yīng)關(guān)系，以期為后繼順傾邊坡穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用巖樣均取自研山鐵礦東幫邊坡，該邊坡為順傾邊坡，巖體傾角對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，取樣點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 東幫邊坡巖石取樣位置

將工程現(xiàn)場選取的含層理的大塊巖樣運(yùn)抵華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行試驗(yàn)巖樣的加工工作，取樣示意圖及鉆取的代表性巖樣如圖2所示。

圖2 巖樣鉆取示意圖及代表性巖樣

用于單軸抗壓、抗剪強(qiáng)度的巖樣為直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，層理傾角與水平面的夾角分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°(如圖3所示)。

圖3 不同層理傾角圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件

1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

巖石產(chǎn)生各向異性的根本原因是巖石內(nèi)部存在層理，每個層理邊界為弱面邊界。為了解黑云變粒巖中層理面的分布情況，采用徠卡DM4000型顯微鏡對巖石光片樣本進(jìn)行觀察，以便了解巖石內(nèi)部礦物顆粒的分布情況。巖石光片樣本和不同放大倍數(shù)的觀察結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 巖石光片樣本

圖5 不同放大倍數(shù)光片觀測結(jié)果

由圖4和圖5可知，含鐵礦物與石英等脈石礦物相對集中分布，構(gòu)成黑白相間的條帶，條帶間含鐵礦物與石英夾雜出現(xiàn)，初步觀察到的條帶寬度約0.5~2 mm不等。樣本中主要為粒狀變晶礦物，含云母礦物成分，該成分主要沿條帶邊界分布，含量約為10%。

1.3 試驗(yàn)方法

為研究層理傾角對巖樣抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，采用YAW-300微機(jī)控制電液伺服巖石直剪試驗(yàn)機(jī)，對層理傾角為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°的黑云變粒巖標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)取樣位置的工程壓力，將法向載荷按等差級數(shù)分為5，10，15，20，25 kN，以10 kN/min施加剪切載荷直至試樣破壞。試驗(yàn)過程中，保持法向應(yīng)力為設(shè)定的恒定值，法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的加載速率均為10 kN/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 層理傾角對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響與分析

按式（1）和式（2）計算巖石各法向載荷下的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力：

式中，為作用于剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；為作用于剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；為作用于剪切面上的總法向載荷，N；為作用于剪切面上的總剪切載荷，N；為剪切面積，mm2。

層理傾角為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°巖樣的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線及部分巖樣的破壞模式如圖6所示。

圖6 不同層理傾角巖樣抗剪強(qiáng)度曲線與破壞模式

根據(jù)各剪切階段特征點(diǎn)的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力值，采用最小二乘法計算不同層理傾角巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角，計算公式如下：

式中，為巖樣個數(shù)。根據(jù)上式，可得不同層理傾角?粘聚力?內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖6和圖7可見，層理傾角對巖樣粘聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生重要影響，整體上，隨著層理傾角和法向應(yīng)力的增加，巖樣承受最高剪應(yīng)力增大，粘聚力逐漸升高。

在層理傾角為0°的情況下，隨法向應(yīng)力的增大，剪切應(yīng)力基本呈線性增加。通過計算，可得該組巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角在所測試的各組巖樣中的值最小，其值分別為3.4 MPa和34.4°。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)層理方向與剪應(yīng)力方向相同時，剪切裂紋主要沿節(jié)理面萌生、擴(kuò)展，巖樣基本沿層理發(fā)生剪切破壞，同時，由于各巖樣節(jié)理面礦物成分較為接近，因此當(dāng)巖樣沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞時，試驗(yàn)結(jié)果的離散性相對較小。

圖7 層理傾角?粘聚力?內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

在層理傾角為15°的情況下，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為7.3 MPa和44.4°。由圖6(b)的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線可以看出，法向應(yīng)力?剪應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系較為離散，這主要是因?yàn)?，巖樣傾角在15°的情況下，剪切主裂紋雖基本沿節(jié)理面方向擴(kuò)展，但個別巖樣的剪切裂紋除沿剪切面擴(kuò)展外，還在距巖樣端部約四分之一處產(chǎn)生斷裂裂紋，這也會對巖樣的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

