夏 磊，姚勁松，蔣 磊

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430010；2.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司， 重慶 400039)

近年來(lái)，鑒于美國(guó)頁(yè)巖氣革命的成功，頁(yè)巖氣油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)成為我國(guó)研究的熱點(diǎn)。而頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)能源，其儲(chǔ)層載體——頁(yè)巖具備顯著的層狀特性。層狀構(gòu)造賦予層狀巖體強(qiáng)烈的力學(xué)各向異性，其在物理力學(xué)性質(zhì)及破壞機(jī)制上所體現(xiàn)出來(lái)的各向異性會(huì)直接影響頁(yè)巖氣開(kāi)采的效率。

Tien等[1]用不同材料進(jìn)行層狀類(lèi)巖石材料人工制樣，開(kāi)展單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，證明其力學(xué)特性與天然層狀巖體相似，以此為基礎(chǔ)擴(kuò)展了Salamons模型[2]，提出考慮層間不充分粘結(jié)時(shí)層狀巖體本構(gòu)模型。何沛田等[3]將黑灰色鈣質(zhì)頁(yè)巖制成長(zhǎng)方體試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明頁(yè)巖塊極限抗壓強(qiáng)度受層理結(jié)構(gòu)面控制。梁正召等[4]基于RFPA2D數(shù)值模擬軟件，用2種不同的巖石材料組成7種不同層理傾角的層狀巖石試件，提出對(duì)橫觀(guān)各向同性巖體破壞準(zhǔn)則的研究必須考慮層理傾角的影響，針對(duì)不同的破壞方式應(yīng)采用不同的破壞準(zhǔn)則。何忠明等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析層狀巖體的變形以及強(qiáng)度特征，得出90°傾角試樣的抗壓強(qiáng)度明顯大于0°傾角試樣。熊良宵等[6]以錦屏Ⅱ級(jí)水電站綠片巖和大理巖互層的層狀巖體為研究對(duì)象開(kāi)展蠕變特性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明當(dāng)互層狀巖體中大理巖夾層的體積含量相同時(shí)，0°傾角試樣的破壞強(qiáng)度大于90°傾角試樣。李銀平等[7]開(kāi)展鹽巖試樣、硬石膏試樣以及含硬石膏夾層鹽巖試樣3種巖體的直剪試驗(yàn)，研究了湖北云應(yīng)鹽礦深部層狀鹽巖，尤其是鹽巖和硬石膏夾層界面的抗剪性能。趙海斌等[8]以淋溪河水電站壩址巖體現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)為依據(jù)，結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)方法，引入結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)來(lái)度量層狀巖體抗剪強(qiáng)度各向異性。

由以上可知，層狀巖體的力學(xué)特性的研究主要涉及到其抗壓及抗拉的強(qiáng)度和彈性變形參數(shù)及破壞特征的各向異性研究[9-10]，對(duì)層狀巖體剪切破壞過(guò)程中的強(qiáng)度和彈性變形參數(shù)及破壞特征的研究較少。層理的存在使得層狀巖體容易發(fā)生剪切破壞，研究層狀巖體的抗剪特性具有重要的理論工程應(yīng)用價(jià)值。因此本文開(kāi)展不同層理傾角、層理間距以及層理粘結(jié)強(qiáng)度條件下層狀巖體的直剪試驗(yàn)，以期研究層理的存在對(duì)其剪切特性的影響。

1 直剪試驗(yàn)試樣制備

1.1 試樣制備

本文采用人工制樣方法制備層狀巖體直剪試樣。選取32.5號(hào)普通水泥作為膠結(jié)材料[11-12]，選取黃砂作為骨料材料，制作水泥砂漿模擬基巖；以環(huán)氧樹(shù)脂為主要膠凝材料制備人造粘結(jié)劑[13-15]，以模擬復(fù)合層狀巖體的層間粘結(jié)效果，同時(shí)通過(guò)摻加一定比例的弱化材料以調(diào)制出具備不同粘結(jié)強(qiáng)度的人工粘結(jié)劑。通過(guò)先制備相同尺寸的水泥砂漿薄板，用人造粘結(jié)劑將薄板層層粘貼，待固化穩(wěn)定后按特定角度進(jìn)行切割打磨，制備出具備不同層理傾角的層狀類(lèi)巖體試樣。試樣制備過(guò)程如圖1所示。

