各向異性巖石抗壓強度及彈性模量研究

黃本柱

（安徽省地質測繪技術院， 安徽 合肥 230001）

1 概述

巖石的力學性質是工程地質中高度關注的問題，而巖石的結構構造特征對其力學性質有著重要的影響。自然界中廣泛發育各向異性巖石，如頁巖、薄層砂巖、千枚巖、片巖、片麻巖、糜棱巖等，針對這些巖石進行了大量的力學性質研究實驗（Nasseri et al.，2003；Agliardi et al.，2014；Cho et al.，2014；Liu et al.，2017；Garcia-Fernandez et al.，2018），以往的研究均認為該類型巖石存在兩個方向上的各向異性，分別是垂直面理方向及平行面理方向。而千枚巖、片巖、片麻巖、糜棱巖等巖石以發育面理及礦物拉伸線理構造為特征，該特征造成該類型巖石為三個方向的各向異性特征（見圖1-4），分別為平行面理且平行礦物拉伸線理方向（X）、平行面理且垂直礦物拉伸線理方向（Y）及垂直面理方向（Z）（見圖1），而關于三個方向各向異性巖石力學性質的研究以往并沒有報導。

近年來，國內外學者對各向異性力學特性進行了較多的研究。趙文瑞（1984）通過層狀砂巖單軸抗壓強度試驗研究發現，當層狀巖石的弱面與主應力成30°角時，巖樣強度最低；席道瑛等（1995）分析得到了橫觀各向同性介質中波速的變化規律，并通過層狀砂巖進行了測試驗證；曾紀全等（2001）對泥質粉砂巖、泥質灰巖和石膏模型試件進行了試驗研究，分析了結構面傾角對層狀、似層狀巖體變形和強度參數的影響；A.Tavallali and A.Vervoort（2010）對層狀砂巖進行了劈裂試驗，得到了層狀砂巖抗拉強度與層理角度的關系；高春玉等（2011）對平行層理和垂直層理方向的砂板巖進行了三軸試驗，發現2 種層理角度巖樣的力學特性和變形破壞特征差異顯著；李國權等（2011）通過抗壓試驗和抗拉試驗，分析了板巖的抗壓、抗拉強度的各向異性，并總結了相關的破壞模式；劉勝利等（2012）通過試驗研究了綠泥石片巖的各向異性特征。Cho et al.（2014）通過單軸壓縮和巴西劈裂試驗，研究了片麻巖、頁巖和片巖的各向異性特性；鄧華鋒等（2016）設計、進行了考慮不同層理角度的層狀砂巖巴西圓盤劈裂試驗，發現層狀巖體抗拉強度的各向異性特點非常明顯，并將其破壞模式歸納為直線型、折線型和弧型三種類型等等。上述研究成果為巖體各向異性力學特性分析奠定了較好的基礎，但相關研究中主要著重于分析層狀或者面狀巖石的各向異性，而對存在面理上的礦物拉伸線理以忽略。

圖1 糜棱巖樣品野外特征及其構造示意圖

基于以上，本次研究取樣于郯廬斷裂帶肥東雜巖段。該地區主要為二長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖。大橫山巖段主要含角閃斜長片麻巖、二云片巖、白云石英片巖、二云斜長片麻巖等（安徽省地質礦產局，1987），經歷了中生代郯廬斷裂帶強烈的左行走滑活動（Zhu et al.，2005；Zhao et al.，2014，2016），發育了大量的糜棱巖剪切帶（見圖1-1，1-2，1-3）。該糜棱巖存在典型的面理及礦物拉伸線理構造（見圖1-2，圖1-4）。

2 試驗原理與過程

2.1 實驗原理

本文選用糜棱巖，無節理裂隙等缺陷。制作平行面理平行線理方向（X）、平行面理垂直線理方向（Y）、垂直面理方向（Z）三種方向上的巖樣，經過切割、打磨，將采集到的巖石加工成Φ43 mm×80 mm（高）的圓柱體試樣。巖石的抗壓強度的計算公式如下：

式中：R為巖石的抗壓強度，MPa；P為試件破壞時的荷載，N；A為試件的截面積，mm2。

因制作的巖石試樣非標準圓柱體試件，試驗后抗壓強度試驗值按照規范條文說明中公式進行換算，公式為了便于對單軸抗壓強度的試驗結果作統計分析，應將任意高徑比的抗壓強度值R按下式換算成高徑比為2:1 的標準抗壓強度值R1。

