炭质页岩力学特性各向异性及其破坏机制研究

曹洋兵，陈杨涛，张 遂，李新卫，沈红钱

(1.福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108；2.国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)，福建 福州 350108；3.贵州省地质矿产勘查开发局一〇三地质大队，贵州 铜仁 554300)

0 引言

炭质页岩广泛分布于我国西南山地地区，由于加载方向和页理面之间的空间关系显著影响其力学行为与各向异性，制约着炭质页岩强度、变形及声波速度等参数的准确给定，由此严重威胁含炭质页岩的矿山安全高效开采与长期运营.因此，开展炭质页岩力学特性各向异性及其破坏机制研究具有重要的理论意义与工程价值.

当前，对炭质页岩等层状岩体的峰值强度、纵波波速各向异性等已取得重要成果.衡帅等[1]基于三轴压缩试验研究不同围压下炭质页岩各向异性及破坏模式，发现同等围压下页理面与加载方向夹角为30°时抗压强度最低；Niandou等[2]基于三轴压缩试验研究Tournemire页岩各向异性，表明围压对各向异性影响显著；Kuila等[3]研究低孔隙度页岩的应力及波速各向异性；杜梦萍等[4]对炭质页岩进行巴西圆盘劈裂试验，发现强度随着页理与加载方向夹角的增大而逐渐增大；张萍等[5]与侯振坤等[6]对龙马溪组页岩进行单轴压缩试验，发现抗压强度随角度呈“U”型变化，最小抗压强度于夹角为30°时取得.基于三轴压缩试验，Kovrizhnykh等[7]对粉砂岩、片岩，Nasseri等[8]对喜马拉雅片岩，陈天宇等[9]对黑色页岩，高春玉等[10]对砂板岩，尹晓萌等[11]对片岩，系统地研究层状岩体力学特性的各向异性，其试验结果都表明，围压对各向异性抑制明显且抗压强度随页理面/片理面/层理面与加载方向夹角呈“U”型变化.除此之外，闫小波等[12]对泥质粉砂岩和褐红色泥岩开展单轴抗压强度试验，研究试样饱水前后强度的各向异性；Cho等[13]对牙山片麻岩、保宁页岩和涟川片岩开展单轴压缩试验，揭示抗压强度最小值在夹角为15°～45°之间取得.焦述强等[14]还研究了超高压榴辉岩的波速各向异性；尹晓萌等[15]对武当群片岩进行纵波波速测试，发现纵波平行层理面时波速最大、垂直层理面时波速最小.

综上可知，目前对于页理面与加载方向呈何种夹角时炭质页岩(或页岩)的抗压强度最低，以及抗压强度随夹角呈“U”型变化的降低幅度等问题尚未取得统一认识，组构特征影响抗压强度的规律、炭质页岩的微观破坏机制等尚缺乏深入研究.基于此，选取贵州松桃李家湾锰矿矿体顶板炭质页岩为研究对象，该锰矿是目前我国锰矿山开采深度最深(大于1 200 m)、生产规模最大(2 000 t·d-1)的矿山，其矿体顶板炭质页岩变形破坏特征显著.为此，本文开展页理面与加载方向不同夹角条件下炭质页岩的纵波波速试验、单轴压缩试验及电镜扫描试验，分析纵波波速、弹性模量、单轴抗压强度等参量随夹角的变化规律，揭示宏观破坏特征及微观破坏机制，可为相关岩体工程提供数据参考和借鉴.

1 力学特性各向异性的试验研究

1.1 试样采取与制备

由于炭质页岩块体呈现高脆性并富含隐节理，导致制样极为困难，制样成功率不足10%.最终，制得页理倾角为0°、24°、58°和90°的直径50 mm炭质页岩圆柱样各4块(图1)，其精度满足《工程岩体试验方法标准(GB/T 50266—2013)》[16]要求.但由于炭质页岩具有沿页理面易开裂特征，仍有部分制成的样品高度略低于100 mm，对此类样品按照文献[16]求得标准高径比下的力学特性：

(1)

式中：R为标准高径比下的抗压强度；R′为任意高径比下的抗压强度；D为试样直径；H为试样高度.

