层理特性对层状岩体剪切力学特性的影响研究

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)

近年来，鉴于美国页岩气革命的成功，页岩气油气资源的勘探开发成为我国研究的热点。而页岩气是一种非常规能源，其储层载体——页岩具备显著的层状特性。层状构造赋予层状岩体强烈的力学各向异性，其在物理力学性质及破坏机制上所体现出来的各向异性会直接影响页岩气开采的效率。

Tien等[1]用不同材料进行层状类岩石材料人工制样，开展单轴及三轴压缩试验，证明其力学特性与天然层状岩体相似，以此为基础扩展了Salamons模型[2]，提出考虑层间不充分粘结时层状岩体本构模型。何沛田等[3]将黑灰色钙质页岩制成长方体试件进行单轴压缩试验，结果表明页岩块极限抗压强度受层理结构面控制。梁正召等[4]基于RFPA2D数值模拟软件，用2种不同的岩石材料组成7种不同层理倾角的层状岩石试件，提出对横观各向同性岩体破坏准则的研究必须考虑层理倾角的影响，针对不同的破坏方式应采用不同的破坏准则。何忠明等[5]通过室内试验研究，分析层状岩体的变形以及强度特征，得出90°倾角试样的抗压强度明显大于0°倾角试样。熊良宵等[6]以锦屏Ⅱ级水电站绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象开展蠕变特性试验，试验表明当互层状岩体中大理岩夹层的体积含量相同时，0°倾角试样的破坏强度大于90°倾角试样。李银平等[7]开展盐岩试样、硬石膏试样以及含硬石膏夹层盐岩试样3种岩体的直剪试验，研究了湖北云应盐矿深部层状盐岩，尤其是盐岩和硬石膏夹层界面的抗剪性能。赵海斌等[8]以淋溪河水电站坝址岩体现场直剪试验为依据，结合数值试验方法，引入结构面产状影响系数来度量层状岩体抗剪强度各向异性。

由以上可知，层状岩体的力学特性的研究主要涉及到其抗压及抗拉的强度和弹性变形参数及破坏特征的各向异性研究[9-10]，对层状岩体剪切破坏过程中的强度和弹性变形参数及破坏特征的研究较少。层理的存在使得层状岩体容易发生剪切破坏，研究层状岩体的抗剪特性具有重要的理论工程应用价值。因此本文开展不同层理倾角、层理间距以及层理粘结强度条件下层状岩体的直剪试验，以期研究层理的存在对其剪切特性的影响。

1 直剪试验试样制备

1.1 试样制备

本文采用人工制样方法制备层状岩体直剪试样。选取32.5号普通水泥作为胶结材料[11-12]，选取黄砂作为骨料材料，制作水泥砂浆模拟基岩；以环氧树脂为主要胶凝材料制备人造粘结剂[13-15]，以模拟复合层状岩体的层间粘结效果，同时通过掺加一定比例的弱化材料以调制出具备不同粘结强度的人工粘结剂。通过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。试样制备过程如图1所示。

图1 层状类岩体试样制备流程图落

根据试验方案，本试验的试样主要分为三类：1 cm厚层理间距下采用强力人工粘结剂的S类试样；1 cm厚层理间距下采用弱力人工粘结剂的W类试样；2 cm厚层理间距下采用强力人工粘结剂的B类试样。每种试样制备出7种不同层理倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)。切割打磨完成后的层状岩体直剪试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，不同类别层状岩体试样成品如图2所示。

图2 层状类岩体直剪试验试样

1.2 试验设备

本次直剪试验在YZW50型微机控制电动应力式直剪仪上进行。设备法向和切向最大压力为500 kN，切向速度可调范围为0.1 kN/s～20 kN/s，本文试验采用位移控制加载方式，加载速率为0.01 mm/s。在试验的过程中，系统会自动采集法向与切向的力和位移等数据，软件控制界面可以实时显示对应监测的压力-时间曲线。直剪试样受力情况如图3所示。

