武當群片巖物理力學特性試驗研究

鄒　浩

(湖北省地質局第三地質大隊，湖北 黃岡　438000)

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道路工程

武當群片巖物理力學特性試驗研究

鄒浩

(湖北省地質局第三地質大隊，湖北 黃岡438000)

摘要：通省隧道是十(堰)房(縣)高速公路的控制性工程，隧道建設期間不同程度地遇到了縱向裂縫、鋼拱架被剪斷等變形破壞問題，這些問題的出現與該地區分布的武當群片巖具有的特殊物理力學特性密切相關。為弄清該類片巖的特性，選取通省隧道掌子面的武當群片巖，對其進行室內X衍射礦物分析、物性試驗、三種片理傾角(0°、45°、90°)的力學試驗。

關鍵詞：武當群片巖；物理力學；特性破壞形態

1引言

在工程活動早期，人們把巖體看成一種材料，當作連續介質處理，把材料力學中發展起來的連續介質力學直接用來分析一切巖體力學問題。在大量的試驗和實踐基礎上，人們逐漸認識到巖體力學性質主要受巖體結構控制，并提出了巖體結構的概念，認為巖體是由巖塊和結構面組成，結構面的組合關系構成巖體結構。正是由于巖體結構的存在，使得巖體的力學性質具有顯著的各向異性，也是巖體區別于巖石的最大特征。對巖體各向異性的研究實際上就是以結構面性質研究為基礎，研究結構面空間展布對巖體整體力學性質的影響，即所謂的“結構面效應”。由于自然界大量存在含原生結構面的巖體，如沉積巖中層狀構造的砂巖、頁巖，變質巖中的片巖、千枚巖等，研究者對含原生結構面的巖體進行了大量的試驗研究。

Pinto對片巖進行了室內試驗和現場單軸壓縮試驗，結果表明片巖的彈性模量、泊松比和體積膨脹率隨著最大主應力與片理的夾角變化，片巖具有明顯各向異性。Amadei對砂巖進行了單軸壓縮試驗，并對彈性各向異性參數的室內和現場試驗方法及其變化規律進行了總結。Liao對泥質板巖進行了直接拉伸試驗，并計算了泥質板巖橫觀各向同性的5個彈性參數，并提出了利用超聲波確定橫觀各向異性巖石動彈性參數的方法和理論，對泥質板巖進行了試驗。Nasseri等對四種不同的片巖進行了單軸壓縮和三軸試驗，詳細研究了變形參數與弱面傾角和圍壓的關系。Ramamurthy總結了巖石彈性變形各向異性特征的變化規律。

2試驗設計

試驗設計是為了達到研究目的，對試驗的內容、流程以及數據資料分析的整體安排。一方面，試驗的內容應該盡可能的完整，試驗的數量應盡可能的豐富，以保證試驗數據的完整性以及可信度；另一方面，試驗不僅受到時間、精力以及試驗經費的限制，而且受到現場取樣條件的限制，因此，試驗設計需要找到兩者的平衡。針對武當群片巖的物理力學性質安排了常規物理力學試驗，而對武當群片巖的各向異性則安排了不同角度的力學試驗。片巖各向異性試驗設計見表1。

表1　片巖各向異性試驗設計

試驗流程如下。

(1)取樣及制樣

片巖試樣均取自通省隧道的掌子面，制樣時按照切割方向(也是主應力的加載方向)與片理垂直、平行及45°斜交加工成三組50.00×100.00 mm的圓柱體試樣。(本文采用地質定義的傾角α描述試驗中片理的產狀)。

(2)物理性質試驗

對制取好的試樣進行物性試驗，采用量積法測取片巖巖塊密度，采用真空抽氣法測定片巖飽和吸水率，試驗過程嚴格按照《公路工程巖石試驗規程》(JTG E41-2005)進行，并取部分代表性巖樣進行X衍射礦物分析。另外，對試樣進行波速試驗，試驗過程中由試樣兩端的探頭發射和接受縱波，根據時差計算得到縱波波速。

