風化作用下層狀板巖I型斷裂特性試驗研究

李二強，張龍飛，趙寧寧，朱天宇，張洪昌，馮吉利

(1. 洛陽理工學院土木工程學院，河南洛陽，471000；2. 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京，100083；3. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京，100083)

層狀巖體分布廣泛，層狀頁巖、板巖、煤巖等均因具有顯著層理特征而被視為橫觀各向同性巖體[1-5]，其斷裂破壞一直是該領域的重要研究課題。按照裂紋表面位移擴展方式，將裂紋斷裂分為張拉(I型)、滑剪(Ⅱ型)、拉剪撕開(Ⅲ型)3種擴展模式。巖石作為耐壓不耐拉的材料，其Ⅰ型斷裂一直是國內外研究的熱點和難點。例如，在建蘭海(蘭州—海口)高速岷縣木寨嶺隧道等就涉及板巖的破碎及穩定控制問題。在隧道支護過程中，巖石往往產生拉伸斷裂破壞，故明確其抗拉強度和張拉斷裂性質對指導工程實踐具有重要意義。

國內學者針對片麻巖、頁巖、層狀砂巖等開展了系統的試驗和理論研究。TAVALLALI 等[6]對層狀砂巖等進行了離散元分析，發現室內試驗結果與巖樣破壞形態計算結果具有一致性。HUA等[7]發現層狀砂巖抗壓及抗拉強度隨層理狀態變化明顯，Ⅰ型和Ⅱ型斷裂韌度隨著干濕循環次數增加而不斷劣化，且Ⅱ型比Ⅰ型斷裂的韌度劣化更為顯著。呂有廠[8]對3種典型層理狀態的頁巖試件進行了不同加載速率下的三點彎曲斷裂韌性試驗，系統研究了不同加載速率和層理變化下頁巖的I型斷裂韌性發展規律。衡帥等[9]在研究頁巖單軸和三軸壓縮力學特性和巖體破裂各向異性基礎上，通過三點彎曲和巴西劈裂試驗研究了張拉作用下不同層理方位頁巖裂縫的擴展演化形態。GHOLAMI等[10]對不同層理傾角板巖進行了巴西劈裂和單軸壓縮試驗，獲得了板巖破壞模式、抗拉強度和抗壓強度等力學參數的各向異性特征。ALAM 等[11]對加拿大板巖的彈性模量、泊松比、抗壓強度、拉伸強度和平面應變斷裂韌度等物理力學性能進行了試驗研究。CHEN等[12]對天然和飽和狀態下炭質板巖進行了單軸和三軸壓縮試驗，研究了圍壓和含水量對力學性能、裂紋演化和能量損傷機理的影響。李英杰等[13]在頁巖直縫半圓盤三點彎(seni-circular bend, SCB)斷裂試驗基礎上，建立了反映T 應力和層理角度對臨界強度比影響的臨界面，發現裂紋沿層理面擴展理論預測結果與試驗結果及數值模擬結果吻合較好。DEBECKER 等[14]基于層狀板巖力學性質的差異，對其斷裂破壞模式進行了實驗研究，通過聲發射等手段發現層狀板巖強度各向異性會對斷裂模式產生巨大影響；同時，采用離散元UDEC 對板巖進行了模擬，分析其Ⅰ型和Ⅱ型斷裂破壞的過程。

水是影響巖土介質力學特性的最重要的環境因素，再加上施工裸露形成的風化侵蝕，水-巖綜合作用對巖石的物理力學性質會產生至關重要的影響[15-18]，其中以宏觀形態上呈現的泥化、崩解及物理力學及斷裂力學指標的劣化特別是富含黏土礦物巖石的劣化效應尤為顯著[15-21]。冒海軍等[19]對南水北調西線板巖進行了不同泡水條件下的三軸壓縮實驗，分析了吸水率變化對板巖強度、彈性模量及泊松比等力學參數的影響。王慧文等[20-21]通過開展巴西劈裂試驗研究了層理及含水狀態對板巖抗拉強度的影響，并分析了峰值能率與抗拉強度的關系。TIENNOT 等[22]以多形式半圓形彎曲試樣為研究對象，發現層狀砂巖斷裂韌性和韌度隨著相對濕度增大而降低，其韌度各向異性也在增濕過程中有不同體現。ZHOU等[23]通過不同含水率的SCB 試驗，研究了含水率對層狀砂巖準靜態斷裂的影響。同時，JIN等[24-26]探討了巖石及黏土力學性質與斷裂韌度的關系，為量化分析巖土材料斷裂特性提供了有效、便捷的手段。

