層理特性對層狀巖體剪切力學特性的影響研究

夏 磊，姚勁松，蔣 磊

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司， 湖北 武漢 430010；2.中機中聯工程有限公司， 重慶 400039)

近年來，鑒于美國頁巖氣革命的成功，頁巖氣油氣資源的勘探開發成為我國研究的熱點。而頁巖氣是一種非常規能源，其儲層載體——頁巖具備顯著的層狀特性。層狀構造賦予層狀巖體強烈的力學各向異性，其在物理力學性質及破壞機制上所體現出來的各向異性會直接影響頁巖氣開采的效率。

Tien等[1]用不同材料進行層狀類巖石材料人工制樣，開展單軸及三軸壓縮試驗，證明其力學特性與天然層狀巖體相似，以此為基礎擴展了Salamons模型[2]，提出考慮層間不充分粘結時層狀巖體本構模型。何沛田等[3]將黑灰色鈣質頁巖制成長方體試件進行單軸壓縮試驗，結果表明頁巖塊極限抗壓強度受層理結構面控制。梁正召等[4]基于RFPA2D數值模擬軟件，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，提出對橫觀各向同性巖體破壞準則的研究必須考慮層理傾角的影響，針對不同的破壞方式應采用不同的破壞準則。何忠明等[5]通過室內試驗研究，分析層狀巖體的變形以及強度特征，得出90°傾角試樣的抗壓強度明顯大于0°傾角試樣。熊良宵等[6]以錦屏Ⅱ級水電站綠片巖和大理巖互層的層狀巖體為研究對象開展蠕變特性試驗，試驗表明當互層狀巖體中大理巖夾層的體積含量相同時，0°傾角試樣的破壞強度大于90°傾角試樣。李銀平等[7]開展鹽巖試樣、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，研究了湖北云應鹽礦深部層狀鹽巖，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場直剪試驗為依據，結合數值試驗方法，引入結構面產狀影響系數來度量層狀巖體抗剪強度各向異性。

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

1 直剪試驗試樣制備

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號普通水泥作為膠結材料[11-12]，選取黃砂作為骨料材料，制作水泥砂漿模擬基巖；以環氧樹脂為主要膠凝材料制備人造粘結劑[13-15]，以模擬復合層狀巖體的層間粘結效果，同時通過摻加一定比例的弱化材料以調制出具備不同粘結強度的人工粘結劑。通過先制備相同尺寸的水泥砂漿薄板，用人造粘結劑將薄板層層粘貼，待固化穩定后按特定角度進行切割打磨，制備出具備不同層理傾角的層狀類巖體試樣。試樣制備過程如圖1所示。

圖1 層狀類巖體試樣制備流程圖落

根據試驗方案，本試驗的試樣主要分為三類：1 cm厚層理間距下采用強力人工粘結劑的S類試樣；1 cm厚層理間距下采用弱力人工粘結劑的W類試樣；2 cm厚層理間距下采用強力人工粘結劑的B類試樣。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，不同類別層狀巖體試樣成品如圖2所示。

圖2 層狀類巖體直剪試驗試樣

1.2 試驗設備

本次直剪試驗在YZW50型微機控制電動應力式直剪儀上進行。設備法向和切向最大壓力為500 kN，切向速度可調范圍為0.1 kN/s～20 kN/s，本文試驗采用位移控制加載方式，加載速率為0.01 mm/s。在試驗的過程中，系統會自動采集法向與切向的力和位移等數據，軟件控制界面可以實時顯示對應監測的壓力-時間曲線。直剪試樣受力情況如圖3所示。

圖3 直剪試驗試樣受力圖

2 直剪試驗

由于在W類試樣中層理傾角為45°～75°時的單軸壓縮抗壓強度較低，因此在進行直剪試驗時，為保證在施加法向壓力荷載時試樣不被壓壞，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類其他層理傾角的試樣以及S類和B類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。試驗時，首先施加豎向荷載，法向荷載按0.2 kN/s的速率加載至目標值；在目標值處保持穩定后，以位移控制施加水平切向荷載，控制速率為0.01 mm/s；當剪應力達到峰值、跌落并達到穩定的殘余強度后停止加載，終止試驗。

