單軸壓縮條件下層狀砂巖各向異性力學特征

宋 斌

(中鐵西北科學研究院有限公司西南分院，四川成都 610031)

層狀巖體具體明顯的各向異性的物理力學性質特征，對大部分涉及巖體工程來說，其力學性質是設計論證和安全性的基礎[1-2]。因此，層狀巖體的變形特性、強度特性、破壞特征的各向異性一直是巖石力學界和工程技術界關注的問題[3-4]。目前，國內外巖石力學工作者對巖石的各向異性特征進行了大量研究并且取得一些成果。例如，NIANDOU等[5]采用Tournemire頁巖，通過三軸壓縮試驗對其彈性應變、塑性變形和破壞模式進行了各向異性研究，并將其破裂模式分為剪切破壞和張拉破壞；TIEN等[6]基于原來的Jaeger準則和擴展的Jaeger準則，用巖石的7個材料參數對橫觀各向同性巖體提出了一種新的破壞準則；王少杰、彭建文等[7-8]運用理論分析和數值模擬方法研究了節理巖體的宏觀力學行為，論述了節理巖體的各向異性強度準則。王聰聰[9]選用層理比較明顯的板巖進行單軸壓縮試驗，分析力學參數的變化規律，揭示了層理是板巖力學參數、強度特性及破裂模式呈現各向異性的重要原因；陳天宇[10]通過室內試驗，獲取了黑色頁巖的各向異性聲波波速、力學性質變化規律以及壓縮變形破壞特征。

本文基于成都龍泉驛地區明顯層狀砂巖為研究對象，通過室內單軸壓縮試驗，研究不同層理條件下的物理力學性質的各向異性變化規律，為相關工程設計論證和安全性評價提供了新思路，新依據。

1 試驗制樣及設備

1.1 試驗制樣

試驗樣品為成都龍泉驛地區侏羅系紅色層狀砂巖，所取試樣具有明顯的沉積層理。定義試樣層理角度α為第一主應力加載方向與試樣沉積層理面之間的夾角。分別沿0 °、30 °、45 °、60 °、90 °的方向制備出具備不同層理角度α的砂巖試樣，試樣為直徑50 mm、高度100 mm的標準圓柱試樣，2個端面磨石機磨平，直至巖樣直徑誤差在0.3 mm以內，端面不平行度誤差不大于0.05 mm。巖樣制備完畢后于室內條件下自然干燥96 h。

1.2 試驗設備

本次試驗采用微機控制電液伺服試驗機，測試精度高，性能穩定。在試驗過程中采用軸向力控，加載速率為50 N/s。在試驗的過程中，系統會自動采集法向力、法向位移等數據，軟件控制界面可實時顯示法向壓力-時間曲線。為了得到試樣壓縮破壞的全過程應力-應變曲線，采用位移控制的加載方式，加載速率為0.01 mm/s。在法向壓力達到峰值強度后，且試樣破壞形態已明顯表現出來時，終止加載。

2 試驗成果及分析

2.1 成果統計

為了降低試驗離散性，每組試樣不少于4個，對于由于其它因素影響而導致試驗失敗的，可以增加補充試驗。將試驗結果剔除過高、偏低不合理數據，符合試驗要求的數據進行平均值計算統計，其成果如表1所示。

表1 砂巖單軸壓縮試驗結果

2.2 強度(σ)分析

繪制在不同傾角α的單軸抗壓強度曲線圖，如圖1所示。單軸抗壓強度隨著傾角α的增加而呈現先減小后增大，具有明顯的“U”變化規律，在層理面傾角α為0 °和90 °時最高，在45 °左右達到最小值，比值為2.51。將單軸抗壓強度σ同層理面傾角α進行二次函數擬合得到的關系式具有一定的精度。不同傾角α可根據該擬合函數關系式求的，作為相關工程的設計、評價參考.

圖1 彈性模量隨層理面傾角的變化

2.3 彈性模量(E)分析

根據試驗成果繪制砂巖不同傾角α單軸壓縮條件下的彈性模量圖(圖2)。單軸壓縮條件下彈性模量隨著層理面傾角增加呈現先減小后增加。在傾角α為30～40 °段內出現最小值約為16.52 GPa，傾角α為0 °，60 °時彈性模量為22.0 GPa附近，兩者近似相等。當傾角α為90 °時，彈性模量最大，為27.87 GPa，是最小值的1.69。通過擬合彈性模量和傾角α的二次關系式可獲取不同傾角條件下的砂巖彈性模量。

圖2 彈性模量隨層理面傾角的變化

2.4 泊松比(μ)分析

根據試驗成果繪制砂巖不同傾角α單軸壓縮條件下的泊松比圖(圖3)。單軸壓縮條件下砂巖的泊松比隨著層立面傾角α的增加而增加，在0～30 °段增加較緩，30～90 °增加較快，最大、最小泊松比為1.42。

圖3 泊松比與層理面傾角的關系

2.5 破壞特征分析

傾角α為0 °時，試樣在試驗過程中發生中部貫穿層理張拉破壞，并且平行層理面有部分剪切滑移；傾角α為30 °和45 °時，試樣主要形成沿著單一層理弱面發生剪切滑移；傾角α為60 °時，試樣形成基質體和層理弱面共同控制的沿層理面的剪切破壞和貫穿層理弱面的張拉復合型破壞；傾角α為90 °時，試樣則形成由層理弱面主控的平行層理面的張拉劈裂破壞。

3 結論

(1)層狀砂巖單軸抗壓強度隨著傾角α的增加而呈現先減小后增大，具有明顯的“U”變化規律，在層理面傾角α為0 °和90 °時最高，在45 °左右達到最小值；彈性模量隨著層理面傾角增加呈現先減小后增加，在傾角α為30～40 °段內出現最小值，90 °時最大；泊松比隨著層立面傾角α的增加而增加，在0～30 °增加較緩，30～90 °增加較快。

(2)試樣破壞的模式主要是層理的傾角控制，隨著傾角α的增大，破壞模式依次為貫穿層理張拉破壞、沿著層面的滑移破壞、剪切和張拉符合破壞以及張拉劈裂破壞。

(3)通過試驗成果分析，表明層狀砂巖具有明顯的各項異性的力學性質特征，同時對成果進行了相應的關系式擬合，因此針對不同傾角α的參數都可以計算獲得，為相關的工程論證設計、安全評價等提供了可靠的依據。