綜上可知，人們對頁巖、板巖等層狀巖抗拉力學性能已有較多研究，并且涉及飽水、飽水后烘箱內烘干、干濕循環及特定含水量等水-巖作用下的多種試驗條件，但有關板巖Ⅰ型(張拉)斷裂特性的研究較少。同時，富含黏土礦物的層狀炭質板巖易受水-巖作用和風化作用影響，其力學特性及斷裂特性發生較大退化，但目前有關水-巖作用自然風化作用對板巖力學特性的相關研究工作較少。為此，本文作者開展水-巖效應及自然風化作用影響下層狀炭質板巖的巴西劈裂及張拉斷裂試驗研究，并建立Ⅰ型斷裂韌度和抗拉強度間的經驗公式，以期為板巖賦存區相關巖石工程設計與施工提供參考。

1 試驗方法及制樣

1.1 試驗方法

本文采用巴西劈裂法研究板巖抗拉力學性質。張拉斷裂是巖石斷裂力學中最常見的破壞形式，為獲取較為一致的I型斷裂韌度，本文采用SCB試驗方法。該方法具有體積小、試驗簡便、便于突出橫向各向同性且適合混合型斷裂韌度測試等優點，目前在混凝土、聚甲基丙烯酸甲酯及巖石等各類材料中獲得了廣泛應用[27-29]。斷裂試驗的關鍵是試樣制備(含人工開縫)。本文借助實驗室自有三維高精準自動化線鋸制備SCB 試樣。SCB 試樣幾何結構如圖1所示。圖1中，R為試樣半徑，b為人工預制裂縫長度，t為縫寬，s為跨距，P為極限荷載。

1.2 炭質板巖基本性質

試驗所用層狀炭質板巖取自甘肅省定西市岷縣海蘭高速木寨嶺施工隧道掌子面，取樣點巖體呈薄層狀構造，所取巖塊賦存層理發育明顯，且層理間距存在差異。現場實測平行層理巖體縱波波速為3 788～4 015 m/s，垂直層理巖體縱波波速為2 945～3 360 m/s，巖樣平均密度為2.688 g/cm3。水平層理炭質板巖單軸抗壓強度為48.8 MPa，彈性模量為6.5 GPa，泊松比為0.20；垂直層理炭質板巖單軸抗壓強度為50.5 MPa，彈性模量為7.8 GPa，泊松比為0.23。另外，基于文獻[30]可得垂直于橫觀各向同性面的剪切模量為2.9 GPa。分別選取隧道掌子面附近左右肩巖樣測定該層狀炭質板巖礦物成分，該巖樣主要由48.8%(質量分數，下同)石英和47.9%黏土礦物組成，夾雜斜長石、黃鐵礦等；其中黏土礦物以伊利石、綠泥石、伊蒙混層及高嶺石為主。

1.3 巴西圓盤試樣及SCB試樣制備

經過鉆取巖芯、切割、打磨等流程制作出直徑為50 mm、厚度為21～28 mm 的巴西圓盤試樣。針對SCB 試樣，在上述巴西圓盤試樣的基礎上，按預設層理狀態利用精密金剛砂線鋸(直徑為0.4 mm)將圓盤樣品切割為2 個半圓盤，要求切割平面與直徑平面的偏差不得超過0.2 mm，且切割線與圓盤預設線垂直角度誤差應保證在0.5°以內；隨后對半圓盤試樣進行人工開縫，預先畫好切縫路徑并固定試樣，使用上述精密金剛砂線鋸機來獲取寬度為0.4 mm、長度為10.0 mm 直縫。在實際開縫中，為保證試樣和水接觸時間基本一致，縫長會存在微小差異。

