层状类岩体室内制样方法及单轴压缩力学机理研究

夏 磊，姚劲松，蒋 磊

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010；2.中机中联工程有限公司， 重庆 400039)

地球表面含量最多的是沉积岩体，沉积岩由于其特殊的成岩机制，往往具备显著的层状特性，其岩体内存在一组占绝对优势的平行层理。因此，在实际工程问题中，学者们在力学上通常将其视为横观各向同性体，即在平行于层理的任意方向上的各个点都具有相同的力学特性，而垂直于层理的方向上的力学特性则不同。近几十年来，我国各类基础设施和资源开发等大型工程项目建设如火如荼，岩体材料在各类工程建设中都扮演着不可或缺的角色，水利水电开发、矿山开采、能源开发、废弃物地下处理、地面与地下交通建设等工程极大地促进了我国岩石力学的发展[1-5]。而随着实际工程规模越来越大以及对工程精度需求的提高，早已不能将实际岩体简单地视作各向同性材料进行工程应用分析。因此，开展层状岩体的力学特性问题的研究具有重要的现实意义和工程价值。

而自然状态下的层状岩体虽然分布广泛，但与完整岩石不同，其复杂的层理及其倾向倾角都增加了将其钻取加工成室内试验样品的难度和成本。且在含多节理的天然岩体中，其节理面通常具有较高的风化程度，在钻取加工时往往会对岩体自身造成一定程度的损伤，不适合小尺寸多倾角取样来进行室内试验研究。因此，许多学者都采用人工制样相似材料模拟层状岩体的力学特性[6-7]，且随着试验条件的进步和发展，通过人工制样相似材料的方法可以满足不同的试验需求。相对于天然岩体，人工制样类层状岩体试验方法更加灵活易行。当前制备人工层状岩体的制样方法主要分为两种。

第一种方法是将完整的天然岩块制备成薄板块，然后采用人造粘接剂将天然岩体博板块逐片粘贴。我国学者肖长富等[8-10]分别将灰岩、泥岩和砂岩三种岩块进行人工粘合，制备出由不同岩体力学特性的交替组合的室内试验试样，分别进行单轴压缩、三轴压缩、直剪等试验，探究不同种类岩层复合时，层状岩体的强度、变形力学特性。此外，林新[11]、闫立宏等[12]和刘立等[13]也采用相似人工制样方法制备层状岩体试样，并采用以环氧树脂为原材料调制应用于岩体的人造粘接剂，研究不同人造粘结剂及基岩块对岩体的分层效应对层状岩体宏观力学特性的影响机制。该方法的优点在于操作简单、试样制样周期短、对层理力学特性可控，其缺点则在于需要采集大量的天然岩体，难以灵活满足不同基岩体的试验需求。

第二种方法则是采用相似材料模拟层间基岩体，并利用相似材料在固化过程中的自然粘结来实现层间的粘结效果。Tien等[14]最先通过水泥、砂石及硅石粉等按固定配比混合制备人工类岩体，逐层浇筑，制备出软硬岩层交互的层状类复合类岩体试样。通过室内单轴及三轴试验对其力学特性和破坏形态进行了分析。随后，胡明研[15]、余永强等[16]、陈新等[17]、张清照等[18]学者也都采用这种人工制样的方法，以求能更好的模拟出层状岩体的真实力学状态。相对于第一种方法，这种采用相似材料制样的方法的优点在于可以控制基岩的力学特性，同时不需要外加粘结剂；但是这种制样方法也导致了其制样难度大大提高、制样周期也变长。

对此，本文结合以上两种制样方法的优势，提出一种新的制样方法，选用水泥砂浆作为类岩石相似材料模拟基岩的力学特性，选用以环氧树脂为主要胶凝材料的人工粘接剂模拟层理。通过粘贴、拼装、切割、打磨、成型等工序，设计层理间距为1 cm的层状类岩体人工制样方法。这样可以同时控制基岩与层理的力学特性，同时相较于第二种制样方法，简化了制样过程、缩短了制样周期、降低了试验成本。

1 试验材料的选取

在制作合适的类层状复合岩体前，需确定出类岩石和人造粘结剂这两种材料的配比及力学特性。

1.1 类岩石相似材料的制取

目前岩石力学物理试验研究，以相似材料模拟不同条件下岩体的试验方法已比较普遍和成熟，相应的相似材料配比方法经验也较为充分。其中，以水泥为主要胶结物，配以其他硬体颗粒材料(如石英砂、黄砂等)已成为当前学者普遍采用并接受的配比方法[19-20]。采用相似材料进行演示力学试验的优势主要在于其原材料来源广泛、制作方法简单易行、制作成本低廉，且可以选择不同的配比模拟出不同力学性质的类岩石体。