2.1 層狀巖體直剪剪應力-剪切位移曲線

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

圖4 S類試樣不同層理傾角下剪應力-剪切位移曲線

圖5 W類試樣不同層理傾角下剪應力-剪切位移曲線

圖6 B類試樣不同層理傾角下剪應力-剪切位移曲線

從圖4—圖6中可以看出，S類、W類和B類試樣在不同條件下的剪切峰值強度及峰后的殘余強度都隨著法向壓力的增大而相應的增加，且其剪應力-剪切位移曲線的總體變化趨勢大致類似，其基本特點為：

(1) 擠密階段。在加載初期，曲線斜率非常小，此階段剪切位移增加較快，而剪應力變化很緩慢，當剪切位移增加到一定階段時，剪應力-剪切位移曲線的斜率突然增大。這是由于剪切盒與試樣之間、或試樣內部存在一定的間隙，在施加剪切力之后，間隙被擠密，形成了初期整體曲線斜率較小的非線性變化階段。而每個試樣的幾何尺寸的偏差導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，剪切應力-剪切位移曲線的斜率突然增大，隨后保持不變，剪切應力-剪切位移曲線近似為直線型，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，剪切應力穩定上升，此階段試樣暫無微裂紋形成。除開壓密階段，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，剪應力-剪切位移曲線的彈性變化結束，曲線斜率逐漸偏離直線，由陡變緩而達到峰值強度，試樣內部隨機分布的微裂紋開始穩定擴展，并開始產生宏觀裂紋，此時試樣產生了不可逆轉的塑性變形。

(4) 峰后軟化階段。此階段為宏觀裂隙形成與擴展階段，在微裂紋發展到一定程度后，宏觀上就會出現肉眼可見的裂隙，且隨著剪切位移的增加，宏觀上的裂隙開始擴展、交匯，并逐步貫通形成斷裂帶。剪應力-剪切位移曲線的斜率由正變負，剪應力發生急劇下降，產生了應力跌落現象，呈現明顯的軟化特征。

(5) 殘余強度階段。在宏觀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出現相對滑移或錯動，該階段中剪應力-剪切位移曲線比較平緩，進入殘余強度階段，為巖石剪切強度的滑動弱化現象。這時，試樣雖然已受到剪切破壞，但剪切面仍有一定的摩擦強度。

相對于其他層理傾角，層理傾角為0°時的試樣在直剪時的預設剪切面就是層理，因此其得到的是層理的剪切力學參數。其在不同法向壓力作用下的曲線峰值后的應力跌落現象更突出，剪應力強度的突然跌落是由于發生了突然完全克服層理黏聚力的作用，而發生了層理的滑動破壞。

2.2 層狀巖體抗剪強度的各向異性特征

本文通過4組不同法向壓力下的直剪試驗獲得試樣的峰值抗剪強度，采用摩爾-庫侖準則可計算出不同層理傾角條件下的等效黏聚力c和內摩擦角φ，如圖7所示。該準則認為在法向壓力較小時，抗剪強度與法向壓力近似為線性關系：

τ=σntanφ+c

(1)

圖7 摩爾-庫侖強度包絡線

通過在不同的法向壓力作用下得到不同的峰值抗剪強度，則該兩個應力狀態點(σ1，τ1)、(σ2，τ2)的連線與τ軸截距視為黏聚力c，連線與σ軸的夾角視為內摩擦角φ。

圖8為3類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-庫侖強度包絡線。

圖8 3類試樣中摩爾-庫侖強度包絡線

不同層理傾角條件下的直剪結果線性擬合后的結果如圖9和10所示。從圖9和圖10中可以看出，3種層理條件下的試樣的等效黏聚力和內摩擦角都隨著層理傾角的變化而變化，表現出一定的各向異性，且根據不同的層理間距及層理力學強弱表現出不同的變化趨勢。