圖1 層狀類(lèi)巖體試樣制備流程圖落

根據(jù)試驗(yàn)方案，本試驗(yàn)的試樣主要分為三類(lèi)：1 cm厚層理間距下采用強(qiáng)力人工粘結(jié)劑的S類(lèi)試樣；1 cm厚層理間距下采用弱力人工粘結(jié)劑的W類(lèi)試樣；2 cm厚層理間距下采用強(qiáng)力人工粘結(jié)劑的B類(lèi)試樣。每種試樣制備出7種不同層理傾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)。切割打磨完成后的層狀巖體直剪試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，不同類(lèi)別層狀巖體試樣成品如圖2所示。

圖2 層狀類(lèi)巖體直剪試驗(yàn)試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次直剪試驗(yàn)在YZW50型微機(jī)控制電動(dòng)應(yīng)力式直剪儀上進(jìn)行。設(shè)備法向和切向最大壓力為500 kN，切向速度可調(diào)范圍為0.1 kN/s～20 kN/s，本文試驗(yàn)采用位移控制加載方式，加載速率為0.01 mm/s。在試驗(yàn)的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集法向與切向的力和位移等數(shù)據(jù)，軟件控制界面可以實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)的壓力-時(shí)間曲線(xiàn)。直剪試樣受力情況如圖3所示。

圖3 直剪試驗(yàn)試樣受力圖

2 直剪試驗(yàn)

由于在W類(lèi)試樣中層理傾角為45°～75°時(shí)的單軸壓縮抗壓強(qiáng)度較低，因此在進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，為保證在施加法向壓力荷載時(shí)試樣不被壓壞，45°和75°試樣的法向壓力σn依次取為2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、6.0 MPa，60°試樣的法向壓力依次取為2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、5.0 MPa，W類(lèi)其他層理傾角的試樣以及S類(lèi)和B類(lèi)的所有層理傾角的試樣的法向壓力都依次取為2.0 MPa、3.0 MPa、5.0 MPa、10.0 MPa。試驗(yàn)時(shí)，首先施加豎向荷載，法向荷載按0.2 kN/s的速率加載至目標(biāo)值；在目標(biāo)值處保持穩(wěn)定后，以位移控制施加水平切向荷載，控制速率為0.01 mm/s；當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值、跌落并達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度后停止加載，終止試驗(yàn)。

2.1 層狀巖體直剪剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)

不同層理傾角下的S類(lèi)、W類(lèi)和B類(lèi)試樣在不同法向壓力作用下的剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線(xiàn)如圖4—圖6所示，限于篇幅，這里只展示0°、30°、60°以及90°層理傾角下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)。每組層理傾角下的試樣都進(jìn)行4組不同法向壓力下的直剪試驗(yàn)(試驗(yàn)失敗或試驗(yàn)結(jié)果誤差較大的情形標(biāo)記為缺失，如圖6中B類(lèi)試樣下60°層理傾角下法向壓力σn=3 MPa的試驗(yàn)結(jié)果缺失)。

圖4 S類(lèi)試樣不同層理傾角下剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)

圖5 W類(lèi)試樣不同層理傾角下剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)

圖6 B類(lèi)試樣不同層理傾角下剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)

從圖4—圖6中可以看出，S類(lèi)、W類(lèi)和B類(lèi)試樣在不同條件下的剪切峰值強(qiáng)度及峰后的殘余強(qiáng)度都隨著法向壓力的增大而相應(yīng)的增加，且其剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)的總體變化趨勢(shì)大致類(lèi)似，其基本特點(diǎn)為：

(1) 擠密階段。在加載初期，曲線(xiàn)斜率非常小，此階段剪切位移增加較快，而剪應(yīng)力變化很緩慢，當(dāng)剪切位移增加到一定階段時(shí)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)的斜率突然增大。這是由于剪切盒與試樣之間、或試樣內(nèi)部存在一定的間隙，在施加剪切力之后，間隙被擠密，形成了初期整體曲線(xiàn)斜率較小的非線(xiàn)性變化階段。而每個(gè)試樣的幾何尺寸的偏差導(dǎo)致其與剪切盒之間的間隙大小不同，使得初期擠密階段的程度大小不同。有的試樣幾乎不存在加載初期的擠密階段，而有的試樣初期的擠密階段非常明顯。

(2) 峰前彈性階段。在此階段，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)的斜率突然增大，隨后保持不變，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)近似為直線(xiàn)型，其剪切變形仍為彈性變形，此階段的斜率定義為試樣的切向剛度Ks。隨著剪切位移的增大，剪切應(yīng)力穩(wěn)定上升，此階段試樣暫無(wú)微裂紋形成。除開(kāi)壓密階段，大部分試樣在不同法向壓力下的峰前階段的斜率基本相同。

