基于单轴压缩试验的绿泥石片岩各向异性

陈 懿，周亚军，李志刚

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，扬州 225127；2.扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127)

武当山群片岩是一类质软易风化的区域变质岩，在中国鄂西北地区广泛分布。此类岩石内部均发育有密集分布且大致平行的软弱片理面，使其物理力学性质呈现出明显的各向异性特征。这一特殊性岩石会给该地区工程建设带来很多工程地质问题，甚至造成工程失稳破坏[1-2]。因此，在片岩区进行工程设计、开挖、建设、评估以及不稳定边坡防治等工作，必须考虑片岩的各向异性特征。

目前，针对各向异性岩体已有较多的研究成果。Ramamurthy等[3]和Nasseri等[4]对层状岩体力学参数的各向异性进行了试验和理论研究，并建立了横观各向同性岩体的破坏准则。Cho等[5]通过单轴压缩和巴西劈裂试验研究了片麻岩、页岩和片岩这3种岩石强度及弹性参数的各向异性特征。席道瑛等[6]从广义虎克定律出发，研究了砂岩变形性质的各向异性。陈天宇等[7]开展了不同围压、不同层理角度黑色页岩的力学试验研究，揭示了黑色页岩的力学行为和各向异性特性。前人研究主要集中在沉积岩中各项异性岩体方面，成果较多也较成熟。然而，对于变质岩类中的片岩，由于片理面软弱易开裂，制样十分困难，因此这类岩石的各向异性研究还相对较少，但也取得了一定成果。尹晓萌等[8-9]、刘杰等[10]采用单轴压缩、三轴压缩试验进行研究；张春生等[11]通过数值模拟分别研究了石英云母片岩物理力学性质的各向异性特征；刘胜利等[12]通过单轴压缩和巴西劈裂试验研究了绿泥石片岩力学性质的各向异性。前人对片岩类岩石各向异性研究多是从试验数据及数值模拟的角度分析其宏观破坏模式及力学性质各向异性的规律及机制，但是对其微观破坏模式的各向异性及从微观角度分析其宏观力学性质各向异性的机制研究较少。

基于此，选取鄂西北武当山群的绿泥石片岩作为研究对象，通过室内一系列物理力学试验，研究其物质组成、微观结构，片理面影响下的微观、宏观破坏模式以及其物理力学性质的各向异性，并对其物理力学性质的各向异性及产生机制从微观和宏观角度进行了深入的分析和研究，为该类片岩区岩石工程设计与施工提供理论依据。

1 研究对象

以绿泥石片岩为研究对象进行室内试验，试验岩样取自鄂西北某绿泥石片岩边坡，所取岩样为弱风化，呈绿色的完整块体。

图1 绿泥石片岩显微镜下图像Fig.1 Microscopic image of chlorite schist

通过对岩样进行薄片鉴定，可知该绿泥石片岩为粒状鳞片变晶结构，片状构造；主要矿物成分为绿泥石和石英，分别约占50%、30%，还有少量的绿帘石和方解石等。根据岩石中绿泥石、绿帘石、透闪石都互相接触，判定其属于同一个矿物共生组合，变质程度为低级区域变质相，低温的变质条件，少量方解石杂乱分布于岩石粒间，属于晚期充填的产物。据上述矿物成分的特征，该绿泥石片岩石属于基性变质岩。该绿泥石片岩中的主要矿物绿泥石和石英连续定向排列，形成密集且大致平行分布的片理面。显微镜下绿泥石片岩结构、构造及矿物分布如图1所示。

2 试验方法

2.1 试件制备

为研究绿泥石片岩的各向异性，将绿泥石片岩分别加工片理面水平和片理面垂直的φ50 mm×100 mm的标准圆柱体试件，即试件片理面倾角θ分别为0°和90°。将加工好的试件按倾角θ分为0°和90°两组进行波速测试，获得片理面对波速的影响特征。加工好的绿泥石片岩试件如图2所示。

图2 不同片理面倾角的绿泥石片岩试件Fig.2 Specimens of chlorite schist with different angles of foliation

2.2 试验方法

依据波速测试结果，挑选加工好的试件(编号P-1～P-6)分为两组，每组3块，每组试件的波速相同或相近。单轴压缩试验采用MTS-815型岩石力学试验系统(图3)，试验加载速率为1×10-3mm/s，全程采集试件在加载过程中的应力、轴向和环向的应变。

图3 MTS-815型岩石力学试验系统Fig.3 MTS-815 experiment system

3 试验结果及分析

3.1 应力-应变曲线特征

图4 绿泥石片岩试件应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of chlorite schist