本文参照前人经验，选取32.5号普通水泥作为胶结材料，选取黄砂作为骨料材料。刚运来的黄砂露天存放且湿度较大，因此对黄砂进行翻晒处理，使其能达到气干状态。随后采用标准筛进行筛选砂粒，筛除粒径大于1.0 mm的粗砂粒。处理好的黄砂放置与阴凉室内存储。

选用重量配比为水泥∶黄砂∶水=2∶4∶1。利用标准模具制备出直径为50 mm、高100 mm的圆柱体单轴压缩试样和边长为100 mm的立方体直剪试验试样，所得试验结果分别如图1和图2所示。

图1 类岩石相似材料单轴压缩试验结果

图2 类岩石相似材料直剪试验结果

从图1可以看出，本文所制备的4组相同的单轴压缩结果基本相同，模拟基岩的平均单轴弹性模量为5.697 GPa，平均单轴峰值强度为27.395 MPa。同时，从图2可以看出，随着法向压力的逐渐增大，试样的抗剪强度也在逐渐增强。

1.2 人造粘结剂的制取

环氧树脂材料具有粘结性能稳定、传递荷载均匀、制作简单等优点。因此，本文设计以环氧树脂为主要胶凝材料制备人造粘结剂，以模拟出复合层状岩体的层间粘结效果。

本文首次以建筑腻子粉为弱化材料，降低环氧树脂的黏性；以无水乙醇为稀释材料，保证混合试剂的流动性。通过不断调试，为达到合适的流动性和稠度，确定最终配方如下：

环氧树脂——胶凝材料，200 g；EP固化剂——固化剂，40 g；建筑腻子粉——弱化材料，150 g；无水乙醇——稀释剂，30 g。

同时，为了保证在人工搅拌过程中具有可操作性，确定各材料的混合顺序如下：

(1) 称取200 g的环氧树脂，30 g无水乙醇，150 g建筑腻子粉，40 gEP固化剂。

(2) 将30 g无水乙醇掺入到环氧树脂中，充分搅拌均匀，使得混合试剂具有足够的流动性。

(3) 掺入建筑腻子粉，为保证混合试剂不至于稠度过大而无法进行人工搅拌，将建筑腻子粉分两次掺入，搅拌均匀。

(4) 掺入EP固化剂，充分搅拌。

将完整立方体试样在中心切开成两个100 mm×100 mm×50 mm的长方体块，然后用上述人造粘结剂粘贴固化，待稳定后进行直剪试验，试验结果如图3所示。

综上所述，类岩石相似材料及人造粘结剂的力学强度参数见表1。

图3 人造粘结剂直剪试验曲线

表1 材料力学强度参数

从中可以看出，本文所制备的人工粘结剂的粘结强度要明显弱于岩石基岩体。

2 层状类岩体试样制备方法

为制备出具有层状特性的类层状岩体试样，本文采取先制备相同尺寸的水泥砂浆薄板，用人造粘结剂将薄板层层粘贴，待固化稳定后按特定角度进行切割打磨，制备出具备不同层理倾角的层状类岩体试样。试样制备流程如图4所示。

图4 层状类岩体试样制备流程图

2.1 制备模具箱

因需要制备出尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的不同层理倾角下的层状结构立方体，本文采用将水泥砂浆薄板叠合后按所需角度切割获取试样的方法，如图5所示。

因此，几何上需要薄板叠加粘贴后的尺寸应满足：

(1)

图5 理论试样取样图

水泥砂浆薄板浇筑采用自制箱型模具浇筑,模具箱由木板手动拼装，侧边版与底板由螺栓组装，拆卸方便，可以重复使用，模具箱有效长度为60 cm，宽度为14 cm，高度为18 cm。在侧向木板内侧提前刻制出凹槽，间距1 cm。采用PVC硬隔板嵌入凹槽中，PVC硬隔板有相当的硬度，保证在浇筑过程中没有明显的挤压变形。同时，模具箱两侧上部用铁丝穿孔固定，保证模具箱在浇筑振动过程中的稳定。最终所制备得到的水泥砂浆薄板厚度均为1 cm。

