绢云母化千枚岩各向异性特性及长期强度试验研究

曾　鹏，纪洪广，赵　奎，李成江

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；3.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

矿业纵横

绢云母化千枚岩各向异性特性及长期强度试验研究

曾鹏1，纪洪广1，赵奎2，李成江3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；3.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

摘要：对于承受高水平荷载、工作年限长的岩石边坡工程，获取岩石的长期强度，具有十分重要的意义。通过对岩质边坡中绢云母化千枚岩试件进行单轴压缩试验和分级加载单轴蠕变试验，在常规试验数据的基础上，研究了绢云母化千枚岩强度的各向异性特征和长期强度。研究结果表明：①相同加载条件下，随着层理面与轴向力加载方向夹角的增大，强度值是一个先减小后增大的过程，当夹角等于30°左右时，强度最低；②绢云母化千枚岩的长期强度大约为其单轴抗压强度的60.40%～82.71%。该结果为岩质边坡工程的安全和设计提供了有力依据。

关键词：长期强度；绢云母化千枚岩；单轴压缩；分级加载；蠕变

岩石具有明显的蠕变特性是岩石力学区别于其他很多材料的基本特征之一，其强度随时间的增加而减少[1]，岩石长期强度是岩石蠕变理论的一个重要参数，定义为岩石在长时间内受外荷载作用下而不发生破坏所能承受的最大可能作用力，岩石长期强度的准确确定，对地下工程、边坡工程的安全评价和设计有着十分重要的意义。

目前，在推算岩石长期强度的方法主要有两类[2-3]。一类称为直接法，获取各岩石试件一次性加载蠕变破坏试验的时间，从而建立应力与时间之间的拟合函数关系来推算长期强度。该方法需要大量的岩石试件，并耗费大量的时间，实际工程中较少被采用。另一种方法为间接法，采用分级加载蠕变破坏试验[4]结果，来推算岩石的长期强度。这类方法无疑是确定长期强度的一种简单快捷的方法。

岩石力学试验方面，国内外学者对岩石蠕变特性和长期强度进行了大量研究，并取得了丰富的研究成果，如SZCZEPANIKZ等[4]通过对花岗岩试件的流变试验研究，得到花岗岩的长期强度为单轴压缩试验峰值强度的70%～80%。崔希海和付志亮[5]在基于红砂岩的蠕变试验，得出轴向和横向都存在一个蠕变应力阈值，其中轴向蠕变应力阈值为单轴抗压强度的45%～55%，而根据横向稳定蠕变的应力阈值来确定长期强度是前者所确定的岩石长期强度值的65%～81%。李连崇等[6]基于长期强度特征，研究了岩质边坡的时效变形与破坏特征的研究。李良权等[7]对砂岩进行了常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验，并通过应变等时曲线簇、稳态蠕变速率与应力水平的关系、裂纹损伤应力、流变荷载与破坏时间关系来确定其长期强度。沈明荣和谌洪菊[8]利用过渡蠕变法、等时曲线法探讨了这些方法确定红砂岩长期强度在理论上的正确性和试验方法可操作性，同时，将蠕变曲线与应力-应变曲线结合，提出确定岩石长期强度的新方法。文献[9]对软弱复杂矿岩蠕变特性进行了试验研究，研究了岩石蠕变特性的Burgers模型。文献[10]还利用声发射手段，对红砂岩不同蠕变阶段进行了研究。上述文献中，主要围绕花岗岩、大理岩、砂岩等一系列均质性好的岩石为试验研究对象，吴创周等[11-14]在考虑了岩石各向异性特征，对一些各向异性特征明显的岩石的蠕变特性或长期强度进行了试验研究，并取得了一些丰富的研究成果。

本文以绢云母化千枚岩为研究对象，先通过单轴压缩试验得到岩石的单轴抗压强度值，在此基础上，设计不同应力水平的分级加载单轴蠕变试验，并通过过渡蠕变法，确定岩石的长期强度。

2试件特征及制备

2.1岩性特征

本次试验对象绢云母化千枚岩取自江西某露天矿区岩质边坡一个钻孔(图1(a))，岩性一致、位置接近。绢云母化千枚岩的主要成分由绢云母、绿泥石、石英等定向构造，含较多褐黑色杂质，显微鳞片变晶结构。岩石中片状矿物形成细而薄的连续片理，沿片理面呈定向排列致使其具有明显的千枚状构造。