由上述制樣流程可知，由于試樣制備以水作為潤滑劑，因此，樣品制備的過程實質上也是水-巖作用的過程。鑒于SCB 試樣人工開縫需要額外工序和時間，為保證水-巖接觸條件一致，本文對巴西圓盤試樣采取精細化打磨，故加工過程中試樣與水的接觸狀態及時間均較一致，時間約為1.5 h，此處的水-巖接觸為后續水-巖作用提供了條件。為模擬工程條件下的自然風化作用，將巖樣在室內常溫自然通風條件下靜置風化60 d，得到靜置風化巴西圓盤試樣和靜置風化SCB 試樣，以便后續開展試驗研究。作為對比，同時將另一批巴西圓盤試樣在加工后進行即時烘干處理并密封(即時烘干試樣)，以最大化減小吸水作用對該組試樣的影響。采用烘干法測得該層狀炭質板巖加工完成后的即時含水率為1.63%～1.95%，室內靜置風化60 d后的自然含水率為0.21%～0.24%，即時烘干試樣含水率近似為0。

為研究不同層理傾角下炭質板巖斷裂特性的影響，設定層理面與水平面夾角為試樣的層理傾角，分別對層理傾角為0°(arrester)，30°，45°，60°和90°(short transverse)的炭質板試樣展開試驗研究。考慮到開縫與層理面平行、加載軸線與層理面正交的層理狀態即divider 型是地層材料斷裂力學研究中常見的層理賦存狀態之一，故本文同時對其開展研究。6 組SCB 試樣示意圖如圖2 所示。在層理傾角為0°，30°，45°，60°，90°及divider型狀態下，靜置風化巴西圓盤試樣依次命名為SA，SB，SC，SD，SE 和SF，即時烘干試樣依次命名為IA，IB，IC，ID，IE 和IF，靜置風化SCB 試樣依次命名為MA，MB，MC，MD，ME和MF，其中M指代試樣直徑為50 mm。例如，MC-1及MF-1分別代表層理傾角為60°的1 號試樣及divider 型1號試樣。

2 巴西劈裂試驗研究

2.1 試驗儀器及要求

采用光彈單軸加載儀進行巴西劈裂試驗，該設備軸向最大加載為30 kN，符合本試驗要求。試驗加載速率為0.1 mm/min，加載儀器及試驗過程如圖3所示。在不同傾角下，取3個即時烘干試樣進行試樣，實際完成18 次試驗；考慮到水巖及風化影響造成結果具有離散性，各傾角下取4個炭質板巖靜置風化試樣進行試驗，實際完成24次試驗。

2.2 炭質板巖抗拉強度

鑒于炭質板巖的橫向各向同性特征，本文采用適用于橫觀各向同性巖石的間接拉伸強度平面應力解析解[30-31]，如公式(1)～(4)所示。通過炭質板巖基本性質求解計算可知，當層理傾角為0°，30°，45°，60°和90°時，抗拉強度修正系數qxx分別 為1.05， 1.02， 1.00， 0.98 和0.96。 此 外，divider 型試樣在平面應力作用下處于同性均質狀態，qxx為1.00。

式中：D為試件直徑；qxx為抗拉強度修正系數；G′為垂直于橫觀各向同性面剪切模量。

即時烘干及靜置風化炭質板巖試樣抗拉強度對比曲線如圖4 所示。在傾角為0°，30°，45°，60°和90°狀態下，試樣軟化系數為0.13，0.11，0.12，0.12 和0.11，可見其軟化性強，工程力學性質極差，這與木寨嶺隧道施工后，隧道短期穩定、施工裸露一定時間后隧道斷面變形破壞嚴重的現場情況相符合。同時需要注意的是，divider 型即時烘干及靜置風化試樣抗拉強度分別為13.42 MPa和1.65 MPa。