2.2 水泥砂浆薄板浇筑

利用上述模具箱浇筑类岩石薄板的具体流程如图6所示。

图6 水泥砂浆薄板浇筑成型

(1) 组装模具箱，模具箱内涂抹凡士林密封，同时涂抹脱模剂。

(2) 按设计配比称重原材料，投入搅拌机充分搅拌，为保证材料混合均匀，采用先放水泥、再放黄砂、最后放水的次序。在放置水泥和黄砂后，先用搅拌机干搅2 min，使水泥和黄砂混合均匀，然后将预定配比的自来水倒入搅拌机中与干料混合并再次搅拌4 min，保证其达到设计稠度。

(3) 将搅拌均匀的水泥砂浆倒入已组装好的模具箱内，为消除水泥砂浆内部的气孔，将灌浆的模具置于低频振动台上振动2 min后取下，期间随时补充物料。

(4) 将已浇筑好的水泥砂浆从振动台上取下，并用塑料膜覆盖养护。

(5) 静置48 h候拆除模具，取出水泥砂浆薄板，重复组装模具箱，重复(1)、(2)、(3)、(4)步骤。

(6) 将水泥砂浆薄板放置在阴凉处保养4周。

2.3 水泥砂浆薄板粘贴拼装

将水泥砂浆薄板静置养护28 d，待其强度达到设计强度后，便可以进行粘贴拼装。在拼装前，擦去每片水泥砂浆薄板的表面灰尘，同时剔除表面有明显孔洞及不平整的薄板。

一次粘贴叠加薄板至所需成型高度，不同倾角的成品所需拼装高度不同，为保证所叠加的薄板数量所至的高度达到试样成型的要求，在不考虑人造粘接剂的厚度前提下，各个角度所需叠加拼装的高度及所需薄板数量如表2所示。

表2 粘贴拼装所需水泥砂浆薄板数量

2.4 切割加工

粘贴拼装完成后，晾置7 d，使其完全固化。按照所需层理倾角，在每个待加工试样表面描摹好切割线，如图7所示，通过改变直角三角形垫块的角度，并将切割刀片对准事先临摹好的切割线，保持切割刀片沿线切割，便可得到相应层理倾角的立方体试样。将一个立方体试样沿中心切割成4个尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的长方体块，即可得到层状类岩体单轴压缩试样。

将切割完成后的直剪试样及单轴压缩试样放置阴凉室内养护14 d后即可开始加载试验。

3 层状类岩体试验结果

为验证本文人工制样类层状岩体试样，对本文制样方法所制备的层状类岩体试样进行单轴压缩试验，并将试验规律与天然层状岩体进行对比验证。单轴压缩试样共包含7种不同层理倾角，试验采用位移加载控制，加载速率为0.01 mm/s。

图7 不同层理倾角试样切割示意图

本次试验在YZW50型微机控制的电动应力式直剪仪上进行。

如图8所示为7种不同层理倾角下层状类岩体试样的单轴压缩全应力-应变曲线。其各不同层理倾角下的弹性模量及峰值强度结果如表3所示。

3.1 弹性模量随层理倾角的变化规律

表4列出了已有文献中通过单轴压缩试验测量所得到的各类天然层状岩体的弹性模量随层理倾角的变化规律，定义弹性模量各向异性度Emax/Emin。

图8 层状类岩体单轴压缩全应力-应变曲线

表3 层状类岩体单轴压缩试验结果

表4 天然层状岩体单轴压缩弹性模量试验统计结果

从表4中可以看出，层状岩体单轴压缩弹性模量随层理倾角的变化趋势一般都呈现U型或递增型。

而本文所制备的层状类岩体单轴压缩弹性模量随层理倾角的变化趋势表现为先降低再增大的U型变化，在β=45°时取最小值(E45=1.53 GPa)，在β=90°时取最大值(E90=5.21 GPa)，如图9所示。本文试样弹性模量各向异性度为3.405，表明本文所制备的类层状岩体试样具备层状岩体的变形特性。

3.2 峰值强度随层理倾角的变化规律

表5列出了已有文献中通过单轴压缩试验测量得到各类天然层状岩体的峰值强度随层理倾角的变化规律，定义峰值强度各向异性度UCSmax/UCSmin。

图9 类层状岩体单轴压缩弹性模量随层理倾角的变化趋势

表5 天然层状岩体单轴压缩峰值强度试验统计结果

从表5中可以看出，层状岩体的单轴压缩强度随层理倾角变化的最大值主要集中在β=0°或β=90°时，而最小值一般都集中在β=45°～75°，其峰值强度各向异性度的范围较大。如图10所示为本文层状类岩体试样单轴压缩峰值强度随层理倾角的变化曲线，其中连续曲线为单一弱面强度准则的理论解。

