黃界海, 李小龍, 胡國慶, 張文媛, 鄭劉根, 趙 田, 姜春露

(1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601;2.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)實驗室, 安徽 合肥 230601;3.無為華塑礦業(yè)有限公司, 安徽 無為 238300)

1 前言

由于巖體在漫長且復(fù)雜的地質(zhì)作用下,天然的形成了不同尺度下的裂隙,如巖層的斷層、宏觀下的節(jié)理裂隙、細(xì)觀下的孔裂隙和裂紋、微觀下的分子或者原子之間的離散。

這些不同尺度下的裂隙之間的相互作用對巖石的物理力學(xué)強(qiáng)度和變形破壞方式有著重要的影響,且微觀結(jié)構(gòu)的變化直接體現(xiàn)在宏觀物理力學(xué)強(qiáng)度上。因此開展巖石在不同尺度下的力學(xué)特征研究,有利于定性、定量分析出微細(xì)觀與宏觀之間的關(guān)系,為工程實踐提供依據(jù)。

大量的研究表明,巖石微觀結(jié)構(gòu)是影響宏觀破壞的重要因素之一,同時也是巖土工程上主要研究的課題之一。目前對于巖石宏觀破壞機(jī)理研究,普遍采用從微觀角度出發(fā),利用掃描電鏡、CT掃描、原子力顯微鏡、X射線粉晶衍射、巖石壓縮變形力學(xué)試驗機(jī)等研究。李冰洋等[1]通過礦物物相分析、SEM電鏡掃描等對隧道頁巖力學(xué)強(qiáng)度研究,認(rèn)為巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化能夠影響到巖石宏觀力學(xué)特征;時賢等[2]利用CT掃描、掃描電鏡、X射線粉晶衍射技術(shù)、劃痕和單軸實驗,發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育的頁巖存在不同力學(xué)響應(yīng)模式,同時隨著圍壓的增大,其力學(xué)參數(shù)也不斷增大;左羅等[3]通過對頁巖巖體礦物組分、CT掃描和三軸試驗,發(fā)現(xiàn)剪切和拉伸復(fù)合破壞為該研究區(qū)深層頁巖的主要破壞模式;解經(jīng)宇等[4]利用掃描、原子力顯微鏡和巖石壓縮試驗機(jī)等,發(fā)現(xiàn)頁巖非均質(zhì)性會影響力學(xué)性質(zhì),且微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育程度會影響巖石單軸力學(xué)強(qiáng)度。

由于學(xué)者多集中于對油田、隧道和深層處頁巖微宏觀力學(xué)特征研究,對露天礦區(qū)頁巖研究較少,本文以楊家?guī)X礦區(qū)北坡滑坡體頁巖為研究對象,通過室內(nèi)試驗探究出邊坡巖石力學(xué)特征,研究主要從微宏觀出發(fā),包括巖石組成成分、微觀結(jié)構(gòu),單軸和三軸壓縮變形試驗,其結(jié)果可為礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

楊家?guī)X礦區(qū)北坡位于無為縣石澗鎮(zhèn)潘家大山北麓,屬于逆向坡,巖層厚度屬中薄層,在150 m平臺可見巖石破碎程度高,整個10 m左右的巖層表現(xiàn)出水平方向的波狀起伏的現(xiàn)象,巖層受到剪切作用明顯,發(fā)生巖石脫落的現(xiàn)象較多,巖體結(jié)構(gòu)松散。

研究區(qū)巖性為二疊系孤峰組的頁巖,其顏色為灰黑、深黑色且夾少量薄層,分布于采礦場中部,厚54 m,現(xiàn)場情況如圖1所示。與棲霞組呈假整合接觸關(guān)系。其節(jié)理較為發(fā)育,且無明顯層理結(jié)構(gòu)。

圖1 北坡頁巖波狀巖層

2 頁巖物理力學(xué)特征研究方法

2.1 XRD物相分析

將采集的北坡頁巖巖樣粉碎,篩至200目,利用X射線衍射粉晶衍射對巖石樣品中物相進(jìn)行鑒別,得出頁巖所含礦物成分的含量占比。

2.2 掃描電鏡試驗

將不同破壞狀態(tài)下的頁巖沿著平行斷口面切割成小塊樣品,制成規(guī)格大小為0.6 mm×0.6 mm×0.2 mm ,并將試樣用導(dǎo)電膠黏于樣品臺進(jìn)行真空鍍膜[5],利用Regulus-8230超高分辨掃描電子顯微鏡對頁巖進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