3 靜置風化試樣SCB試驗研究

3.1 SCB試驗簡介

同樣采用光彈精密單軸加載儀進行SCB試驗，但需對加載裝置進行適當改進。SCB 試驗加載裝置主要由光彈加載儀、三點彎夾具、引伸計位移采集儀、高速相機、圖形工作站及補光燈組成，如圖5所示。其中三點彎夾具由1根上部加載滾軸和2 根下部支護滾軸組成，SCB 試樣應事先做好標記以便對應上、下加載端，支座間距設為40 mm。試驗上部加載速率為0.1 mm/min，較低的加載速率可以滿足靜態裂紋擴展所需條件[29]，使得裂縫尖端非線性斷裂過程區充分發展，進而避免動態斷裂效應。

3.2 SCB試驗結果分析

3.2.1 載荷-位移曲線

圖6 所示為層狀炭質板巖典型SCB 試樣荷載-位移曲線。由圖6可見SCB試樣荷載-位移曲線由4個部分組成：

1)壓密變形階段。初始加載時曲線上升平緩且逐步上凹，斜率由小增大。

2)近似線彈性階段。持續加載時曲線大致呈直線狀，斜率基本保持不變，荷載隨位移增大而呈線性遞增趨勢，此階段是SCB試樣荷載-位移曲線的主要組成部分。

3)塑性弱屈服階段。此階段曲線斜率由大到小變緩，呈下凹凸起態勢，這是因為當微裂隙達到一定數量時，材料剛度下降。

4)瞬時破壞跌落段。隨著內部裂紋的迅速擴展貫通，曲線呈現為豎直線狀，試樣均為瞬間完全斷裂，表現出顯著脆性破壞特征。

需要注意的是，圖6 中各試樣荷載-位移曲線在峰前均存在震蕩跳躍現象，這主要是試樣裂隙的擴展和再壓密所致。

具體來說，層理傾角為0°，30°，45°，60°和90°及divider型試樣的豎向位移在峰值荷載時分別為0.486，0.395，0.375，0.357，0.436 及0.306 mm，可見MA-3和ME-2試樣均經歷了較長的壓密階段，MB-2，MC-1 和MD-1 經歷壓密階段的時間較短，而MF-3 在經歷較短的壓密段后就進入線彈性階段，說明divider 型炭質板巖在三點彎加載過程中由于層間協同變形作用而最為致密。MA-3，MB-2，MC-1，MD-1，ME-2 和MF-3 試樣的峰值荷載分別為226.9，193.5，165.8，144.8，135.7 及269.3 N，divider 型試樣峰值荷載最大，而對于層理傾角為0°～90°的試樣，峰值荷載隨層理傾角增大而減小。

3.2.2 斷裂韌度分析

SCB試驗法是測試巖石I型靜態斷裂韌度的常用方法[29]，I型斷裂韌度KIC計算公式如下：

式中：Pmax為試樣破壞時的峰值載荷；Y′為平面應力狀態下量綱一應力強度因子，與人工預制裂縫長度和試驗時試樣的支撐間距有關，此處Y′取值范圍為4.690～8.427。

SCB 三點彎試驗成功壓裂的標準是裂縫與預制縫的距離誤差小于0.05 倍試樣直徑，且每種試件至少取5個成功壓裂的樣品[24]。鑒于炭質板巖層理及微裂隙等缺陷影響造成的數據離散性，MA，MB，MC，MD，ME和MF試樣均取7～8個樣品進行試驗，計算得出不同層理傾角層狀炭質板巖試樣斷裂韌度均值。為更直觀地比較層理對層狀板巖抗斷裂能力的影響，繪制如圖7 所示的方框統計圖。由圖7 可見，各層理傾角試樣KIC均值分布均呈現出一定差異，且數據較為離散。其中divider型試樣的斷裂韌度為0.195 MPa·m1/2，是6種試樣類型中的最大值，具有較強抗斷裂破壞能力；ME試樣斷裂韌度均值最小，僅為0.097 MPa·m1/2；而MA試樣即arrester試樣斷裂韌度均值為0.168 MPa·m1/2，和divider 型的較接近，也表明水平層理層狀炭質板巖因增韌效應而具有較好的抗拉性能，而MB，MC 和MD 試樣斷裂韌度均值分別為0.137，0.121和0.116 MPa·m1/2。divider 型試樣斷裂韌度分布區域最廣，說明其數據離散性最大，這主要是層理的非均勻性及未進行嚴格量化所致。另外，其他類型試樣的斷裂韌度也具有一定離散性，這主要是試樣層理賦存個體化差異及固有缺陷的隨機性所致。總結來說，層理結構對層狀炭質板巖斷裂性能影響顯著，根據文獻[13]可知，當加載速率為0.002 mm/s 時，頁巖在層理傾角為0°和90°及divider 狀態下的Ⅰ型斷裂韌度分別為1.024，0.935和1.153 MPa·m1/2，可見層狀板巖斷裂韌度和上述頁巖發展趨勢較一致，但二者數值則存在較大差異，這主要是巖性、水-巖接觸及風化作用影響所致。