图3 直剪试验试样受力图

2 直剪试验

由于在W类试样中层理倾角为45°～75°时的单轴压缩抗压强度较低，因此在进行直剪试验时，为保证在施加法向压力荷载时试样不被压坏，45°和75°试样的法向压力σn依次取为2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、6.0 MPa，60°试样的法向压力依次取为2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、5.0 MPa，W类其他层理倾角的试样以及S类和B类的所有层理倾角的试样的法向压力都依次取为2.0 MPa、3.0 MPa、5.0 MPa、10.0 MPa。试验时，首先施加竖向荷载，法向荷载按0.2 kN/s的速率加载至目标值；在目标值处保持稳定后，以位移控制施加水平切向荷载，控制速率为0.01 mm/s；当剪应力达到峰值、跌落并达到稳定的残余强度后停止加载，终止试验。

2.1 层状岩体直剪剪应力-剪切位移曲线

不同层理倾角下的S类、W类和B类试样在不同法向压力作用下的剪应力-剪位移关系曲线如图4—图6所示，限于篇幅，这里只展示0°、30°、60°以及90°层理倾角下的剪应力-剪切位移曲线。每组层理倾角下的试样都进行4组不同法向压力下的直剪试验(试验失败或试验结果误差较大的情形标记为缺失，如图6中B类试样下60°层理倾角下法向压力σn=3 MPa的试验结果缺失)。

图4 S类试样不同层理倾角下剪应力-剪切位移曲线

图5 W类试样不同层理倾角下剪应力-剪切位移曲线

图6 B类试样不同层理倾角下剪应力-剪切位移曲线

从图4—图6中可以看出，S类、W类和B类试样在不同条件下的剪切峰值强度及峰后的残余强度都随着法向压力的增大而相应的增加，且其剪应力-剪切位移曲线的总体变化趋势大致类似，其基本特点为：

(1) 挤密阶段。在加载初期，曲线斜率非常小，此阶段剪切位移增加较快，而剪应力变化很缓慢，当剪切位移增加到一定阶段时，剪应力-剪切位移曲线的斜率突然增大。这是由于剪切盒与试样之间、或试样内部存在一定的间隙，在施加剪切力之后，间隙被挤密，形成了初期整体曲线斜率较小的非线性变化阶段。而每个试样的几何尺寸的偏差导致其与剪切盒之间的间隙大小不同，使得初期挤密阶段的程度大小不同。有的试样几乎不存在加载初期的挤密阶段，而有的试样初期的挤密阶段非常明显。

(2) 峰前弹性阶段。在此阶段，剪切应力-剪切位移曲线的斜率突然增大，随后保持不变，剪切应力-剪切位移曲线近似为直线型，其剪切变形仍为弹性变形，此阶段的斜率定义为试样的切向刚度Ks。随着剪切位移的增大，剪切应力稳定上升，此阶段试样暂无微裂纹形成。除开压密阶段，大部分试样在不同法向压力下的峰前阶段的斜率基本相同。

(3) 峰前弹塑性阶段。在该阶段，剪应力-剪切位移曲线的弹性变化结束，曲线斜率逐渐偏离直线，由陡变缓而达到峰值强度，试样内部随机分布的微裂纹开始稳定扩展，并开始产生宏观裂纹，此时试样产生了不可逆转的塑性变形。

(4) 峰后软化阶段。此阶段为宏观裂隙形成与扩展阶段，在微裂纹发展到一定程度后，宏观上就会出现肉眼可见的裂隙，且随着剪切位移的增加，宏观上的裂隙开始扩展、交汇，并逐步贯通形成断裂带。剪应力-剪切位移曲线的斜率由正变负，剪应力发生急剧下降，产生了应力跌落现象，呈现明显的软化特征。

(5) 残余强度阶段。在宏观裂隙贯通形成断裂带后，随着剪切位移的增加，试样断裂带的上下两部分会出现相对滑移或错动，该阶段中剪应力-剪切位移曲线比较平缓，进入残余强度阶段，为岩石剪切强度的滑动弱化现象。这时，试样虽然已受到剪切破坏，但剪切面仍有一定的摩擦强度。

相对于其他层理倾角，层理倾角为0°时的试样在直剪时的预设剪切面就是层理，因此其得到的是层理的剪切力学参数。其在不同法向压力作用下的曲线峰值后的应力跌落现象更突出，剪应力强度的突然跌落是由于发生了突然完全克服层理黏聚力的作用，而发生了层理的滑动破坏。