2.3 不同加載速率單軸壓縮試驗

所選的巖樣制成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體試樣,其大小尺寸規(guī)格50 mm×100 mm,直徑和高度誤差范圍為±1 mm。將所制的巖石樣品在MTS816型電液伺服控制試驗機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試,試驗采用位移控制法,連續(xù)加載直至巖樣破壞,且選用3種不同加載速率進(jìn)行巖樣壓縮試驗,分別為0.005、0.03、0.3 mm/min,為了降低試驗數(shù)據(jù)的誤差,每組進(jìn)行3個試樣試驗,取平均值。

2.4 三軸壓縮變形試驗

試樣標(biāo)準(zhǔn)和實驗設(shè)備同上,圍壓按等差梯度級0、2、4、6、8 MPa進(jìn)行設(shè)取,當(dāng)圍壓達(dá)到至預(yù)定值的同時,軸向以0.03 mm/min加載速率進(jìn)行加載,直至試樣達(dá)到破壞。

3 巖石力學(xué)特征研究結(jié)果及分析

3.1 巖石物相分析

通過XRD對巖石物相分析,頁巖主要礦物含量見表1。由表1試驗結(jié)果可知,北坡頁巖組成成分主要是碎屑礦物和黏土礦物,碎屑礦物主要是石英,含量平均約為47.15%,其次為白云母、鈉長石和白云石;黏土礦物主要是伊利石,含量平均約為18.85%,其次含有少量的綠泥石和高嶺石。從該研究區(qū)頁巖成分中看,其黏土礦物中伊利石、綠泥石和高嶺石,具有一定的吸水性,水在浸入巖石后,巖屑與黏土礦物組成的膠結(jié)物在浸水后易溶解流失,巖石結(jié)構(gòu)變得松散,使得巖石在破壞過程中的裂隙壓密、內(nèi)部摩擦滑動將會變少[6],會弱化宏觀上巖石物理力學(xué)強(qiáng)度。 頁巖礦物成分鑒定結(jié)果如圖2所示。

表1 頁巖主要礦物含量 %

圖2 頁巖礦物成分鑒定結(jié)果圖

3.2 掃描電鏡試驗

圖3所示為放大5 000倍頁巖微觀展布。由圖3可知,將頁巖放大5 000倍,可以看出各礦物之間的分布具有較大的非均質(zhì)性,此性質(zhì)使得研究區(qū)頁巖表現(xiàn)出各向異性。伊利石成塊狀分布在巖石內(nèi)部,粒狀的石英顆粒多數(shù)附著在片狀的云母上,兩者相互依存。云母的排列較為緊密,其表面夾雜著若干個礦物顆粒。

圖3 放大5 000倍頁巖微觀展布

圖4所示為放大5 000倍頁巖裂紋和裂隙分布。由圖4可知,頁巖在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu),且各礦物之間排列較為緊密,微觀結(jié)構(gòu)表面分布著不同粒徑的碎屑顆粒物。片狀云母之間存在微裂紋和孔洞,孔洞直徑約為0.61～4.01 μm,裂紋長度約為1.09～2.95 μm,這些微裂紋和孔洞的存在,削弱了頁巖內(nèi)部的連接力,這可能導(dǎo)致巖石的抗壓強(qiáng)度降低和變形的增大。

圖4 放大5 000倍頁巖裂紋和裂隙分布

3.3 不同加載速率單軸壓縮試驗

通過實驗,研究區(qū)頁巖密度為2.69 g/cm3,不同加載速率頁巖單軸測試強(qiáng)度結(jié)果見表2。由表2試驗結(jié)果可知,不同加載速率下各組頁巖巖石試樣平均抗壓強(qiáng)度為10.12～48.58 MPa,平均彈性模量為6.06～16.83 GPa。

