各向异性岩石抗压强度及弹性模量研究

2019-07-16黄本柱

山西冶金 2019年4期

黄本柱

（安徽省地质测绘技术院，安徽合肥 230001）

1 概述

岩石的力学性质是工程地质中高度关注的问题，而岩石的结构构造特征对其力学性质有着重要的影响。自然界中广泛发育各向异性岩石，如页岩、薄层砂岩、千枚岩、片岩、片麻岩、糜棱岩等，针对这些岩石进行了大量的力学性质研究实验（Nasseri et al.，2003；Agliardi et al.，2014；Cho et al.，2014；Liu et al.，2017；Garcia-Fernandez et al.，2018），以往的研究均认为该类型岩石存在两个方向上的各向异性，分别是垂直面理方向及平行面理方向。而千枚岩、片岩、片麻岩、糜棱岩等岩石以发育面理及矿物拉伸线理构造为特征，该特征造成该类型岩石为三个方向的各向异性特征（见图1-4），分别为平行面理且平行矿物拉伸线理方向（X）、平行面理且垂直矿物拉伸线理方向（Y）及垂直面理方向（Z）（见图1），而关于三个方向各向异性岩石力学性质的研究以往并没有报导。

近年来，国内外学者对各向异性力学特性进行了较多的研究。赵文瑞（1984）通过层状砂岩单轴抗压强度试验研究发现，当层状岩石的弱面与主应力成30°角时，岩样强度最低；席道瑛等（1995）分析得到了横观各向同性介质中波速的变化规律，并通过层状砂岩进行了测试验证；曾纪全等（2001）对泥质粉砂岩、泥质灰岩和石膏模型试件进行了试验研究，分析了结构面倾角对层状、似层状岩体变形和强度参数的影响；A.Tavallali and A.Vervoort（2010）对层状砂岩进行了劈裂试验，得到了层状砂岩抗拉强度与层理角度的关系；高春玉等（2011）对平行层理和垂直层理方向的砂板岩进行了三轴试验，发现2 种层理角度岩样的力学特性和变形破坏特征差异显著；李国权等（2011）通过抗压试验和抗拉试验，分析了板岩的抗压、抗拉强度的各向异性，并总结了相关的破坏模式；刘胜利等（2012）通过试验研究了绿泥石片岩的各向异性特征。Cho et al.（2014）通过单轴压缩和巴西劈裂试验，研究了片麻岩、页岩和片岩的各向异性特性；邓华锋等（2016）设计、进行了考虑不同层理角度的层状砂岩巴西圆盘劈裂试验，发现层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显，并将其破坏模式归纳为直线型、折线型和弧型三种类型等等。上述研究成果为岩体各向异性力学特性分析奠定了较好的基础，但相关研究中主要着重于分析层状或者面状岩石的各向异性，而对存在面理上的矿物拉伸线理以忽略。

图1 糜棱岩样品野外特征及其构造示意图

基于以上，本次研究取样于郯庐断裂带肥东杂岩段。该地区主要为二长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩。大横山岩段主要含角闪斜长片麻岩、二云片岩、白云石英片岩、二云斜长片麻岩等（安徽省地质矿产局，1987），经历了中生代郯庐断裂带强烈的左行走滑活动（Zhu et al.，2005；Zhao et al.，2014，2016），发育了大量的糜棱岩剪切带（见图1-1，1-2，1-3）。该糜棱岩存在典型的面理及矿物拉伸线理构造（见图1-2，图1-4）。

2 试验原理与过程

2.1 实验原理

本文选用糜棱岩，无节理裂隙等缺陷。制作平行面理平行线理方向（X）、平行面理垂直线理方向（Y）、垂直面理方向（Z）三种方向上的岩样，经过切割、打磨，将采集到的岩石加工成Φ43 mm×80 mm（高）的圆柱体试样。岩石的抗压强度的计算公式如下：

式中：R为岩石的抗压强度，MPa；P为试件破坏时的荷载，N；A为试件的截面积，mm2。

因制作的岩石试样非标准圆柱体试件，试验后抗压强度试验值按照规范条文说明中公式进行换算，公式为了便于对单轴抗压强度的试验结果作统计分析，应将任意高径比的抗压强度值R按下式换算成高径比为2:1 的标准抗压强度值R1。

岩石的变形模量计算公式如下：

式中：σ 为应力，MPa；P为与所测各组应变值相应的荷载，N；A为试件的截面积，m。

绘制应力与纵向应变及横向应变关系曲线，在应力与纵向应变关系曲线上找出加载最大值的0.8倍和0.2 倍的点，并作割线，以该割线的斜率表示该试件的弹性模量，按式以下计算，试验结果精确至100 MPa。

式中：E为弹性模量，MPa；σ0.8、σ0.2分别为加载最大值的0.8 倍和0.2 倍时的试件应力，MPa；ε0.8，ε0.2为应力为σ0.8、σ0.2时的纵向应变值，MPa。

2.2 试验过程

本文对这些岩样进行单轴压缩试验。本次单轴压缩力学试验是在长春市朝阳试验仪器有限公司研制的微机控制电液伺服岩石三轴试验机上进行。该试验仪器是专为岩土类工程材料进行力学性能试验而设计的，包括加压系统、动力系统、数据采集系统和冷却系统，还包括一些辅助配件。该系统含有多种试验功能，可本试验只进行单轴压缩试验和三轴压缩试验。

本实验采用位移控制加载方式，加载速率控制在0.5 MPa/s。把准备好的岩石试样放在试验机上，在上端加一个刚性垫块，然后以保持不变的加载速率沿轴向方向施加荷载，直至岩石试样破坏。采用垂直位移传感器，测试轴向变形。通过试验获得岩石试样的单轴抗压强度和弹性模量等变形参数。

图2 糜棱岩样品处理过程与压裂图

3 试验结果与分析

3.1 位移—负荷曲线

岩石单轴压缩试验提供了丰富的基础资料，岩石类型不同、内部结构差异会导致不同的岩石存在不同的位移—负荷曲线，也反映了岩石的力学响应。本次试验进行较为顺利，其部分式样破坏位移—负荷曲线见图3。

岩样受力后，随着压力不断增加，其变形破坏是一个逐渐发展过程，可分为3 个阶段：

1）压密阶段。为组成矿物之间的紧密接触，试件中原有的张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形。

2）弹性变形至微破裂稳定发展阶段。随压力增加，岩石被压密后，变形随应力成比例增加。试件内出现新的微破裂，曲线出现微小的弯曲，是较平静的变形破坏阶段。

3）破坏后阶段。此时荷载达到峰值强度，内部结构完全破坏，但试件仍基本保持整体状。裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面，试件承载力随变形增大而迅速下降。

图3 岩石样品负荷- 位移曲线图

3.2 糜棱岩抗压强度曲线及弹性模量曲线

通过试验获得数据并计算得到如表1 结果，并得出图4 数据分析图。

表1 糜棱岩抗压强度和弹性模量数据

试验结果表明：糜棱岩的抗压强度范围为79～124 MPa，具有较明显的各向异性特征。抗压强度从高到低依次为Z方向＞Y方向＞X方向，其中垂直面理方向远高于平行面理方向，而平行面理方向上矿物拉伸线理的存在对其影响较小。糜棱岩弹性模量分布在1.01×104～1.56×104MPa，同样具有较明显的各向异性特征。变形模量从高到低依次为X方向＞Y方向＞Z方向，其中平行面理平行线理方向远高于其他两个方向，矿物拉伸线理的存在对其影响较为显著。