1.2 试验条件与方法

图1 部分试样展示图Fig.1 Demonstration drawings of some samples

基于非金属超声检测分析仪获取炭质页岩的纵波波速；基于数控式岩石力学电液伺服试验系统开展单轴压缩试验，按照文献[16]的加载控制要求，采用应力控制方式进行加载，加载速率约为0.54 MPa·s-1，并采用高清摄像机记录岩石破裂失稳全过程.

1.3 试验结果分析

1) 波速各向异性.以纵波入射方向与页理面夹角α作为变量，获得各试样的纵波波速与夹角的关系见图2.由图可知，当夹角为0°(纵波入射方向与页理面平行)时，纵波波速最大，随着夹角增大，波速逐渐减小，当夹角为90°时的波速最小.此种规律性认识总体与前人研究结论类似，其原因在于页理面存在空隙而纵波波速较小，页理面之间的基质体较为致密而波速较大.定义波速各向异性系数Rv为各组最大平均纵波速度vpmax与各组最小平均纵波速度vpmin的比值，可得Rv为1.44.经数据拟合可得纵波波速vp(m·s-1)与夹角α(°)两者之间的函数关系为：

vp=-0.006 15α3+0.664 79α2-26.257 99α+5 066 (R2=0.904)

(2)

2) 应力-应变曲线及宏观破坏特征.以应力加载方向与页理面夹角β作为变量，获得不同夹角下炭质页岩单轴压缩应力-应变曲线(见图3,同一组试样的应力-应变曲线特征类似，图中为各组典型曲线).由图3可知，曲线在起始阶段都有小幅度上凹现象，表明试样被压密；而后进入弹性压缩状态.值得探讨的是，32°和66°夹角试样在峰前出现轻微波浪状曲线，可能是局部脆性断裂所致，类似于加载导致小型“锁固段”破坏；峰后阶段都表现出明显的应变软化特征，且32°和66°夹角试样的峰后曲线斜率大于0°和90°.

图2 纵波波速随夹角α的变化规律图Fig.2 Variation law of P-wave velocity with different intersection angle α

图3 单轴压缩应力-应变曲线图Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curve

基于炭质页岩单轴压缩过程中的高清摄像资料，总结出不同应力加载方向与页理面夹角β条件下炭质页岩宏观破裂失稳全过程特征(最终典型破坏特征见图4).

①β=0°.随加载进行，试样外表面开始出现薄片状剥落体，有劈裂声响，随后岩样出现多个平行于页理面的竖直破裂面，并随即进入峰值强度，此时破裂面贯通、岩样崩落、发生巨响，最终破坏特征见图4(a)，破坏后的岩样含有较多平行于页理面的破裂面、碎块多为板状、可见少许黑色粉末.

②β=32°.随加载进行，试样近端面部位开始出现小块状弹射体，有声响，随后岩样产生近58°的破裂面(与页理面近似平行)，此后该类破裂面迅速贯通并进入峰值强度，破坏时声响较小，最终破坏特征见图4(b)，破坏后的岩样较为完整、可见黑色粉末.

③β=66°.随加载进行，试样开始出现小块状弹射体，有声响，随后岩样产生大角度的倾斜破裂面(与页理面大角度斜交)，此后该类破裂面与岩样近似24°页理面贯通并进入峰值强度，破坏时声响较大，最终破坏特征见图4(c)，破坏后的岩样较完整、可见黑色粉末.

④β=90°.随加载进行，试样有侧向膨胀趋势，开始出现小块状弹射体，有声响，随后岩样产生竖直破裂面(与页理面近似正交)，此后该类破裂面与近水平的页理面贯通并进入峰值强度，破坏时声响大，最终破坏特征见图4(d)，局部块体十分破碎，残留块体较完整.