图1　岩芯及试件照片

2.2试件制备

按国际岩石力学会(ISRM)试验规程，采用DQ-4A型岩石切割机切割岩芯，然后采用M-200型双端面磨石机打磨端面，最终加工成直径为Φ50mm，高径比为2∶1的圆柱体试件。加工试件端面平整，上下端面不平行度小于0.05mm，并使端面与轴向垂直最大偏差不超过0.25°。岩石的纵波波速等参数与岩石内部的损伤状态及单轴抗压强度均有密切的关联性，因此采用RSM-SY5声波仪对试件再进行声波测试，筛选出波速相近的试件，见图2。

3单轴压缩试验

3.1试验仪器及方案

在进行蠕变试验前，对绢云母化千枚岩进行了单轴压缩试验，本次单轴压缩试验中岩石力学试验系统采用RMT-150C电液伺服试验机，其垂直最大加载力为1000kN，机架刚度5×106N/mm，具有操作方便、控制性能好、自动化程度高等优点。试验过程均采用行程控制方式，加载速率为0.0005mm/s。

由于千枚岩构造发育，考虑到片理面对岩石强度的影响，对试件的片理面方向与轴向力加载方向的夹角(β，见图3)进行了测量。

图2　RSM-SY5(N)声波仪筛选试样

图3　加载方向与片里面夹角示意图

3.2常规力学特性

单轴压缩试验中共10块试件，各试件的单轴抗压强度值与β值具体见表1。

为了更加直观的观察不同层理角度的绢云母化千枚岩单轴抗压强度的各向异性，因此将表1中数据绘制于图4中，并对所得强度值进行拟合。试验结果表明，绢云母化千枚岩存在明显的各向异性，表现为不同的层理角度，其单轴抗压强度值明显不同。但其整体规律是，随着β值从0°开始增加，单轴抗压强度值逐渐减小，在β=30°左右时，其强度值最小，而当β再逐渐增大至90°的过程中，单轴抗压强度值将增大。比较β=0°与β=90°的单轴抗压强度值可以看出，当β=0°时的单轴抗压强度值要略高于β=90°时的单轴抗压强度值。

表1　绢云母化千枚岩单轴抗压强度值

图4　不同层理角度绢云母化千枚岩单轴抗压强度各向异性

4分级加载单轴蠕变试验

4.1蠕变试验方案

研究表明[4]，一般岩石的长期强度为单轴抗压强度值的50%～80%不等。因此，在结合绢云母化千枚岩单轴抗压强度值的基础上，制定了分级单轴加载蠕变试验方案。本文的分级单轴加载蠕变试验在MTS858疲劳试验机上进行，共设计四级不同应力水平加载，分别为15kN、17.5kN、20kN和25kN。蠕变试验研究的载荷控制是一个反复的循环加卸载及稳压过程，试验过程中的加载及变形、载荷测量均由MTS858疲劳试验机提供，加载全过程均采用载荷控制速率为0.05kN/s，并保证每级载荷下持续稳压10h。分级加载单轴蠕变试验中共9块试件，具体见表2。

4.2蠕变试验结果及分析

岩石蠕变试验中当稳态蠕变速度为零时的最大荷载可作为岩石的长期强度[1-2]。由于岩石破坏过程中有扩容效应，而扩容与岩石内部裂纹的不稳定扩展是联系相关，其内部裂纹的不稳定扩展存在一个应力阀值。过渡蠕变法在基于低应力、低温度水平下岩石裂纹分析，当施加的外力低于该应力阀值，岩石不会破坏，高于该值则岩石内部裂纹出现不稳定扩展直至岩石破坏，过渡蠕变法示意图见图5。通过蠕变速率的变化，得到不稳定扩展的应力阀值作为岩石的长期强度[8]。

表2　绢云母化千枚岩蠕变试验

图5　过渡蠕变法示意图[1]

岩石在低水平恒定荷载持续作用下，变形量随着时间增长而增加，蠕变速率则随之减小，最后趋于稳定；当荷载较大时，蠕变不能趋于稳定，而是无限增长直到破坏。

试件J3(β=42°)在最后一级应力12.82MPa稳压过程中破坏，观察试件J3破坏形态发现，绢云母化千枚岩基本上是顺着其片理结构面的形态发生破坏，说明在轴向压应力的作用下，泊松效应下产生了横向拉应力，其内部的片理结构形式，决定了其在蠕变过程的主要破坏形式。在边坡工程中，这种复杂的岩体结构面，将主要影响边坡工程中的稳定与安全。因此，在边坡工程设计过程中，应对主要岩体结构面的形式及走向等进行详细的勘探和研究，尽量避开危险结构面，以防止这种因岩体结构弱面而导致的破坏形式。试件破坏形态照片见图6。