表2 不同加載速率頁巖單軸測試強(qiáng)度結(jié)果

圖5所示為不同加載速率下部分軸向應(yīng)力與應(yīng)變曲線圖,從圖中可以看出,不同加載速率下曲線為典型的塑-彈-塑性變化曲線,各組抗壓試驗共經(jīng)歷了四個階段,分別為孔隙壓密、彈性變形、屈服、破壞階段。隨著加載率的增加,頁巖峰值應(yīng)變逐漸變小,巖石加載速率越小時,曲線越平緩,使得曲線斜率越小,即巖石彈性模量越小,反之則越大。加載速率在0.03和0.3 mm/min時試樣的屈服階段無明顯出現(xiàn)。

圖5 不同加載速率下單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 抗壓強(qiáng)度、彈性模量與加載速率關(guān)系曲線

不同加載速率下巖石破壞后照片如圖7所示。由圖7可知,巖石破壞程度隨著加載速率增大而增大,在0.005 mm/min下頁巖破壞裂紋局部發(fā)展;0.03 mm/min下出現(xiàn)較明顯的裂紋,但未貫通整個巖石,結(jié)合實際情況,該速率更具有代表性;0.3 mm/min下出現(xiàn)貫通整個巖石裂紋破壞。各組加載率下頁巖出現(xiàn)較多近乎垂直的不規(guī)則裂紋,破壞形式為脆性張拉破壞。

圖7 不同加載速率下巖石破壞后照片

3.4 三軸壓縮變形試驗

巖石在三向應(yīng)力條件下,其材料物理力學(xué)強(qiáng)度會同時受到來自軸向和橫向圍壓的影響[9-10]。本試驗采用不同圍壓下,分析巖石隨圍壓變化,其強(qiáng)度變化特征。然狀態(tài)下頁巖三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。由圖8天然狀態(tài)下頁巖三軸試驗變化曲線可知,不同圍壓下,頁巖塑性屈服階段未明顯發(fā)生,其在峰值后發(fā)生脆性破壞。

圖8 天然狀態(tài)下頁巖三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

為了更好的對比不同含水狀態(tài)下頁巖的巖石力學(xué)特征,根據(jù)工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn),本試驗結(jié)果見表3。結(jié)果表明,隨著圍壓的增大,頁巖的峰值抗壓強(qiáng)度也隨之增大,天然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度變化范圍為30.92～75.44 MPa,飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度變化范圍為23.10～63.89 MPa,平均下降15.31%～25.29%,天然狀態(tài)下頁巖平均黏聚力為5.31 MPa,飽水為4.43 MPa,下降了16.57%左右,天然狀態(tài)下平均內(nèi)摩擦角為44.75,飽水平均為41.79。

表3 頁巖三軸試驗結(jié)果

根據(jù)莫爾-庫倫強(qiáng)度理論計算出巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角,頁巖天然狀態(tài)下平均為5.31 MPa、44.75°。

根據(jù)公式:

(1)

式中:α為剪切破壞面與最小主應(yīng)力的傾角;φ為內(nèi)摩擦角。

因此,頁巖的破壞傾角約為67.38°。

通過三軸實驗結(jié)果,結(jié)合頁巖微觀特征可知,巖石內(nèi)部存在原生裂隙與裂縫,水在浸入后,巖屑與粘土礦物組成的膠結(jié)物在浸水后易溶解流失,巖石結(jié)構(gòu)變得松散,使得巖石在破壞過程中的裂隙壓密、內(nèi)部摩擦滑動將會變少[11-12],會弱化宏觀上巖石的物理力學(xué)強(qiáng)度。飽水狀態(tài)時,巖石內(nèi)部黏聚力、剪切模量等有著較明顯的損傷弱化效果[13-14]。巖石發(fā)生脆性破壞,但由于隨著圍壓的介入,使的巖石微裂縫閉合,抑制了其橫向變形,增強(qiáng)了巖石的強(qiáng)度。

3.5 頁巖破壞變形分析

通過引入峰值、損傷和起裂的應(yīng)力與應(yīng)變,分析出天然狀態(tài)下頁巖力學(xué)強(qiáng)度和變形參數(shù)隨著圍壓變化情況。頁巖三軸力學(xué)參數(shù)如圖9所示,圖中σa和εa為主應(yīng)力峰值和對應(yīng)的應(yīng)變值;圖中σb和εb為損傷應(yīng)力和對應(yīng)的應(yīng)變值;圖中εi為εc與標(biāo)準(zhǔn)線的差值;圖中δc為巖石裂紋起裂臨界應(yīng)力;圖中εc為相對壓縮應(yīng)變值[15],以此表示巖石起裂臨界應(yīng)變值,其公式為