3) 弹性模量各向异性.由弹性模量随应力加载方向与页理面夹角β的关系(图5)可知，当夹角为0°(加载方向与页理面平行)时，弹性模量最大(16.56 GPa)，随着夹角增大弹性模量逐渐变小，在夹角为90°时的弹性模量取得最小值14.48 GPa，最大降低幅度达12.56%.此种规律总体上与波速的各向异性类似.定义弹性模量各向异性系数RE为最大弹性模量Emax与最小弹性模量Emin的比值，可得RE为1.14.经数据拟合，弹性模量E(GPa)与夹角β(°)两者之间的函数关系为：

E=-0.022 96β+16.459 06 (R2=0.984)

(3)

4) 单轴抗压强度各向异性.由单轴抗压强度σucs随应力加载方向与页理面夹角β的关系(图6)可知，σucs在β为0°和90°时较大，而32°和66°时较小，整体呈现出两头大中间小的“U”型特征.这与前人研究结论基本一致，但与文献[1,5-6]认为的β为30°时σucs最小所不同，经曲线拟合发现单轴抗压强度σucs的最小值在夹角β为37°时取得，与文献[13]的15°～45°范围相一致.本文认为σucs最小时β值与页理面的胶结程度、强度以及基质体的力学特性相关，不应是某常数.定义单轴抗压强度各向异性系数Rσ为最大单轴抗压强度σmax与最小单轴抗压强度σmin的比值，可得Rσ为124.51(β=0°)与41.36(β=37°)的比值，即为3.01.经拟合，单轴抗压强度σucs(MPa)与夹角β(°)两者之间的函数关系为：

σucs=-4.370 66×10-4β3+0.093 5β2-5.109 22β+124.51 (R2=1)

(4)

图5 弹性模量随夹角β的变化规律图Fig.5 Variation law of elastic modulus with angle β

图6 单轴抗压强度随夹角β的变化规律图Fig.6 Variation law of uniaxial compressive strength with angle β

2 典型破裂面的微观破坏机制

为了揭示不同加载方向与页理面夹角条件下炭质页岩的微观破坏机制，以下选取典型破裂碎片开展扫描电镜试验(SEM).根据前人成果[1,10]，破裂面的破坏机制与其破裂角度紧密相关，故本次重点选取峰前弹射碎片及破坏后的竖直、倾斜和水平三类碎片作为典型碎片，基于超高分辨率场发射扫描电子显微镜进行测试，以下取代表性断口形貌图进行分析.当前，应用SEM研究岩石断口破坏机制已得到较好的研究结果[17-23]，总体上，拉张破坏的典型微观形貌有沿晶-穿晶拉花、舌状花样、不含粉末的台阶状花样、根状花样、河流状花样等，其中沿晶-穿晶拉花是基本破坏花样，其余花样均是其衍生形式；剪切破坏的典型微观形貌有沿晶-切晶擦花、平行条纹花样、平行滑移线花样、含粉末的台阶状花样等，其中沿晶-切晶擦花是基本破坏花样，其余均是其衍生形式.

1) 弹射碎片.图7(a)可见台阶状拉花且无粉末堆积，矿物晶体被拉断，断口参差不齐；图7(b)可见沿晶拉花，大部分矿物颗粒完整，少量存在穿晶拉花；图7(c)可见不含粉末的台阶状拉花和穿晶拉花；图7(d)可见根状-河流状花样.以上都是典型的拉张破坏形貌，表明弹射碎片的破坏机制为拉张破坏.

图7 弹射碎片典型微观形貌图Fig.7 Typical microscopic topography of catapult fragments

2) 竖直破裂碎片.图8(a)可见矿物被拉断形成台阶状拉花并且在台阶上无粉末堆积，断口参差不齐；图8(b)可见矿物晶体被拉断，为典型的穿晶拉花；图8(c)可见一条主干和许多尾部分叉组成的河流状线条，属于根状-河流状花样；图8(d)可见矿物晶体颗粒完整，无岩粉岩屑堆积于破坏面并且未见颗粒有被摩擦的痕迹.以上都属于拉张破坏形貌，表明竖直破裂碎片为拉张破坏机制.

图8 竖直破裂碎片典型微观形貌图Fig.8 Typical microscopic topography of vertical rupture fragments

3) 倾斜破裂碎片.图9(a)不同于根状-河流状花样，其表面可见大量粉末碎片堆积于表面；图9(b)可见台阶状花样并有矿物碎片粉末被擦碎堆积于台阶下，在左下角可见小划痕；图9(c)可见平行滑移线并在滑移线处可见矿物碎片散布；图9(d)可见含粉末的台阶状花样.以上都属于剪切破坏形貌，表明其为剪切破坏机制.