在層理傾角為30°的情況下，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為6.7 MPa和49.2°。由圖6(c)的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線與巖樣的破壞模式圖可以看出，在該角度下，法向應(yīng)力?剪應(yīng)力基本呈線性增加，剪切裂紋整體上沿層理面方向擴(kuò)展，局部出現(xiàn)沿剪切面方向的剪切裂紋，同時，該角度下巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角均高于0°的情況，這主要是因?yàn)樵摻嵌认聨r樣剪切斷面為斜面，在相同的法向應(yīng)力作用下，巖樣要從節(jié)理面處發(fā)生斷裂，所需的剪應(yīng)力比0°時大。

在層理傾角為45°的情況下，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為8.4 MPa和34.8°。由圖6(d)的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線與巖樣的破壞模式圖可以看出，在該角度下，法向應(yīng)力?剪應(yīng)力基本呈線性增加，大部分巖樣首先沿層理面發(fā)生張拉破壞，繼而沿剪切面發(fā)生剪切破壞。

在層理傾角為60°的情況下，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為6.8 MPa和46.6°。由圖6(e)的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線與巖樣的破壞模式圖可以看出，在該角度下，法向應(yīng)力?剪應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果較為離散，這主要與巖樣最終破壞模式有關(guān)。巖樣發(fā)生剪切破壞時，部分巖樣沿剪切面發(fā)生剪切破壞，部分巖樣在剪切面的上部和下部出現(xiàn)不規(guī)則的貫通裂紋，這也是試驗(yàn)結(jié)果相對離散的根本原因。對比分析層理傾角為30°和60°的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在這兩種傾角下，巖樣的粘聚力較為接近，內(nèi)摩擦角相差2.6°。

在層理傾角為75°的情況下，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為8.1 MPa和42.2°。由圖6(f)的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線及巖樣的破壞模式可以看出，剪應(yīng)力基本隨法向應(yīng)力的增加呈線性增大趨勢，各巖樣的破裂模式基本一致，即裂紋首先在剪切面處起裂，裂紋起裂后并未沿剪切面擴(kuò)展，而是沿節(jié)理面方向擴(kuò)展，進(jìn)而使得巖樣沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞。對比分析層理傾角為15°和75°的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在這兩種傾角下，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角極為接近。

在層理傾角為90°的情況下，巖樣的粘聚力最大，其值為10.2 MPa，與之對應(yīng)的內(nèi)摩擦角為40.6°。由圖6(g)的法向應(yīng)力?剪應(yīng)力關(guān)系曲線及巖樣的破壞模式可以看出，剪應(yīng)力基本隨法向應(yīng)力的增加呈線性增大趨勢，各巖樣的破裂模式基本一致，即裂紋首先沿剪切面起裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到層理面交界處，裂紋并沒有沿剪切面繼續(xù)擴(kuò)展，而是在層理面交界處沿層理面發(fā)生張拉裂紋，當(dāng)張拉裂紋沿層理面貫通后，巖樣的剪切裂紋在剪應(yīng)力作用下繼續(xù)沿剪切面擴(kuò)展，直至巖樣發(fā)生剪切破壞。由于剪應(yīng)力方向與層理面方向垂直，而巖石基質(zhì)的強(qiáng)度高于層理面的強(qiáng)度，故此巖樣在該傾角下粘聚力也相對較高。

綜上所述，層理傾角對巖樣的抗剪強(qiáng)度和破壞模式具有顯著影響，在0°時，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角最小，此時巖樣主要沿層理面發(fā)生剪切破壞；在90°時，剪切面垂直于層理面，巖樣的粘聚力最大；15°和75°時，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角接近，30°和60°時，情況同樣如此。

2.2 層理傾角對裂紋長度的影響與分析

通過對不同層理傾角的黑云變粒巖巖樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，層理傾角對巖樣的破壞模式產(chǎn)生重要影響，也就是說，不同層理傾角巖樣的破壞模式同樣存在較為明顯的各向異性特征。破壞模式的各向異性除可用巖樣破壞外觀進(jìn)行表征外，還可進(jìn)一步采用裂紋長度進(jìn)行量化分析。為研究層理傾角、抗剪強(qiáng)度與裂紋長度之間的對應(yīng)關(guān)系，對不同層理傾角巖樣破壞后裂紋的平均長度進(jìn)行了分析，層理傾角?裂紋長度關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 層理傾角?裂紋均值關(guān)系曲線

