謝云鵬，陳秋南，黃小城，2，羅 鵬,3

(1.湖南科技大學巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2.重慶大學土木學院，重慶 400044；3.湖南尚上建設開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410022)

近年來隧道開挖過程中復雜地質條件隧道圍巖穩(wěn)定性受到廣泛關注。炭質板巖屬常見典型軟巖，其結構呈片狀層理結構，在高地應力條件下，表現(xiàn)為擠壓流變破壞，使二次襯砌的長期穩(wěn)定性及耐久性不斷劣化，直接影響其服役性能。因此，研究炭質板巖在含水率影響下微觀結構及單軸壓縮試驗破壞特征規(guī)律，對工程設計、施工及運營維護具有重要的現(xiàn)實意義。

前人對不同巖石流變特性作出廣泛研究。李勇盛[1]對四種不同強度的深埋隧道炭質板巖巖樣做單軸壓縮試驗，得到其軸向變形和側向變形，隨加載應力的增大而逐步出現(xiàn)衰減、穩(wěn)定和加速形變過程。王更峰[2]通過炭質板巖蠕變試驗，隨加載應力水平提高，側向與軸向應變之間的關系由近似線性增加趨于破壞應力水平時的非線性增加。王宇[3]研究軟巖及流變力學特性試驗，軟巖破壞方式無明顯脆延轉化點，其峰值強度、屈服強度及殘余強度均隨圍壓的升高呈線性增大。唐皓[4]在大理石力學特性研究中，得出應力加載速率，對大理巖力學特性及其主要變形發(fā)展方式的影響。

由于炭質板巖地層中隧道工程增多，深埋高地應力條件下對炭質板巖的侵蝕作用使形變特性顯著，然而目前對深埋隧道炭質板巖單軸壓縮試驗研究還未有報道。本文從深埋炭質板巖微觀化學結構和宏觀破碎形態(tài)兩個角度，對高地應力炭質板巖的單軸力學特性進行分析研究。

1 炭質板巖微觀結構分析

本實驗巖樣選自云南麗香鐵路圓寶山隧道長約10.6 km，最大埋深687 m，屬深埋隧道，隧道區(qū)屬剝蝕構造高中山深切河谷地貌，相對高差過千米，巖體卸荷強烈[6-7]。巖體為黑灰色且有顯著水平層理面，結構較致密。采集炭質板巖巖樣近于長方體，長30～35 cm，寬20～25 cm，高12～16 cm，且均不存在宏觀可見裂隙(圖1)。

圖1 采集巖樣Fig.1 Collection of the rock samples

采用D8 Advance型X-粉末衍射儀與SM-6380LV型掃描電子顯微鏡對炭質板巖進行礦物組成分析[8-11]。制取粉末狀巖樣和巖石薄片兩種樣品，巖石薄片沿巖石層理面選取。背散射譜圖選取點及能量譜圖見圖2。

圖2 背散射譜圖選取點，能譜圖和X衍射圖譜Fig.2 Selection points of the backscatter spectrum, backscattering spectrogram and the atlas of XRD

掃描電鏡背散射發(fā)現(xiàn)，巖樣表面由Si、O、C、Na、Al、K等元素組成，含少量Fe與Zr。經X衍射分析，巖樣中主要有石英，石墨，白云母及鈉長石。得到各礦物的含量見表1。

表1 礦物成分含量及性狀

巖樣主要由石英、白云母、鈉長石及少量石墨組成。石英、白云母都具親水性，鈉長石具水溶性，石墨具較好潤滑性，故巖樣親水受含水量影響明顯。進而探究巖性及微觀結構，用掃面電子顯微鏡進行微觀觀察(圖3)。

圖3 掃面電顯下的白云母(垂直視圖)和巖石微裂隙(巖石薄片側視)Fig.3 Mica under scanning electron microscope (observation direction) and microfractures of rock (Observation from the side of a thin piece of rock)

巖石薄片側面有肉眼不可見較長微裂隙，由白云母極完全解理，推斷該裂隙為白云母集合體在外力作用下沿結晶方向(水平方向)解理所成。

炭質板巖在風化、沉積及富水等變質作用下，白云母具有沿層理面平行分布的典型特征。白云母單晶體間有沉積物風化作用收縮形成的微孔隙，且在外力作用下，白云母集合體極完全解理而易形成貫穿裂隙。