2.2 层状岩体抗剪强度的各向异性特征

本文通过4组不同法向压力下的直剪试验获得试样的峰值抗剪强度，采用摩尔-库仑准则可计算出不同层理倾角条件下的等效黏聚力c和内摩擦角φ，如图7所示。该准则认为在法向压力较小时，抗剪强度与法向压力近似为线性关系：

τ=σntanφ+c

(1)

图7 摩尔-库仑强度包络线

通过在不同的法向压力作用下得到不同的峰值抗剪强度，则该两个应力状态点(σ1，τ1)、(σ2，τ2)的连线与τ轴截距视为黏聚力c，连线与σ轴的夹角视为内摩擦角φ。

图8为3类试样下的不同层理倾角试样在不同法向压力作用下的摩尔-库仑强度包络线。

图8 3类试样中摩尔-库仑强度包络线

不同层理倾角条件下的直剪结果线性拟合后的结果如图9和10所示。从图9和图10中可以看出，3种层理条件下的试样的等效黏聚力和内摩擦角都随着层理倾角的变化而变化，表现出一定的各向异性，且根据不同的层理间距及层理力学强弱表现出不同的变化趋势。

图9 3类试样等效黏聚力随层理倾角的变化趋势

图10 3类试样等效内摩擦角随层理倾角的变化趋势

2.3 层理特性对层状岩体剪切强度特性的影响

2.3.1 层理倾角对层状岩体剪切强度特性的影响

3类试样在不同层理倾角条件下，其剪切特性都表现出一定的各向异性。理论上讲，对于层理倾角为0°的试样，获得的抗剪强度为层理的抗剪强度；而层理倾角为90°的试样，剪切时受层理影响最小，其抗剪强度应最接近基岩材料的抗剪强度。而从图8中可以看出，对于W类试样而言，基岩之间由较弱的B类人工粘结剂粘贴，其抗剪强度在0°时最小；对于B类试样和S类试样而言，其最小抗剪强度却在60°左右取得。证明层理对层状岩体抗剪强度的弱化影响不仅在于层理自身较弱的力学特性，同时也与层理倾角密切相关。层理倾角较大的试样在剪切加载过程中，破裂后的不同倾角的层理将层状岩体隔断成相互平行的基岩薄板，使其相对易于被剪断，在层理倾角为60°左右时，层理倾角对层状岩体的抗剪强度的弱化效应达到最大。

2.3.2 层理间距对层状岩体剪切强度特性的影响

B类试样与S类试样具有相同的层理强度，对比B类试样和S类试样的试验结果可以分析层理间距对层状岩体剪切强度特性的影响。

从图9和图10中可以看出，不同层理倾角下的B试样与S试样的等效黏聚力几乎完全吻合，表明层理间距对层状岩体的等效黏聚力的影响不大。这是因为，本文中层间粘结强度与岩层强度接近。

同时，B类试样与S类试样的等效内摩擦角随着层理倾角的变化趋势相同，都呈先增大、后减小再增大的变化趋势；在小层理倾角(β=0°～30°)以及大层理倾角(β=75°～90°)下，两者的等效内摩擦角相近，在中间层理倾角 (β=30°～75°)时，S类试样的等效内摩擦角要明显高于B类试样。这是因为，在小层理倾角时，层理在直剪过程中的预设剪切破坏面的投影很大，此时，层理上的摩擦特性在整个试样的摩擦特性中仍占主导作用，层理的数量，即层理的间距对其的影响并不大；同时，在大层理倾角时，试样在直剪过程中的摩擦力也几乎完全由基岩材料承担，因此不同的层理间距对其也几乎没有影响；而中间层理间距时，层状试样在直剪过程中容易先发生沿层理的滑移破坏，最终预设剪切带附近会形成锯齿破坏面，层理间距越小，其锯齿破坏面的粗糙程度越大，因而其等效内摩擦角越大。