巖石的變形模量計算公式如下：

式中：σ 為應力，MPa；P為與所測各組應變值相應的荷載，N；A為試件的截面積，m。

繪制應力與縱向應變及橫向應變關系曲線，在應力與縱向應變關系曲線上找出加載最大值的0.8倍和0.2 倍的點，并作割線，以該割線的斜率表示該試件的彈性模量，按式以下計算，試驗結果精確至100 MPa。

式中：E為彈性模量，MPa；σ0.8、σ0.2分別為加載最大值的0.8 倍和0.2 倍時的試件應力，MPa；ε0.8，ε0.2為應力為σ0.8、σ0.2時的縱向應變值，MPa。

2.2 試驗過程

本文對這些巖樣進行單軸壓縮試驗。本次單軸壓縮力學試驗是在長春市朝陽試驗儀器有限公司研制的微機控制電液伺服巖石三軸試驗機上進行。該試驗儀器是專為巖土類工程材料進行力學性能試驗而設計的，包括加壓系統、動力系統、數據采集系統和冷卻系統，還包括一些輔助配件。該系統含有多種試驗功能，可本試驗只進行單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗。

本實驗采用位移控制加載方式，加載速率控制在0.5 MPa/s。把準備好的巖石試樣放在試驗機上，在上端加一個剛性墊塊，然后以保持不變的加載速率沿軸向方向施加荷載，直至巖石試樣破壞。采用垂直位移傳感器，測試軸向變形。通過試驗獲得巖石試樣的單軸抗壓強度和彈性模量等變形參數。

圖2 糜棱巖樣品處理過程與壓裂圖

3 試驗結果與分析

3.1 位移—負荷曲線

巖石單軸壓縮試驗提供了豐富的基礎資料，巖石類型不同、內部結構差異會導致不同的巖石存在不同的位移—負荷曲線，也反映了巖石的力學響應。本次試驗進行較為順利，其部分式樣破壞位移—負荷曲線見圖3。

巖樣受力后，隨著壓力不斷增加，其變形破壞是一個逐漸發展過程，可分為3 個階段：

1）壓密階段。為組成礦物之間的緊密接觸，試件中原有的張開性結構面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形。

2）彈性變形至微破裂穩定發展階段。隨壓力增加，巖石被壓密后，變形隨應力成比例增加。試件內出現新的微破裂，曲線出現微小的彎曲，是較平靜的變形破壞階段。

3）破壞后階段。此時荷載達到峰值強度，內部結構完全破壞，但試件仍基本保持整體狀。裂隙快速發展、交叉且相互聯合形成宏觀斷裂面，試件承載力隨變形增大而迅速下降。

圖3 巖石樣品負荷- 位移曲線圖

3.2 糜棱巖抗壓強度曲線及彈性模量曲線

通過試驗獲得數據并計算得到如表1 結果，并得出圖4 數據分析圖。

表1 糜棱巖抗壓強度和彈性模量數據

試驗結果表明：糜棱巖的抗壓強度范圍為79～124 MPa，具有較明顯的各向異性特征。抗壓強度從高到低依次為Z方向＞Y方向＞X方向，其中垂直面理方向遠高于平行面理方向，而平行面理方向上礦物拉伸線理的存在對其影響較小。糜棱巖彈性模量分布在1.01×104～1.56×104MPa，同樣具有較明顯的各向異性特征。變形模量從高到低依次為X方向＞Y方向＞Z方向，其中平行面理平行線理方向遠高于其他兩個方向，礦物拉伸線理的存在對其影響較為顯著。

圖4 糜棱巖抗壓強度和彈性模量圖

4 結論

1）糜棱巖抗壓強度具有明顯的各向異性特征。抗壓強度從高到低依次為Z方向＞Y方向＞X方向。

2）糜棱巖彈性模量具有較明顯的各向異性特征。彈性模量從高到低依次為X方向＞Y方向＞Z方向。

3）糜棱巖的面理和礦物拉伸線理影響了巖石的力學性質。該結果不僅增加了人們對各向異性巖石的力學性質的認識，同時也為工程建設提供了一些指導意義。