(3) 峰前彈塑性階段。在該階段，剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)的彈性變化結(jié)束，曲線(xiàn)斜率逐漸偏離直線(xiàn)，由陡變緩而達(dá)到峰值強(qiáng)度，試樣內(nèi)部隨機(jī)分布的微裂紋開(kāi)始穩(wěn)定擴(kuò)展，并開(kāi)始產(chǎn)生宏觀(guān)裂紋，此時(shí)試樣產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形。

(4) 峰后軟化階段。此階段為宏觀(guān)裂隙形成與擴(kuò)展階段，在微裂紋發(fā)展到一定程度后，宏觀(guān)上就會(huì)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂隙，且隨著剪切位移的增加，宏觀(guān)上的裂隙開(kāi)始擴(kuò)展、交匯，并逐步貫通形成斷裂帶。剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)的斜率由正變負(fù)，剪應(yīng)力發(fā)生急劇下降，產(chǎn)生了應(yīng)力跌落現(xiàn)象，呈現(xiàn)明顯的軟化特征。

(5) 殘余強(qiáng)度階段。在宏觀(guān)裂隙貫通形成斷裂帶后，隨著剪切位移的增加，試樣斷裂帶的上下兩部分會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移或錯(cuò)動(dòng)，該階段中剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)比較平緩，進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，為巖石剪切強(qiáng)度的滑動(dòng)弱化現(xiàn)象。這時(shí)，試樣雖然已受到剪切破壞，但剪切面仍有一定的摩擦強(qiáng)度。

相對(duì)于其他層理傾角，層理傾角為0°時(shí)的試樣在直剪時(shí)的預(yù)設(shè)剪切面就是層理，因此其得到的是層理的剪切力學(xué)參數(shù)。其在不同法向壓力作用下的曲線(xiàn)峰值后的應(yīng)力跌落現(xiàn)象更突出，剪應(yīng)力強(qiáng)度的突然跌落是由于發(fā)生了突然完全克服層理黏聚力的作用，而發(fā)生了層理的滑動(dòng)破壞。

2.2 層狀巖體抗剪強(qiáng)度的各向異性特征

本文通過(guò)4組不同法向壓力下的直剪試驗(yàn)獲得試樣的峰值抗剪強(qiáng)度，采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則可計(jì)算出不同層理傾角條件下的等效黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，如圖7所示。該準(zhǔn)則認(rèn)為在法向壓力較小時(shí)，抗剪強(qiáng)度與法向壓力近似為線(xiàn)性關(guān)系：

τ=σntanφ+c

(1)

圖7 摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)

通過(guò)在不同的法向壓力作用下得到不同的峰值抗剪強(qiáng)度，則該兩個(gè)應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)(σ1，τ1)、(σ2，τ2)的連線(xiàn)與τ軸截距視為黏聚力c，連線(xiàn)與σ軸的夾角視為內(nèi)摩擦角φ。

圖8為3類(lèi)試樣下的不同層理傾角試樣在不同法向壓力作用下的摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)。

圖8 3類(lèi)試樣中摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)

不同層理傾角條件下的直剪結(jié)果線(xiàn)性擬合后的結(jié)果如圖9和10所示。從圖9和圖10中可以看出，3種層理?xiàng)l件下的試樣的等效黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著層理傾角的變化而變化，表現(xiàn)出一定的各向異性，且根據(jù)不同的層理間距及層理力學(xué)強(qiáng)弱表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

圖9 3類(lèi)試樣等效黏聚力隨層理傾角的變化趨勢(shì)

圖10 3類(lèi)試樣等效內(nèi)摩擦角隨層理傾角的變化趨勢(shì)