图10 单轴压缩峰值强度随层理倾角的变化趋势

从表5及图10中可以得到，本文的层状类岩体试样的单轴压缩强度在β=90°时取最大值，β=0°与β=90°下的峰值强度相近；在β=60°左右取最小值，峰值强度随层理倾角呈先降低、后增加的U型趋势；峰值强度各向异性度UCSmax/UCSmin=2.73，在表5的合理范围内。证明本文所制备的类层状岩体试样也具备天然层状岩体的强度特性。

4 层状类岩体试样单轴压缩破坏模式分析

验证了本文层状岩体制样方法的合理性后，即开展不同层理倾角条件下层状岩体单轴压缩破坏模式分析。

层状岩体受压破坏形态及模式是由层理和基岩体共同决定，图11展示了不同层理倾角条件下层状类岩体试样的单轴压缩破坏形态。

在加载过程中可以观察到，当单轴压缩轴向应力达到峰值强度时，试样中开始出现多个宏观裂纹，并迅速汇合形成贯穿裂纹，形成宏观拉伸或剪切破裂面，试样失去继续承载的能力，应力-应变曲线出现应力陡降。而随着层理倾角的变化，其破坏形态具有明显的各向异性，如图11所示，层状类岩体的破坏形态主要分为四种。

图11 不同层理倾角条件下层状类岩体单轴压缩破坏形态

当层理倾角β=0°～15°时，试样形成贯穿整个试样的破裂面，且破坏面直接贯穿层理。这是因为此时试样内最大主应力σ1几乎垂直层理，同时试样内最大剪应力τmax与层理的夹角较大，此时σ1对层理的压应力效果达到最大，τmax对层理基本没有影响，层理的滑移破坏受到完全抑制，试样直接在σ1作用下发生基岩内破坏。

当层理倾角β=30°～45°时，试样为基岩破坏与层理破坏的混合破坏模式。此时，τmax与层理的夹角逐渐减小，τmax对层理的作用开始显现，试样开始出现沿层理破坏。β=30°时试样在左右两侧形成两个大角度的剪切破裂面，贯穿多个层理向中部扩展，两个剪切破裂面在中部与层理交汇并沿着层理方向扩展。当β=45°时，试样开始形成明显的沿层理的破裂面。

当层理倾角β=60°～75°时，试样内只包含沿层理的破坏面。此时τmax对层理的作用达到最大，同时σ1对层理的法向压缩作用越来越小，已经不能起到抑制层理发生滑移的作用，试样在发生基岩内的劈裂破坏前就已发生了沿层理的滑移破坏。此时试样以层理处的破坏为主，其单轴压缩峰值强度则主要由层理控制。

当层理倾角β=90°时，试样的破裂主要为沿着层理方向的破坏，平行于加载方向，且贯通整个试样。此时τmax与层理法向的夹角又达到最大，τmax失去对层理的影响作用，σ1与层理处于平行状态，σ1的作用使得试样侧向变形过大而导致层理发生拉伸破坏，多个贯通的纵向破裂面将试样分成多个薄板状岩体，作用在层状类岩体试样上的作用力相当于作用在多个竖向组合柱上，此时试样仍能继续承载，类似于结构中的“压杆效应”。

5 结 论

本文结合现有的两种模拟层状岩体试样制样方法的优点，提出一种层状类岩体人工制样方法。

(1) 以32.5号普通水泥作为胶结材料，黄砂为骨料材料可以很好的模拟出岩石的力学特性。同时，通过不断调试，试验配置了以环氧树脂为主要胶凝材料、掺加相应比例的建筑腻子粉和无水乙醇以获取层间粘结剂，通过层间剪切试验可以证明所获取的层间粘结剂能很好的模拟出层理的力学特性。

(2) 制作并加工了以人工粘结剂为层间粘结材料、层间厚度为10 mm的层状类岩体单轴压缩试样，岩层倾角依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。单轴压缩试验结果表明，试样的弹性模量和峰值强度都随着层理倾角的增大呈现先降低后增大的变化趋势。其弹性模量各向异性度Emax/Emin=3.405，峰值强度各向异性度UCSmax/UCSmin=2.73，与已有的天然层状岩体室内试验统计规律相符。证明本文的人工制样试样具备层状岩体的变形及强度特性。

(3) 层状岩体单轴压缩的破坏模式主要可以分为以下几类：①β=0°～15°时，试样形成贯穿整个试样的破裂面，破裂面直接贯穿层理；②β=30°～45°时，试样为基岩破坏与层理破坏的混合破坏模式；③β=45°～75°时，试样在层理处发生滑移破坏；④β=90°时，试样主要发生沿层理方向的张拉劈裂破坏。