由圖8可見，層理傾角對巖樣剪切破壞后裂紋長度均值具有顯著影響，層理傾角為0°時裂紋長度均值最小，其均值為86 mm，層理傾角由0°增大到45°時，裂紋長度的平均值呈線性增加趨勢；層理傾角為75°時，裂紋長度均值最大，其值為118.5 mm；層理傾角為90°時，裂紋長度的均值為113.8 mm，其長度僅次于75°時的對應(yīng)值。觀察不同層理傾角巖樣的破壞模式可以發(fā)現(xiàn)，巖樣剪切破壞后裂紋均值的大小與破壞模式、抗剪強(qiáng)度有關(guān)。為分析層理傾角、抗剪強(qiáng)度對與裂紋長度之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了層理傾角?裂紋長度?抗剪強(qiáng)度云圖，如圖9所示。

圖9 層理傾角?裂紋長度?抗剪強(qiáng)度云圖

由圖9可見，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)兩個極值，一個出現(xiàn)在層理傾角為45°時，此時對應(yīng)的裂紋長度約80 mm，另一個出現(xiàn)在層理傾角為60°時，此時裂紋的長度約140 mm，未出現(xiàn)層理傾角為0°時抗剪強(qiáng)度最小，90°時抗剪強(qiáng)度最大的預(yù)期結(jié)果。

3 結(jié) 論

（1）層理傾角對巖樣的抗剪強(qiáng)度具有顯著影響，層理傾角為0°時，巖樣粘聚力和內(nèi)摩擦角最小，其值分別為3.4 MPa和34.4°；粘聚力和內(nèi)摩擦角的最大值對應(yīng)的層理傾角分別為90°和30°，其值分別為10.2 MPa和49.2°；15°和75°時，巖樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角接近，30°和60°時，情況同樣如此。

（2）層理傾角對巖樣剪切破壞后的破壞模式和裂紋長度均具有顯著影響，層理傾角為0°時裂紋長度均值最小，75°時裂紋長度均值最大；抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)兩個極值，一個出現(xiàn)在層理傾角為45°時，此時對應(yīng)的裂紋長度約80 mm，另一個出現(xiàn)在層理傾角為60°時，此時裂紋的長度約140 mm。

[1] 楊振琦,鄧文學(xué),張鵬海,等.層理傾角對黑云變粒巖聲發(fā)射特征的影響[J].采礦與安全工程學(xué)報,2016,33(3):521-527.

[2] TAVALLALI A,VERVOORT A. Effect of layer orientation on the failure of layered sandstone under Brazilian test conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Science,2010, 47(2):313-322.

[3] 鄧華鋒,張小景,張恒賓,等.巴西劈裂法在層狀巖體抗拉強(qiáng)度測試中的分析與討論[J].巖土力學(xué),2016,37(S2):309-315.

[4] 衡 帥,楊春和,張保平,等.頁巖各向異性特征的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015,36(3):609-616.

[5] 衡 帥,楊春和,曾義金,等.基于直剪試驗(yàn)的頁巖強(qiáng)度各向異性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(5):874-883.

[6] 唐欣薇,黃文敏,周元德,等.層狀巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征及劈拉受載各向異性行為研究[J].工程力學(xué),2018,35(9):153-160.

[7] 潘 睿,張廣清.層狀巖石斷裂能各向異性對水力裂縫擴(kuò)展路徑影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2018,37(10):2309-2318.

[8] DEBECKER B,VERVOORT A. Experimental observation of fracture patterns in layered slate[J].International of Journal of Fracture,2009, 159(1):51-62.

[9] TAVALLALI A,VERVOORT A. Failure of layered sandstone under Brazilian test conditions:Effect of micro-scale parameters on macro-scale behaviour[J].Rock Mechanics and Rock Engineering, 2010,43(5):641-653.

[10] WALTER KONHAEUSER. Broadband wireless access solutions- Progressive challenges and potential value of next generation mobile networks[J].Wireless Personal Communications,2006,37(3-4):243- 259.

[11] VERVOORT A,MIN K B,KONIETZKY H,et al. Failure of transversely isotropic rock under Brazilian test conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2014, 70(70):343-352.

[12] 騰俊洋,唐建新,張 闖.層狀含水頁巖的抗拉強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2018,39(4):1317-1326.

[13] 孫清佩,張志鎮(zhèn),杜雷鳴,等.層理傾角對巖石力學(xué)與聲發(fā)射特征的影響研究[J].金屬礦山,2017,(12):7-13.

(2019-01-25)

楊意德(1994—)，男，河北保定人，Email：101658- 5011@qq.com。

梁 冰(1986—)，男，黑龍江海倫人，博士研究生，講師，Email：tsliangbing@126.com。

河北省自然科學(xué)基金項目(E2018209281)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(X2017002，X2018251).