图7和图8分别为试件J3在12.82MPa下蠕变试验结果曲线和各级应力水平下的蠕变曲线，根据岩石典型的蠕变曲线经验方程，图7曲线方程形式可表达为[2]下式。

式中：ε(t)为时间的应变；ε0为瞬时应变；ε1(t)为初始应变；ε2(t)为等速段应变；ε3(t)为加速段应变。

图6　试件J3破坏形态

图7　试件J3在12.82MPa荷载下蠕变曲线

试件J3对应的四级应力分别为8.01MPa、9.35MPa、10.68MPa、12.82MPa。事实上，这一强度已经属于常规强度与长期强度的一种过渡状态，按照前期单轴抗压强度拟合值约为15.68MPa，则可以认为当β=42°左右时，岩石的长期强度值要小于其单轴抗压强度的82.71%。

同样的，试件J7(β=15°)时，试件所对应的各级应力分别为8.03MPa、9.69MPa、10.71MPa和13.38MPa，其中，试件在13.38MPa稳压阶段时，也发生了破坏，根据前期单轴抗压强度拟合值约为16.90MPa，说明当β=15°左右时，岩石的长期强度值要小于其单轴抗压强度的79.17%。因此，分析试件J3和试件J7来看，岩石的长期强度至少应在其单轴抗压强度值的82.71%以下。

图9和图10分别为试件J4(β=10°)试件J11(β=45°)在分级荷载下的蠕变曲线，其中试件J4对应的四级应力大小分别为7.98MPa、9.32MPa、10.65MPa、12.78MPa；试件J11所对应的四级应力大小分别为7.96MPa、9.61MPa、10.71MPa、12.73MPa。从图中可以看出以下结果。①在不同级别的荷载作用下，加载瞬间，轴向都产生瞬时应变，其后产生随时间而逐渐增长的蠕变变形，试件规律较为明显，大体一致。②当岩石加载的应力值小于蠕变应力阀值时，其进入第一蠕变阶段，如图7中AB段所示，此时蠕变衰减趋于0；而当加载应力大于该应力阈值时，则进入第二蠕变阶段，如图7中BC段所示，此时蠕变趋于稳定。随着时间的增长，岩石逐渐进入蠕变加速阶段，如图7中CD段所示。试件J4和试件J11分别在10.65MPa和10.71MPa稳压过程中均未出现明显蠕变加速现象，但当进入下一加载阶段12.78MPa和12.73MPa时，蠕变曲线的末端开始向上翘起，说明此时岩石出现明显的加速蠕变阶段。

图8　试件J3在分级荷载下蠕变曲线

图9　试件J4在分级荷载下蠕变曲线

图10　试件J11在分级荷载下蠕变曲线

根据利用不稳定扩展的应力阈值来确定岩石长期强度的方法[8]，结合不同层理角度绢云母化千枚岩单轴抗压强度各向异性，当β=10°和β=45°时，岩石的单轴抗压强度拟合值约分别为21.16MPa和17.94MPa，最终确定岩石长期强度分别为其单轴抗压强度值的60.40%和70.96%。因此，从分析试件J4和试件J11来看，可以确定岩石的长期强度应在其单轴抗压强度值的60.40%～70.96%的范围内。

本次蠕变试验中试件J1(β=5°)、J2(β=10°)、J5(β=70°)、J6(β=10°)、J8(β=55°)在各阶段均未出现蠕变加速阶段。说明所提供的最高级应力均未能达到岩石的长期强度，从不同层理角度岩石强度各向异性图可以得出，当β>15°和β<45°时，其单轴抗压强度值要小于β∈(15°，45°)范围内的强度，故就目前所提供的应力水平而言，岩石不会出现加速蠕变现象。这也进一步说明了绢云母化千枚岩的蠕变强度和长期强度也表现出了与单轴抗压强度规律相一致的各向异性特性。因此，上述各试件最高级蠕变应力阶段过程所对应的单轴抗压强度分别为：23.27MPa、21.16MPa、22MPa、21.16MPa和20.7MPa，所对应的最高级蠕变应力值分别为单轴抗压强度拟合值的57.20%、63.23%、58.23%、63.14%和65.80%，由这些数据可得出，当岩石所受应力水平小于单轴抗压强度值的65.80%时，则不会出现蠕变现象。