(3)力學試驗

根據片巖物理性質試驗結果，對垂直(α=0°)、斜交(α=45°)、平行(α=90°)三組片巖試樣進行組間整理，將物理性質相近的試驗作為一組力學試樣，以此減小試驗結果的差異性。對平行、斜交、垂直三組片巖進行單軸壓縮試驗和在5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa圍壓下進行三軸壓縮試驗。對試驗結果進行整理，得到片巖力學參數及其各向異性特征。見圖1。

圖1　不同片理傾角的片巖試樣

3試驗結果分析

3.1X衍射礦物成分分析

礦物分析試驗采用荷蘭帕納科公司生產的X-射線衍射儀進行礦物成分和能譜分析。TS-K9為通省隧道進口段掌子面巖塊，該處片理發育，層間結合差，片理微張，層間光滑、手搓具有滑膩感；TS-Y6為通省隧道出口段掌子面巖塊，該處為灰白色巖樣，片理發育，但層間結合較進口段稍好，層間稍具顆粒感；TS-10M為通省隧道出口段掌子面發育的條帶狀軟弱泥化夾層，呈土狀，手能搓成粉末。三組試樣的礦物成分相對含量見表2、波譜特征見圖2。

圖2　隧道區片巖礦物能譜圖

礦物分析的結果表明：通省隧道的武當群片巖主要礦物成分為石英、長石、伊利石、綠泥石，相對含量在隧道不同區段有一定變化。進口段片巖中綠泥石含量較高，因綠泥石是層狀礦物，強度不高，所以進口段的巖體質量較差；出口段片巖中石英的含量較高，因石英的強度高，所以出口段的巖體質量較好。與此同時，出口段片巖中伊利石的含量也很高，伊利石是粘土礦物，強度低、遇水軟化且具有膨脹性，所以出口段的巖體遇水后巖體質量將迅速變差。

表2　隧道區片巖礦物成分及含量

3.2片巖物性試驗結果分析

通過密度試驗、吸水性試驗，測得武當群片巖的物理水理參數見表3。

表3　武當群片巖物理水理參數

通過波速試驗，得到α=0°(垂直于片理)、α=45°(斜交于片理)、α=90°(水平于片理)三組試驗天然及飽和時候的波速結果，見表4。

圖3為波速與片理傾角α的關系。從圖中可以看出，片巖波速具有明顯的各向異性，波速隨著傾角的增大而減小，在α=90°時波速最大(天然狀態下4 218.00 m/s、飽和狀態下5 339.38 m/s)，而在α=0°時波速最小(天然狀態下2 419.63 m/s、飽和狀態下4 629.50 m/s)。飽和狀態下波速較天然狀態下有大幅增加，但飽和狀態下的各向異性則有明顯的下降。波速的各向異性反映的是片巖自身結構的各向異性，當α=90°時，波速儀探頭發射的縱波傳播方向平行于片理，傳播過程中縱波受到的阻礙最小，因而波速最大；當α=0°時，縱波傳播方向垂直于片理，縱波受到的阻礙最大，因而波速最小。在飽和狀態下，水充填了巖石中的空隙，且縱波在水中的波速遠大于空氣中，因而弱化了片巖反映的各向異性。

圖3　武當群片巖波速隨片理傾角的變化情況

片理傾角α/°試樣編號天然波速/(m/s)飽和波速(m/s)天然波速均值/(m/s)飽和波速均值/(m/s)0°ts1-11-52037.504464.002419.634629.50ts1-21-62092.004495.00ts1-11-82501.004752.00ts1-11-62538.504752.00ts1-12-72695.504587.00ts5-11-32868.004752.0045°ts5-12-82708.004346.003093.444641.75ts5-11-52776.504464.00ts2-11-73140.504919.00ts2-11-83168.004892.00ts2-22-33522.004629.00ts2-22-13642.504726.00