圖9 頁巖三軸力學(xué)參數(shù)示意圖

(2)

頁巖天然狀態(tài)下試驗結(jié)果見表。由表4可知,頁巖的峰值應(yīng)力、裂紋損傷臨界應(yīng)力、起裂臨界應(yīng)力和泊松比隨著圍壓的增大而增大。根據(jù)公式,可計算出巖石的峰值強(qiáng)度(σTP)、損傷強(qiáng)度(σTb)和起裂強(qiáng)度(σTd),其公式為

表4 頁巖天然狀態(tài)下試驗結(jié)果

σTP=σa+σ3

σTb=σb+σ3

σTd=σd+σ3

(3)

頁巖強(qiáng)度變化擬合曲線如圖10所示,由圖可知,隨著圍壓的增大,三者強(qiáng)度也隨之增大,通過線性擬合的斜率,峰值強(qiáng)度為5.11、損傷強(qiáng)度為6.34、起裂強(qiáng)度為4.35,其擬合程度分別為0.93、0.99、0.98。由此可以得出頁巖的損傷強(qiáng)度受圍壓的變化最為明顯,同時也反映出三者對圍壓的敏感程度,依次為損傷強(qiáng)度>峰值強(qiáng)度>起裂強(qiáng)度。隨著巖石壓力和體積壓縮變形不斷地增大,頁巖的裂紋損傷強(qiáng)度對圍壓最為敏感,在試驗表現(xiàn)出,“砰的一聲”但由于峰值強(qiáng)度對圍壓表現(xiàn)較為敏感,伴隨著軸向壓力不斷地增大,頁巖峰值強(qiáng)度也趨于不斷增大,直至試樣破壞。

圖10 頁巖強(qiáng)度變化擬合曲線圖

頁巖應(yīng)變變化曲線如圖11所示,由圖11可知,隨著圍壓的增大,巖石損傷和起裂應(yīng)變,先增大、其次減小后增大;峰值應(yīng)變則是先減小后增大。從曲線變化幅度可以看出,損傷和起裂應(yīng)變對圍壓的敏感程度遠(yuǎn)小于峰值應(yīng)變。造成損傷強(qiáng)度和和峰值應(yīng)變受圍壓影響大的主要原因是巖石內(nèi)部存在較多微裂隙和孔洞。

圖11 頁巖應(yīng)變變化曲線圖

4 結(jié)論

通過對頁巖礦物組成成分、微觀結(jié)構(gòu)、單軸和三軸壓縮變形試驗,探討了微宏觀下巖石物理力學(xué)特征,所得結(jié)論如下:

(1)頁巖主要由碎屑礦物石英和黏土礦物伊利石、少量綠泥石和高嶺石組成,具有一定的吸水性;在微觀結(jié)構(gòu)下,各組分礦物排列具有一定方向性,整體呈片狀結(jié)構(gòu),并含有直徑約為0.61～4.01 μm 的原生孔洞,長度約為1.09～2.95 μm 的裂紋,其礦物組分和微觀缺陷可能導(dǎo)致巖石的抗壓強(qiáng)度降低和變形增大。

(2)單軸壓縮試驗下,軸向加載速率在0.03 mm/min下更符合實際情況;頁巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量與加載速率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,其擬合關(guān)系式可為頁巖本構(gòu)模型研究提供一定的參考;巖石破壞程度隨著加載速率增大而增大,其破壞形式為脆性張拉破壞。

(3)三軸壓縮試驗下,頁巖抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大,平均黏聚力和內(nèi)摩擦角為5.31 MPa、44.75°,飽水狀態(tài)下頁巖抗壓強(qiáng)度平均下降了15.31%～20.40%、黏聚力下降了16.57%左右,其破壞傾角為67.38°,巖石發(fā)生脆性剪切破壞。

(4)在強(qiáng)度變化下,頁巖損傷強(qiáng)度受圍壓影響最為明顯,其敏感程度依次為損傷強(qiáng)度>峰值強(qiáng)度>起裂強(qiáng)度;在應(yīng)變變化下,頁巖峰值應(yīng)變受圍壓影響最為明顯;造成兩者的主要原因是巖石內(nèi)部存在的微裂隙和孔洞。