本次试验中包含了岩石不同层理角度与轴向力加载方向夹角的试验，即充分考虑了岩石的各向异性特征。因此，考虑到试验过程中的误差与离散性，最终对本次试验中岩石的长期强度进行最大范围的取值，其中长期强度的上限取得为其单轴抗压

强度值的82.71%，下限为其单轴抗压强度值的60.40%。最终可确定绢云母化千枚岩长期强度大约为其单轴抗压强度值的60.40%～82.71%。

5结论

1)绢云母化千枚岩强度具有明显的各向异性特征。相同加载条件下，随着层理面与轴向夹角(β)的增大，强度值是一个先减小后增大的过程，当β=30°左右时，强度最低。

2)在基于过渡蠕变法的研究方法上，确定了绢云母化千枚岩的长期强度值大约为其单轴抗压强度值的60.40%～82.71%，这一结果为岩石边坡工程的安全评价和合理设计提供了有力的依据。

参考文献

[1]张清照，沈明荣，丁文其.锦屏绿片岩力学特性及长期强度特性研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(8)：1642-1649.

[2]刘雄.岩石流变学概论[M].北京：地质出版社，1994：60-91.

[3]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报，2007，26(6)：1081-1106.

[4]SZCZEPANIKZ，MILNED，KOSTAKISK，etal.Longtermlaboratorystrengthtestsinhardrock[C]//ISRM2003-TechnologyRoadmapforRockMechanics.Johannesburg：SouthAfricanInstituteofMiningandMetallurgy，2003.

[5]崔希海，付志亮.岩石流变特性及长期强度的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(5)：1021-1024.

[6]李连崇，李少华，李宏.基于岩石长期强度特征的岩质边坡时效变形过程分析[J].岩土工程学报，2014，36(1)：47-56.

[7]李良权，徐卫亚，王伟.基于流变试验的向家坝砂岩长期强度评价[J].工程力学，2010，27(11)：127-143.

[8]沈明荣，谌洪菊.红砂岩长期强度特性的试验研究[J].岩土力学，2011，32(11)：3301-3305.

[9]何锦龙，袁海平.某矿区岩石蠕变特性试验研究[J].中国矿业，2011，20(5)：67-70.

[10]龚囱，陈辉.红砂岩不同蠕变阶段声发射振幅与能量特征研究[J].中国矿业，2014，23(10)：144-149.

[11]吴创周，石振明，付昱凯，等.绿片岩各向异性蠕变特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2015，33(3)：493-499.

[12]韩庚友，王思敬，张晓平，等.分级加载下薄层状岩石蠕变特性研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(11)：2239-2247.

[13]肖维民，邓荣贵，付小敏，等.单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2015，33(5)：957-963.

[14]陈天宇，冯夏庭，张希巍，等.黑色页岩力学特性及各向异性特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(9)：1772-1779.

Experimental study on long-term strength and anisotropic characteristics of sericite phyllite

ZENGPeng1，JIHong-guang1，ZHAOKui2，LICheng-jiang3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.EngineeringInstitute，UniversityofScienceandTechnologyJiangxi，Ganzhou341000，China；3.CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.，Ltd.，MCCGroup，Beijing100088，China)

Abstract:It’s very important to obtain the long-term strength of rock for rock slope engineering which under high levels loading and long working years.Laboratory experiments on the sericite phyllite specimens in rock slope under uniaxial compression and uniaxial creep with step-loading were carried out.On the basic of test data，the long-term strength and anisotropic characteristics of strengths of sericite phyllites were studied.The results indicate that：①With the increase of angles between bedding planes and axial-stress loading directions，the strengths are increase first and then decrease in the same load conditions.And the minimum value of strengths appears at the angle of 30°；②The long-term strength of sericite phyllite is 60.40%～82.71% of the compressive strength.The test results could provide a favorable basis for the safety and design of rock slope engineering.

Key words：long-term strength；sericite phyllite；uniaxial compression；step-loading；creep

收稿日期：2015-08-14

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51174015；51064010；51534002)

作者简介：曾鹏(1987-)，男，博士研究生，主要从事矿山岩石力学测试与工程稳定性研究。E-mail：zengpeng23@126.com。 通讯作者：纪洪广(1963-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土工程检测、声发射技术、矿山动力灾害等方面的教学与研究工作。E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn。

中图分类号：TU45

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0141-05