2 單軸力學特性試驗

為避免試驗結果離散性過大，所取試樣均來自同一巖體。采用水鉆法嚴格按照《工程巖體試驗方法標準》制成直徑50 mm，高度100 mm的圓柱體試件(圖4)。

圖4 加工后試件Fig.4 Post processing rock samples

巖樣制備后，將其置于無水常態(tài)、浸水10 d、20 d及30 d處理并分別標號為DZ-1、DZ-2、DZ-3及DZ-4。

巖石單軸力學特性試驗通過不同浸水時長下炭質板巖的全應力應變曲線揭示其強度和變形破壞特征[12-15]。試樣分別進行單軸壓縮力學特性試驗，開展試驗均在RYL-600型微機伺服三軸巖石流變試驗機上完成(圖5)。

圖5 RYL-600巖石三軸流變試驗儀Fig.5 RYL-600 triaxial rheological test instrument

本次試驗采用的RLY-600型微機伺服三軸巖石流變試驗機主要技術參數(shù)為：最大法向(垂直)試驗力600 kN，試驗力測量誤差≤1%。巖樣尺寸?50 mm×100 mm，軸向變形測量范圍0～5 mm，徑向變形測量范圍0～3 mm。當荷載、軸向變形、徑向變形等參數(shù)達到極限值或預設值、試樣斷裂時均可自動保護。

單軸壓縮力學特性試驗步驟如下：

(1)裝樣：用熱縮套管將試件與試件兩端墊塊套緊，熱縮套管經電吹風熱烘數(shù)分鐘后能產生收縮并與試件和墊塊貼緊，然后安裝軸向和環(huán)向引伸計，并通過插銷安裝其他底部和頂部過渡裝置，最后將裝好的件放入流變儀的臺座上，將引伸計與臺座上的接口連接好，并通過插銷使整個裝置與臺座固定，使巖樣軸線與加載中心重合，避免產生偏心受壓(圖6)。

圖6 安裝引伸計后的試件Fig.6 Samples after installation of the extensomete

(2)應變調節(jié)：通過調節(jié)引伸計上的螺母，觀測軸向應變與環(huán)向應變是否靈敏正常，若應變無變化，則需要重新裝樣，或重啟試驗機。

(3)預壓：通過荷載控制方式以10 N/s加載速率對其施加1 kN左右的軸向壓力，使設備與試樣充分接觸。

(4)加載：根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》的加載方式，通過荷載控制方式以100 N/s加載速率施加軸向壓力直到試樣破壞。

(5)記錄：記錄試驗中應力應變變化情況。

(6)整理：力學試驗結束后卸載，取出試件，保存數(shù)據(jù)，整理儀器。

4種狀態(tài)下巖石單軸壓縮力學特性試驗所得巖石應力應變曲線，見圖7。

圖7 應力應變曲線Fig.7 Stressstrain curve

為清晰地描述巖石變形破壞全過程，對試件DZ-4應力應變曲線分段處理見圖7(d)，將其分為4階段：微空隙與裂隙壓密階段(OA段)，彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段(AB段)，非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段(BC段)與峰值后階段(CD段)。

(1)微空隙與裂隙壓密階段：原有微孔隙與裂隙逐漸閉合，形成早期非線性變形段，應力應變曲線呈上凹型。

(2)彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段：微孔隙與裂隙在前期加載中基本閉合，巖石發(fā)生彈性變形，巖石微破裂開始發(fā)生與發(fā)展，應力應變曲線近似于直線。

(3)非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段：巖石進入塑性變形階段，B點應力為屈服應力，微破裂發(fā)生質變，破裂不斷發(fā)展，試件由體積壓縮轉為擴容，D點對應的應力為峰值強度(單軸抗壓強度)。

(4)峰值后階段：試件內部結構破壞，裂隙快速發(fā)展，形成宏觀破裂面，試件沿宏觀破裂面開始滑移，承載力迅速降低，但仍具一定承載力。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：

(1)試件DZ-1應力應變曲線4階段不明顯，峰值強度前近于彈性變形，隨浸水時間增長，試件應力應變曲線4階段逐漸明顯。

(2)隨浸水時間增長，峰值點越“平滑”，峰值后應力跌落越慢，脆性越不明顯。試件DZ-1的峰值點“尖”，脆性明顯，破壞聲音很大；試件DZ-4相反。

(3)巖石彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段整體較長，隨浸水時間增長，該階段逐漸蛻化為微空隙與裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙發(fā)展階段及非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段。