2.3.3 层理强度对层状岩体剪切强度特性的影响

S类试样与W类试样具有相同的层理间距，对比S类试样和W类试样的试验结果可以分析层理强度对层状岩体剪切强度特性的影响。

如图9和图10中所示，相对于层理间距，层理强度对层状岩体试样的等效黏聚力及等效内摩擦角都有很大的影响。总体来说，W类试样的抗剪力学参数大部分都明显弱于S类试样。W类试样的等效黏聚力随层理倾角的变化趋势为先增大、后减小再增大，明显弱于S类试样；在层理倾角为90°时，两者的等效黏聚力相近，因为此时层理对层状岩体的剪切力学特性的影响最小。相对的，S类和W类试样的等效内摩擦角随层理倾角的变化趋势相同，且W类试样在层理倾角为0°～30°以及75°～90°时的等效内摩擦角都要小于S类试样，而在45°时则明显高于S类试样。这可能是因为45°层理倾角下的W类试样在剪切过程中，相对于S类试样，其层理更容易发生破裂，导致其剪切破坏区域更大、剪切带的粗糙程度更大，因而导致其在45°时的等效内摩擦角高于S类试样。

3 层状岩体直剪破坏形态

本文所制的3类层理特性试样的破坏形态在外观上并无明显差异，因此这里只罗列W试样在不同层理倾角条件下的破坏形态。图11为W试样在3 MPa法向压力下的各不同层理倾角下的破坏形态。如图11所示，不同层理倾角下，层状类岩体试样的破裂形态可以大致分为四类，具体破坏形态特征分析如下：

(1) 层理倾角为0°试样的直剪完全是层理的剪切，因此，其破坏形态主要为沿层理的滑移破坏，破裂面非常平整。

(2) 层理倾角为15°和30°试样的破裂面比较平整。由于剪切面与层理的夹角较小，试样在剪切破坏时，容易沿着层理破裂，如15°试样右半侧的破坏主要是沿着层理，与左侧的水平破裂面连接，形成贯通整个试样的破裂面。此时试样的剪切破坏主要为沿基岩剪断破坏和沿层理滑移破坏的复合破坏。

(3) 层理倾角为45°～75°试样在剪切过程中的破裂面不再平整，而是在剪切过程中产生了不同程度的剪切破坏区域。其剪切破坏区域的大小主要受层理倾角的影响，在试样中部会观察到发生了明显的层理开裂现象，再由开裂层理的末端发生基岩的剪断破坏。在45°层理倾角条件下其开裂的宽度最大，剪切破坏区域最大，破裂粗糙程度也最大。此时试样的破坏模式主要为沿层理的张拉破坏和基岩体的剪断破坏的复合破坏。

(4) 层理倾角为90°试样的剪切破坏主要为沿着基岩体的剪断破坏。由于层理倾角较大，试样在剪切过程中的水平剪切推力在层理方向的分量过小，使其不足以克服层理粘结力作用而发生沿层理的滑移破坏。

图11 层状类岩体试样不同层理倾角下的破坏形态图

4 结 论

本文通过人工制备不同层理条件下的层状岩体试样，开展不同层理特性下的层状类岩体直剪试验，结论如下：

(1) 随着层理倾角的增大，层状类岩体的抗剪强度指标呈现先增大、后减小、再增大的变化趋势，在30°左右取极大值，在60°左右取极小值。

(2) 在本文的层间粘结强度条件下，层理间距对层状岩体的剪切力学特性的影响较小；层理粘结强度的降低会整体弱化各层理倾角下层状类岩体试样的抗剪强度参数。层状岩体的抗剪强度受层理的弱化影响主要来源于层理自身较弱的力学特性和层理倾角效应两个方面。在层理倾角为60°左右时，层理倾角对层状岩体的抗剪强度的弱化效应达到最大。

(3) 层状岩体的直剪破坏形态随层理倾角的不同可以归纳为4种：β=0°时，完全沿层理的滑移破坏；β=15°～30°时，破裂面较为平整，为沿基岩剪断破坏和沿层理滑移破坏的复合破坏；β=45°～75°时，破裂面不再平整，形成剪切破坏区域带，为沿层理的张拉和基岩体的剪断的复合破坏；β=90°时，主要为沿着基岩体的剪断破坏。