2.3 層理特性對(duì)層狀巖體剪切強(qiáng)度特性的影響

2.3.1 層理傾角對(duì)層狀巖體剪切強(qiáng)度特性的影響

3類(lèi)試樣在不同層理傾角條件下，其剪切特性都表現(xiàn)出一定的各向異性。理論上講，對(duì)于層理傾角為0°的試樣，獲得的抗剪強(qiáng)度為層理的抗剪強(qiáng)度；而層理傾角為90°的試樣，剪切時(shí)受層理影響最小，其抗剪強(qiáng)度應(yīng)最接近基巖材料的抗剪強(qiáng)度。而從圖8中可以看出，對(duì)于W類(lèi)試樣而言，基巖之間由較弱的B類(lèi)人工粘結(jié)劑粘貼，其抗剪強(qiáng)度在0°時(shí)最小；對(duì)于B類(lèi)試樣和S類(lèi)試樣而言，其最小抗剪強(qiáng)度卻在60°左右取得。證明層理對(duì)層狀巖體抗剪強(qiáng)度的弱化影響不僅在于層理自身較弱的力學(xué)特性，同時(shí)也與層理傾角密切相關(guān)。層理傾角較大的試樣在剪切加載過(guò)程中，破裂后的不同傾角的層理將層狀巖體隔斷成相互平行的基巖薄板，使其相對(duì)易于被剪斷，在層理傾角為60°左右時(shí)，層理傾角對(duì)層狀巖體的抗剪強(qiáng)度的弱化效應(yīng)達(dá)到最大。

2.3.2 層理間距對(duì)層狀巖體剪切強(qiáng)度特性的影響

B類(lèi)試樣與S類(lèi)試樣具有相同的層理強(qiáng)度，對(duì)比B類(lèi)試樣和S類(lèi)試樣的試驗(yàn)結(jié)果可以分析層理間距對(duì)層狀巖體剪切強(qiáng)度特性的影響。

從圖9和圖10中可以看出，不同層理傾角下的B試樣與S試樣的等效黏聚力幾乎完全吻合，表明層理間距對(duì)層狀巖體的等效黏聚力的影響不大。這是因?yàn)?，本文中層間粘結(jié)強(qiáng)度與巖層強(qiáng)度接近。

同時(shí)，B類(lèi)試樣與S類(lèi)試樣的等效內(nèi)摩擦角隨著層理傾角的變化趨勢(shì)相同，都呈先增大、后減小再增大的變化趨勢(shì)；在小層理傾角(β=0°～30°)以及大層理傾角(β=75°～90°)下，兩者的等效內(nèi)摩擦角相近，在中間層理傾角 (β=30°～75°)時(shí)，S類(lèi)試樣的等效內(nèi)摩擦角要明顯高于B類(lèi)試樣。這是因?yàn)?，在小層理傾角時(shí)，層理在直剪過(guò)程中的預(yù)設(shè)剪切破壞面的投影很大，此時(shí)，層理上的摩擦特性在整個(gè)試樣的摩擦特性中仍占主導(dǎo)作用，層理的數(shù)量，即層理的間距對(duì)其的影響并不大；同時(shí)，在大層理傾角時(shí)，試樣在直剪過(guò)程中的摩擦力也幾乎完全由基巖材料承擔(dān)，因此不同的層理間距對(duì)其也幾乎沒(méi)有影響；而中間層理間距時(shí)，層狀試樣在直剪過(guò)程中容易先發(fā)生沿層理的滑移破壞，最終預(yù)設(shè)剪切帶附近會(huì)形成鋸齒破壞面，層理間距越小，其鋸齒破壞面的粗糙程度越大，因而其等效內(nèi)摩擦角越大。

2.3.3 層理強(qiáng)度對(duì)層狀巖體剪切強(qiáng)度特性的影響

S類(lèi)試樣與W類(lèi)試樣具有相同的層理間距，對(duì)比S類(lèi)試樣和W類(lèi)試樣的試驗(yàn)結(jié)果可以分析層理強(qiáng)度對(duì)層狀巖體剪切強(qiáng)度特性的影響。

如圖9和圖10中所示，相對(duì)于層理間距，層理強(qiáng)度對(duì)層狀巖體試樣的等效黏聚力及等效內(nèi)摩擦角都有很大的影響?？傮w來(lái)說(shuō)，W類(lèi)試樣的抗剪力學(xué)參數(shù)大部分都明顯弱于S類(lèi)試樣。W類(lèi)試樣的等效黏聚力隨層理傾角的變化趨勢(shì)為先增大、后減小再增大，明顯弱于S類(lèi)試樣；在層理傾角為90°時(shí)，兩者的等效黏聚力相近，因?yàn)榇藭r(shí)層理對(duì)層狀巖體的剪切力學(xué)特性的影響最小。相對(duì)的，S類(lèi)和W類(lèi)試樣的等效內(nèi)摩擦角隨層理傾角的變化趨勢(shì)相同，且W類(lèi)試樣在層理傾角為0°～30°以及75°～90°時(shí)的等效內(nèi)摩擦角都要小于S類(lèi)試樣，而在45°時(shí)則明顯高于S類(lèi)試樣。這可能是因?yàn)?5°層理傾角下的W類(lèi)試樣在剪切過(guò)程中，相對(duì)于S類(lèi)試樣，其層理更容易發(fā)生破裂，導(dǎo)致其剪切破壞區(qū)域更大、剪切帶的粗糙程度更大，因而導(dǎo)致其在45°時(shí)的等效內(nèi)摩擦角高于S類(lèi)試樣。