图9 倾斜破裂碎片典型微观形貌图Fig.9 Typical microscopic topography of inclined rupture fragments

4) 水平破裂碎片.图10(a)～(b)可见平行条纹花样及擦碎的矿物粉末；图10(c)可见片状的反阶步形貌及小擦痕；图10(d)可见许多被研磨剪碎的矿物碎片.以上都属于剪切破坏形貌，故其为剪切破坏机制.

图10 水平破裂碎片典型微观形貌图Fig.10 Typical microscopic topography of horizontal rupture fragments

3 不同夹角β下炭质页岩破坏过程机制

由上述SEM扫描测试可知，弹射碎片和竖直破裂碎片主要为拉张破坏机制，倾斜破裂碎片和水平破裂碎片主要为剪切破坏机制，由此结合炭质页岩单轴压缩宏观破裂失稳过程，获得不同加载方向与页理面夹角β下炭质页岩单轴压缩破裂失稳过程机制(图11)如下.

①β=0°.加载不久后出现的竖直薄片状剥落体为拉张破坏，峰前出现的竖直破裂面也为拉张破坏，即炭质页岩破坏过程主要为拉张破坏机制，此种夹角下页理面的抗拉强度和基质体的抗拉(弯折-拉断)强度协同控制试样的力学特性.

②β=32°.加载不久后出现的小块状弹射体为拉张破坏，峰前产生的近58°倾斜破裂面为剪切破坏，并由此形成局部剪切条带，即炭质页岩主要为沿页理面的剪切滑移破坏，此种夹角下页理面的抗剪强度控制试样的力学特性.

③β=66°.加载不久后出现的小块状弹射体为拉张破坏，峰前产生的大角度倾斜破裂面为剪切破坏，即炭质页岩主要为沿页理面和切断基质体的剪切破坏，此种夹角下页理面的抗剪强度和基质体的抗剪强度协同控制试样的力学特性.

④β=90°.加载不久后出现的小块状弹射体为拉张破坏，峰前产生的竖直破裂面为拉张破坏，水平破裂面为剪切破坏，即炭质页岩主要为拉张破坏，并含有少量沿页理面的滑移剪切破坏，此种夹角下页理面的抗剪强度和基质体的抗拉强度协同控制试样的力学特性.

图11 不同夹角β下炭质页岩破坏机制示意图Fig.11 Schematic diagram of the failure mechanism of carbonaceous shale under different angles β

4 结语

1) 炭质页岩纵波波速随纵波入射方向与页理面夹角α增大而逐渐减小，其各向异性系数RV为1.44；不同应力加载方向与页理面夹角β条件下，单轴压缩应力-应变曲线有压密及弹性压缩阶段，表现出明显的应变软化特征，32°和66°夹角试样的峰后曲线斜率大于0°和90°试样.

2) 单轴压缩下，炭质页岩弹性模量随应力加载方向与页理面夹角β增大而逐渐变小，最大降幅达12.56%，其各向异性系数RE为1.14；单轴抗压强度σucs在β为0°和90°时较大，32°和66°时较小，呈现出两头大中间小的“U”型特征，且σucs的最小值在β为37°时取得，其各向异性系数Rσ为3.01.

3) 试验结果表明，β=0°时，炭质页岩主要为拉张破坏，页理面的抗拉强度和基质体的抗拉(弯折-拉断)强度协同控制试样的力学特性；β=32°时，炭质页岩主要为沿页理面的剪切滑移破坏，页理面的抗剪强度控制试样的力学特性；β=66°时，炭质页岩主要为沿页理面和切断基质体的剪切破坏，页理面的抗剪强度和基质体的抗剪强度协同控制试样的力学特性；β=90°时，炭质页岩主要为拉张破坏，并含有少量沿页理面的滑移剪切破坏，页理面的抗剪强度和基质体的抗拉强度协同控制试样的力学特性.