續表4

3.3片巖力學試驗結果分析

(1)應力-應變曲線

武當群片巖的應力-應變曲線如圖5所示。總體上，不同片理傾角的片巖應力-應變曲線基本上是相同的，都反映出應變軟化的特性，具有巖石應力應變曲線的5個階段：壓密階段、彈性階段、塑性階段、應變軟化階段、摩擦階段。壓密階段，曲線呈上凹形，應變速率隨著應力的增加而減小；彈性階段，曲線基本呈直線形，應力與應變的比值基本呈常數；塑性階段，曲線呈下凹形，應變速率隨著應力的增加而增加，并逐漸達到峰值；應變軟化階段，應力超過峰值后，隨著應變的增加，應力發生急劇的減小，發生“應力跌落”；在摩擦階段，應力隨著應變的增加逐漸穩定。隨著圍壓的增大，片巖峰值增大，而摩擦階段的應力增大不明顯。

圖4　武當群片巖應力應變曲線

注：曲線中a表示單軸壓縮，b表示圍壓為5 MPa，c表示圍壓為10 MPa，d表示圍壓為15 MPa，e表示圍壓為20 MPa

(2)破壞形態

武當群片巖單軸及三軸試樣破壞形態如圖5～6所示，可以歸納為三種破壞形態。

①劈裂破壞

劈裂破壞主要發生在0 MPa圍壓下加載方向與片理方向平行(片理傾角α=90°)的情況(圖5(e)～(f))，該破壞形態以縱向裂紋貫穿導致試樣破壞為主要特征。通常認為，單軸壓縮條件下縱向裂紋是由于試樣內部平行于加載方向的微裂紋尖端拉應力過大產生的，在試驗過程中，由于片理平行于加載方向，片理尖端拉應力過大產生了縱向裂紋，片巖會產生幾條平行的縱向裂紋，隨著加載應力增大，縱向裂紋發展并貫穿，導致試樣破壞。

圖5　武當群片巖單軸壓縮試樣破壞形態

②沿片理剪切破壞

沿片理剪切破壞主要發生在0～20 MPa圍壓下加載方向與片理方向斜交(片理傾角α=45°)的情況(圖5(c)～(d)、圖6(c)～(d))，該破壞形態以產生一條沿著片理貫穿試樣的主剪切面導致試樣破壞為主要特征。α=45°時，片理面的強度較小，而片理面上的剪應力τ和正應力σ組合也較為不利，因而α=45°片巖的破壞主要由片理面強度控制。另外，除了沿片理產生一條貫穿試樣的主剪切面外，部分試樣還產生了共軛的次剪切面，主次兩條剪切面貫通(或部分貫通)，但仍以主剪切面為主要特征。

③貫穿片理剪切破壞

貫穿片理剪切破壞主要產生在5～20 MPa圍壓下片理傾角α=90°(圖6(e)～(f))和0～20 MPa圍壓下片理傾角α=0°(圖5(a)～(b)、圖5(a)～(b))的情況，該破壞形態以產生一條貫穿片理的主剪切面導致試樣破壞為主要特征。該破壞形態不同于第②種，不是由片理面強度控制，而是由試樣中極薄層片巖塊強度控制，破壞發生在剪應力τ和正應力σ組合最不利的位置。除了主剪切面外，部分試樣還產生了共軛次剪切面，個別試樣還生產了縱向裂紋，這些次剪切面和縱向裂紋與主剪切面或貫通或部分貫通，加速了試樣的破壞，但仍以主剪切面為主要特征。

圖6　武當群片巖三軸壓縮試樣破壞形態

注：從左向右圍壓依次為5MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa

(3)力學參數

圖7、圖8分別為天然狀態、飽和狀態下武當群片巖彈性模量與片理傾角的關系。從圖中可以看出：無論是天然還是飽和狀態，武當群片巖的彈性模量都在α=45°時最小，而在α=90°時最大，在α=0°時彈性模量處于中間值。由此可知：武當群片巖的各向異性十分顯著。除天然狀態圍壓0 MPa彈性模量偏大、飽和狀態圍壓5 MPa彈性模量偏小外，武當群片巖的彈性模量基本呈現隨圍壓增大而增大的趨勢，但是增大的幅度有限。另外，從圖中還可以看出，飽和狀態下彈性模量較天然狀態小，減小的幅度分別為：α=0°為36%，α=45°為61%，α=90°為24%。