圖9 3類試樣等效黏聚力隨層理傾角的變化趨勢

圖10 3類試樣等效內摩擦角隨層理傾角的變化趨勢

2.3 層理特性對層狀巖體剪切強度特性的影響

2.3.1 層理傾角對層狀巖體剪切強度特性的影響

3類試樣在不同層理傾角條件下，其剪切特性都表現出一定的各向異性。理論上講，對于層理傾角為0°的試樣，獲得的抗剪強度為層理的抗剪強度；而層理傾角為90°的試樣，剪切時受層理影響最小，其抗剪強度應最接近基巖材料的抗剪強度。而從圖8中可以看出，對于W類試樣而言，基巖之間由較弱的B類人工粘結劑粘貼，其抗剪強度在0°時最小；對于B類試樣和S類試樣而言，其最小抗剪強度卻在60°左右取得。證明層理對層狀巖體抗剪強度的弱化影響不僅在于層理自身較弱的力學特性，同時也與層理傾角密切相關。層理傾角較大的試樣在剪切加載過程中，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，使其相對易于被剪斷，在層理傾角為60°左右時，層理傾角對層狀巖體的抗剪強度的弱化效應達到最大。

2.3.2 層理間距對層狀巖體剪切強度特性的影響

B類試樣與S類試樣具有相同的層理強度，對比B類試樣和S類試樣的試驗結果可以分析層理間距對層狀巖體剪切強度特性的影響。

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，表明層理間距對層狀巖體的等效黏聚力的影響不大。這是因為，本文中層間粘結強度與巖層強度接近。

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

2.3.3 層理強度對層狀巖體剪切強度特性的影響

S類試樣與W類試樣具有相同的層理間距，對比S類試樣和W類試樣的試驗結果可以分析層理強度對層狀巖體剪切強度特性的影響。

如圖9和圖10中所示，相對于層理間距，層理強度對層狀巖體試樣的等效黏聚力及等效內摩擦角都有很大的影響。總體來說，W類試樣的抗剪力學參數大部分都明顯弱于S類試樣。W類試樣的等效黏聚力隨層理傾角的變化趨勢為先增大、后減小再增大，明顯弱于S類試樣；在層理傾角為90°時，兩者的等效黏聚力相近，因為此時層理對層狀巖體的剪切力學特性的影響最小。相對的，S類和W類試樣的等效內摩擦角隨層理傾角的變化趨勢相同，且W類試樣在層理傾角為0°～30°以及75°～90°時的等效內摩擦角都要小于S類試樣，而在45°時則明顯高于S類試樣。這可能是因為45°層理傾角下的W類試樣在剪切過程中，相對于S類試樣，其層理更容易發生破裂，導致其剪切破壞區域更大、剪切帶的粗糙程度更大，因而導致其在45°時的等效內摩擦角高于S類試樣。

3 層狀巖體直剪破壞形態

本文所制的3類層理特性試樣的破壞形態在外觀上并無明顯差異，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。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。如圖11所示，不同層理傾角下，層狀類巖體試樣的破裂形態可以大致分為四類，具體破壞形態特征分析如下：

(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，容易沿著層理破裂，如15°試樣右半側的破壞主要是沿著層理，與左側的水平破裂面連接，形成貫通整個試樣的破裂面。此時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合破壞。

(3) 層理傾角為45°～75°試樣在剪切過程中的破裂面不再平整，而是在剪切過程中產生了不同程度的剪切破壞區域。其剪切破壞區域的大小主要受層理傾角的影響，在試樣中部會觀察到發生了明顯的層理開裂現象，再由開裂層理的末端發生基巖的剪斷破壞。在45°層理傾角條件下其開裂的寬度最大，剪切破壞區域最大，破裂粗糙程度也最大。此時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，試樣在剪切過程中的水平剪切推力在層理方向的分量過小，使其不足以克服層理粘結力作用而發生沿層理的滑移破壞。

圖11 層狀類巖體試樣不同層理傾角下的破壞形態圖

4 結 論

本文通過人工制備不同層理條件下的層狀巖體試樣，開展不同層理特性下的層狀類巖體直剪試驗，結論如下：

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

(2) 在本文的層間粘結強度條件下，層理間距對層狀巖體的剪切力學特性的影響較小；層理粘結強度的降低會整體弱化各層理傾角下層狀類巖體試樣的抗剪強度參數。層狀巖體的抗剪強度受層理的弱化影響主要來源于層理自身較弱的力學特性和層理傾角效應兩個方面。在層理傾角為60°左右時，層理傾角對層狀巖體的抗剪強度的弱化效應達到最大。

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