3.3 SCB斷裂形態

層狀炭質板巖SCB 試樣斷口破壞形態對研究其裂紋起裂及演化發展具有重要的意義。對各層理傾角典型SCB 試樣破裂后表面裂縫和斷口形態進行分析研究，結果如圖8所示。

由圖8(a)可見：對于MA 型即水平層理試樣，三點彎加載時試樣受力垂直于層理面，由直縫尖端起裂并持續擴展，而在裂紋遭遇層理面時裂紋通常會發生轉向進而沿著水平層理擴展一段距離，這是層理面膠結強度低且受到沿豎直方向的張拉力所致。隨著裂紋演化，基于應力重分布裂紋會再次發生轉向而穿破基質指向上部加載端，若層理面較多且均勻，則通常會形成層理、基質反復轉向的擴展態勢，并最終形成階梯狀斷裂裂紋。由于裂紋不斷轉向，增加了其擴展路徑，從而會產生增韌效應。

對于緩傾斜層理試樣，如MB 型(層理傾角為30°)和MC 型(層理傾角為45°)層狀板巖試樣(見圖8(b)和(c))，試樣均由直縫尖端豎直起裂，但裂紋在初始階段就會沿最大應力分布的方向擴展進而不斷發生偏移，同時，裂紋在擴展延伸過程中會在層理面發生分叉、穿過現象。例如，MB 及MC型試樣會形成曲折裂紋擴展路徑，但由于該試樣層理膠結強度較高，試樣斷口較為平整，主要呈現為穿越基質的裂紋擴展破壞形式。對于陡傾斜層理試樣即MD型(層理傾角為60°)層狀板巖試樣，由直縫尖端首先發生偏向右側起裂，同時，在裂紋擴展前端與層理面結合處，裂紋發生轉向并沿層理面延伸擴展一定距離，最終演化至上部加載端，可見其斷裂破壞形式更為復雜。結合試樣斷口形貌可見，在層理面裂紋發生轉向、扭斷使得斷裂面呈現不規則塊狀且形成棱角分明的劈拉起伏斷面。

對于ME 型(層理傾角為90°)試樣(見圖8(e))，外載荷作用時，裂紋大體會沿著直縫尖端順層理面方向起裂并產生豎向筆直裂紋，斷口較平滑但存在沿晶破壞，呈現出顆粒狀和粗糙狀。divider型試樣(見8(f))存在2 條非等間距層理，直縫尖端的裂紋擴展形式主要是穿破炭質板巖基質體的裂紋擴展。

上部裂紋擴展由于層間基質協同作用呈曲折擴展的趨勢，可見基質本身的完整性和強度決定了其抗斷裂性質。由圖8(f)可見基質體完整，層理面膠結牢固，試樣斷口在層理面附近存在凹凸起伏。

4 斷裂韌度KIC經驗公式

4.1 經驗公式建立

鑒于層狀板巖制樣的極低成樣率、高精度要求及繁雜試驗過程等條件限制，可利用易測的巖石物理力學性質來建立相關經驗公式，然后估算Ⅰ型斷裂韌度。該方法是一種簡單、快速并滿足一定精度要求的KIC間接獲取方法，具有較高的合理性和工程應用價值。