圖7　天然狀態下武當群片巖彈性模量與片理傾角關系

圖8　飽和狀態下武當群片巖彈性模量與片理傾角關系

圖9為武當群片巖泊松比與片理傾角的關系。由圖9可知：泊松比在α=45°時最大，在α=90°時最小，而在α=0°時處于中間值，也顯示出武當群片巖顯著的各向異性。另外，圖中也顯示出，飽和狀態下泊松比較天然狀態下大，幅度分別為：α=0°為1%，α=45°為5%，α=90°為24%。

圖9　武當群片巖泊松比與片理傾角關系

圖10、圖11為天然狀態、飽和狀態下武當群片巖的抗壓強度與片理傾角的關系。從圖中也可以看出，武當群片巖的的抗壓強度隨著片理傾角變化呈現先減小后增大的趨勢，在α=90°時取得最大值，在α=45°時取得最小值，在α=0°取得中間值，顯示出片巖明顯的各向異性。圖中顯示，片巖抗壓強度隨著圍壓的增加而明顯增加。

圖10　天然狀態下武當群片巖抗壓強度與片理傾角關系

綜上所述，武當群片巖的力學性能可歸納為三個特點：①各向異性明顯：隨著片理傾角α的變化，片巖力學性能也會變化，在α=90°時力學性能最好，在α=45°時力學性能最差，而在α=0°時力學性質中等；②圍壓效應：隨著圍壓的增大，彈性模量、抗壓強度都會增大，片巖力學性能得到提升；③軟化效應：飽和狀態下片巖力學性能要差于天然狀態。

圖11　飽和狀態下武當群片巖抗壓強度與片理傾角關系

4結論

通過對武當群片巖進行室內X衍射礦物分析、物性試驗、三種片理傾角(0°、45°、90°)的力學試驗，得到結論如下。

(1)通省隧道區的武當群片巖主要礦物成分為石英、長石、伊利石、綠泥石，相對含量在隧道不同區段有一定變化。進口段片巖中綠泥石的含量較高，巖體質量偏差；出口段片巖由于石英的含量偏高，巖體質量較好。與此同時，出口段片巖中伊利石的含量較高，遇水后巖體質量容易變差。

(2)武當群片巖的主要物理性質指標為：天然密度2.690 g/cm3，飽和密度2.695 g/cm3，飽和吸水率1.002%。縱波波速試驗結果表明：在片理傾角為90°(波速方向與片理方向平行)時，波速最大，而在片理傾角為0°(波速方向與片理方向垂直)時，波速最小，武當群片巖具有顯著的各向異性。

(3)武當群片巖應力應變曲線具有5個階段，其中應變軟化階段具有應力跌落的現象，表明武當群片巖是應變軟化材料。片巖試樣的破壞形態主要有劈裂破壞、沿片理面剪切破壞以及貫穿片理面破壞三種類型。片巖的力學性能具有各向異性明顯、圍壓效應、飽和效應三種效應。

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收稿日期：2016-02-08

作者簡介：鄒浩(1983-)，男，湖北公安人，研究方向：巖土體穩定性評價與防治。

基金項目：變質巖區深埋長大隧道支護效果與關鍵技術研究，項目編號：2010-353-342-260。

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)06-0001-05

A experimental study on physical and mechanical characteristics of the wudang group schists

ZOU Hao

(Third Geological Team of Hubei Geological Bureau, Huanggang, Hubei 438000，China)

Abstract:Tong province tunnel controls the project progress of ShiFangEressway. During the construction of the tunnel, it met different degrees of deformation failure problems such as longitudinal cracks and steel arch ribs be cut, the emergence of these problems are closely related with the special physical and mechanical characteristics of the Wudang group schists which distributed in the region. To clarify the characteristics of this kind of schist, this paper selects the Wudang Group Schists at tunnel face of Tong province tunnel, carries on the analysis of indoor X diffraction mineral, physical property test and mechanical test of three kinds of schistosity angle which are 0°、45°and 90°.

Keywords:wudang group schistsphysical and mechanical characteristicsthe destruction shape