3 層狀巖體直剪破壞形態(tài)

本文所制的3類(lèi)層理特性試樣的破壞形態(tài)在外觀(guān)上并無(wú)明顯差異，因此這里只羅列W試樣在不同層理傾角條件下的破壞形態(tài)。圖11為W試樣在3 MPa法向壓力下的各不同層理傾角下的破壞形態(tài)。如圖11所示，不同層理傾角下，層狀類(lèi)巖體試樣的破裂形態(tài)可以大致分為四類(lèi)，具體破壞形態(tài)特征分析如下：

(1) 層理傾角為0°試樣的直剪完全是層理的剪切，因此，其破壞形態(tài)主要為沿層理的滑移破壞，破裂面非常平整。

(2) 層理傾角為15°和30°試樣的破裂面比較平整。由于剪切面與層理的夾角較小，試樣在剪切破壞時(shí)，容易沿著層理破裂，如15°試樣右半側(cè)的破壞主要是沿著層理，與左側(cè)的水平破裂面連接，形成貫通整個(gè)試樣的破裂面。此時(shí)試樣的剪切破壞主要為沿基巖剪斷破壞和沿層理滑移破壞的復(fù)合破壞。

(3) 層理傾角為45°～75°試樣在剪切過(guò)程中的破裂面不再平整，而是在剪切過(guò)程中產(chǎn)生了不同程度的剪切破壞區(qū)域。其剪切破壞區(qū)域的大小主要受層理傾角的影響，在試樣中部會(huì)觀(guān)察到發(fā)生了明顯的層理開(kāi)裂現(xiàn)象，再由開(kāi)裂層理的末端發(fā)生基巖的剪斷破壞。在45°層理傾角條件下其開(kāi)裂的寬度最大，剪切破壞區(qū)域最大，破裂粗糙程度也最大。此時(shí)試樣的破壞模式主要為沿層理的張拉破壞和基巖體的剪斷破壞的復(fù)合破壞。

(4) 層理傾角為90°試樣的剪切破壞主要為沿著基巖體的剪斷破壞。由于層理傾角較大，試樣在剪切過(guò)程中的水平剪切推力在層理方向的分量過(guò)小，使其不足以克服層理粘結(jié)力作用而發(fā)生沿層理的滑移破壞。

圖11 層狀類(lèi)巖體試樣不同層理傾角下的破壞形態(tài)圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)人工制備不同層理?xiàng)l件下的層狀巖體試樣，開(kāi)展不同層理特性下的層狀類(lèi)巖體直剪試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1) 隨著層理傾角的增大，層狀類(lèi)巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的變化趨勢(shì)，在30°左右取極大值，在60°左右取極小值。

(2) 在本文的層間粘結(jié)強(qiáng)度條件下，層理間距對(duì)層狀巖體的剪切力學(xué)特性的影響較??；層理粘結(jié)強(qiáng)度的降低會(huì)整體弱化各層理傾角下層狀類(lèi)巖體試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。層狀巖體的抗剪強(qiáng)度受層理的弱化影響主要來(lái)源于層理自身較弱的力學(xué)特性和層理傾角效應(yīng)兩個(gè)方面。在層理傾角為60°左右時(shí)，層理傾角對(duì)層狀巖體的抗剪強(qiáng)度的弱化效應(yīng)達(dá)到最大。

(3) 層狀巖體的直剪破壞形態(tài)隨層理傾角的不同可以歸納為4種：β=0°時(shí)，完全沿層理的滑移破壞；β=15°～30°時(shí)，破裂面較為平整，為沿基巖剪斷破壞和沿層理滑移破壞的復(fù)合破壞；β=45°～75°時(shí)，破裂面不再平整，形成剪切破壞區(qū)域帶，為沿層理的張拉和基巖體的剪斷的復(fù)合破壞；β=90°時(shí)，主要為沿著基巖體的剪斷破壞。