巖石的物理力學參數之間存在一定的關聯性，大量研究證實KIC與抗拉強度等參數之間均能建立良好的相關關系。ZHANG等[26]統計了各種不同巖石試驗參數，提出經驗公式σt=6.88KIC(其中σt為抗拉強度)，但實踐中該方法所得相關系數差異較大，同時，由于層狀巖具有典型橫觀各向同性，導致該方法的適用性較差。鑒于此，本文基于炭質板巖的力學性質，并結合上述試驗及計算結果，得到板巖抗拉強度與Ⅰ型斷裂韌度的關系，如圖9 所示。由圖9 可見：抗拉強度與Ⅰ型斷裂韌度之間呈明顯線性關系，擬合所得經驗公式為

擬合關系式的可決系數R2達0.97，說明通過抗拉強度σt估算巖石KIC的方法是可行的。

4.2 即時烘干炭質板巖試樣斷裂韌度預測

由上述巴西劈裂試驗結果可知，在層理傾角為0°，30°，45°，60°，90°及divider狀態下，即時烘干試樣抗拉強度分別為12.11，9.83，7.73，6.41，6.10 和13.42 MPa。若同時開展即時烘干試樣SCB 斷裂試驗，則試樣制備及層理篩分試驗均需耗費大量人力、物力。由上述經驗公式(6)可對其斷裂特性進行預測，經計算可得即時烘干炭質板巖試樣在層理傾角為0°，30°，45°，60°和90°及divider 狀態下的Ⅰ型斷裂韌度分別為1.174，0.960，0.763，0.639，0.609 和1.297 MPa·m1/2。上述層狀巖斷裂韌度隨層理變化的趨勢及范圍和文獻[7,11,13,23]中的較一致，可見該經驗關系式可用于指導相關工程應用實踐。

5 結論

1)當層理傾角為0°，30°，45°，60°和90°時，靜置風化的抗拉強度分別為1.52，1.11，0.89，0.76和0.66 MPa，即時烘干炭質板巖試樣的抗拉強度分別為12.11，9.83，7.73，6.41和6.10 MPa，而在divider 狀態下2 種試樣抗拉強度分別陡增至13.42 和1.65 MPa，可見試樣抗拉強度均受層理影響而呈現出抗拉力學參數的橫觀各向同性。同時，受水-巖及風化綜合作用，炭質板巖性質劣化效應顯著。

2)不同層理傾角下靜置風化層狀炭質板巖SCB試驗荷載-位移曲線具有一定相似性，呈現為壓密→近線彈性→塑性弱屈服→瞬時破壞跌落的演化過程，其中divider試樣的屈服現象較為明顯。同時，各組試樣均表現出脆性斷裂破壞特征。

3)靜置風化層狀炭質板巖SCB試驗證實了層理傾角對Ⅰ型斷裂韌度的影響，其中divider型試樣斷裂韌度為0.195 MPa·m1/2，在層理傾角0°，30°，45°，60°和90°時斷裂韌度隨傾角增大而逐漸減小，MA試樣即arrester 試樣的斷裂韌度為0.168 MPa·m1/2；而MB，MC 和MD 試樣斷裂韌度分別為0.137，0.121 和0.116 MPa·m1/2；ME 試樣斷裂韌度最小，為0.097 MPa·m1/2。

4)層狀炭質板巖SCB試樣均從直縫尖端起裂，但裂紋擴展路徑隨層理不同而呈現出顯著差異。例如，當層理傾角為90°時，試樣通常會沿著直縫尖端處層理面筆直擴展至上部加載端；當層理傾角為0°時，試樣則在基質及水平層理面間形成階梯狀斷裂裂紋，傾斜層理試樣因受層理影響常呈現出曲折裂紋斷裂形態，divider 型試樣因受基質協同作用而通常表現為近似筆直的裂紋斷裂形態。

5)根據試驗數據擬合得到層狀炭質板巖斷裂韌度經驗公式KIC=0.094σt+0.036，并基于該公式對即時烘干炭質板巖的Ⅰ型斷裂韌度進行了預測，預測結果與已有結果較一致。