對各試件曲線近似直線段擬合，選取擬合直線兩端點及中點對應的軸向應變與側向應變值，得3次泊松比平均值見表2。

表2 巖石變形參數(shù)

深部炭質板巖礦物主要由石英、白云母等親水性礦物組成，長期水浸作用下：

(1)水的作用表現(xiàn)

①潤滑作用(結合水)：礦物中的鹽，例如Na[AlSi3O8]溶解，導致礦物顆粒間連結力減小，摩擦力減小。

②水楔作用(結合水)：礦物(石英、白云母)親水性使水分子吸附于表面，水分子由2個礦物顆粒接觸處的吸著力向顆粒縫隙處擠入(圖8)。壓應力增大情況下，水分子擠入，增大兩顆粒間距，礦物微空隙增大，巖石強度降低。

圖8 水楔作用Fig.8 Water wedge effect

③潛蝕作用(自由水)：滲透水長期在礦物微空隙中流動，將可溶物質帶走，微空隙增大，強度降低。

(2)由炭質板巖含較多白云母，且其具有彈性，主要以巖石層理面方向排列。因此，各試件在峰值前彈性變形階段最顯著。

(3)由水的潤滑作用、水楔作用及潛蝕作用，白云母等礦物極完全解理，使巖石微觀上微空隙增大。宏觀巖石強度減低，隨浸水時間增長，巖石破壞由脆性破壞向延性破壞轉變。

3 破裂形態(tài)宏觀分析

4種不同飽水量的炭質板巖試樣在單軸壓縮力學試驗破壞形態(tài)見圖9。

圖9 炭質板巖單軸壓縮破裂形式Fig.9 Uniaxial compression fracture form of the carbonaceous slate

從炭質板巖單軸壓縮力學試驗破裂形式可見[16-17]，水的損傷劣化作用使礦物結構遭到破壞，巖石變“軟”。試件宏觀破壞形態(tài)為脆性斷裂破壞，隨浸水時間增長，破裂面貫穿試件上下端部，試件破裂程度更明顯。由此可得，含水量對炭質板巖破壞形態(tài)影響顯著，巖體強度隨含水率和浸水時長增長而減小。進而對富水炭質板巖實驗破壞形態(tài)進行研究分析。

從宏觀角度看，炭質板巖試樣破壞面由DZ1到DZ4逐漸變緩，用繪圖工具將破壞面描出，見圖10。該試樣沿軸向壓縮至破碎，破壞面法線和軸線的角度，隨飽水度增大而逐漸減小。

基于材料力學理想化模型分析，假定材料內部各向同性，不發(fā)生相對摩擦時，將在45°破壞斜面有最大剪應力產生。但考慮富水炭質板巖試樣在壓縮至臨近破壞時，其破裂面間產生相對滑動趨勢，相對內摩擦力阻礙上下部分的相對運動[18-19]。在DZ1-DZ4中，水分子改變相對摩擦系數(shù)，且相對摩擦系數(shù)隨浸水時間增長逐漸減小，宏觀表現(xiàn)為破壞面法線和軸線夾角逐漸減小，即裂隙變緩，見表3。

圖10 炭質板巖單軸壓縮破裂角度分析Fig.10 Angle analysis of the uniaxial compression fracture of the carbonaceous slate

表3 破壞面法線-軸線夾角與浸水關系

4 結論

(1)炭質板巖中主要有石英、白云母及鈉長石。炭質板巖在風化、沉積及高地應力等變質作用下，白云母具有沿層理面平行分布的典型特征。白云母單晶體間有沉積物風化作用收縮而成的微孔隙，外力作用下白云母集合體極完全解理易形成貫穿裂隙。

(2)炭質板巖在達到最大峰值強度前近于彈性變形，隨浸水時間的增長，炭質板巖應力應變曲線四階段逐漸明顯，且峰值后應力跌落減緩。

(3)由石英、白云母具親水性，隨浸水時間增長，水的潤滑作用，水楔作用及潛蝕作用，礦物間結構遭到破壞，微空隙增大。力學特性表現(xiàn)為，巖石彈性模量、單軸抗壓強度顯著降低，泊松比、峰值應變略有增大。

(4)炭質板巖宏觀破裂形態(tài)方面，四種不同浸水時長的巖樣，水分子改變了巖樣中的相對摩擦系數(shù)，且相對摩擦系數(shù)隨浸水時間增長逐漸減小，宏觀表現(xiàn)為破壞面法線和軸線夾角逐漸減小，即裂隙角度變緩。