根据绿泥石片岩应力-应变曲线(图4)可知：片理面倾角相同时，其变形破坏规律基本相同，片理面倾角不同则差异较大。不同片理面倾角试件的变形破坏规律之间的差异主要体现在：当片理面倾角θ为 0°时，随着应力的增加，试件应变变化远小于片理面倾角θ为90°时，说明绿泥石片岩在垂直片理面方向的弹性模量较小，片理面易被压缩闭合，使其在垂直片理面方向更容易产生压缩变形；片理面倾角θ为0°的试件的峰值强度远低于θ为90°的试件，当应力达到峰值以后，片理面倾角θ为0°的试件迅速破坏，表现出脆性破坏特征，而θ为90°的试件则存在一定程度的不稳定破裂过程。

图5 θ=0°时绿泥石片岩试件破坏模式Fig.5 Failure modes of chlorite schist specimens when θ=0°

图6 θ=90°时绿泥石片岩试件破坏模式Fig.6 Failure modes of chlorite schist specimens when θ=90°

3.2 破坏模式及力学机制

岩石受外力作用破坏后的模式通常就可以反映出其破坏的力学机制。图5、图6为试验破坏后的绿泥石片岩试件，可以看出片理面倾角对试件的破坏模式影响较大。当倾角θ为0°时，试件呈穿切片理面的劈裂-剪切破坏，如图5所示；当倾角θ为90°时，试件呈平行片理面的竖向劈裂-弯曲破坏，如图6所示。

由图5可知，当θ为0°时，片理面水平，在荷载作用下片理面首先压紧闭合，随着荷载增加，片理面之间的片状块体则开始出现竖向或斜向的劈裂及剪切破坏。由于试验过程中荷载的方向并不能与片理面一直保持绝对的垂直，那么在施加荷载后会产生一定的拉剪应力，使得试件的微裂纹先沿着软弱的片理面萌生、扩展，试件则被分成多个层状块体。而水平方向的拉应力较小，不足以使各个层状块体沿片理面发生滑移。但随着应力的增加，以上各层块体的劈裂、剪切裂纹逐渐扩展连接形成贯通的破坏面，该试件沿该破坏面发生剪切滑移破坏。

由图6可知，当θ为90°时，片理面直立，荷载方向与片理面方向平行。试件在荷载作用下会产生横向的拉应力，使得张拉微裂纹在片理面上扩展、延伸，则试件沿多条片理面劈裂，形成多个独立且与片理面近似平行的薄层状压杆。片理面的抗拉强度和最大压杆强度共同决定了该试件的峰值强度，而其他压杆强度则决定了试件的残余强度。由于各独立压杆并不是同时发生失稳破坏，故在试件强度达到峰值前后发生了一段不稳定破裂过程，应力应变曲线峰值附近出现了一系列波动。

3.3 试件断口微观形貌特征及破裂机制

岩石的微观破裂特征往往决定其宏观破坏模式，为研究绿泥石片岩两种不同破坏模式的微观机制，采用扫描电镜(SEM)测试其断口微观形貌特征，测试结果如图7所示。

图7 绿泥石片岩断口SEM图像Fig.7 The SEM image of the chlorite schist fracture

当θ为0°时，发生穿切片理面的劈裂-剪切破坏，试件宏观断面起伏粗糙，并有较多碾碎的岩石碎屑。从试件断取样测其微观破坏特征[图7(a)]可知，断口破裂表面凹凸不平，片状的绿泥石呈劈裂破坏，破裂的绿泥石碎片较多；由于主要矿物成分绿泥石彼此镶嵌胶结，荷载产生的横向拉应力，使断裂面从绿泥石晶界面和晶间面的最小强度处裂开，当断面发生剪切滑移后，较多绿泥石碎屑便散落于断面处。

当θ为90°时，发生平行片理面的劈裂-张拉破坏，试件沿着片理面产生多个宏观断面，每个宏观断面整体为一平面，稍显凹凸不平。从主断面上取一试样测其微观破坏形貌，如图7(b)所示。由图7(b)所知，断面整体表现为沿绿泥石晶面断裂，呈台阶状，阶面整体较平坦，有少量由于拉张作用脱离岩石而散落的绿泥石残片。由此可知，荷载方向平行于片理面时，试件主要是顺着胶结强度较低的片理面张开，从而使得试件被分成多个独立压杆。

3.4 绿泥石片岩物理力学参数各向异性分析

通过对不同片理面倾角的绿泥石片岩试件开展一系列物理力学试验，所获得的参数如表1所示。

表1 绿泥石片岩室内试验结果Table 1 Results of laboratory test for chlorite schist

3.4.1 波速特征分析

从表1可知，θ为0°的试件的波速为478～843 m/s，平均为634 m/s；θ为90°的试件的波速为5 000～5 263 m/s，平均为5 121 m/s，两组试件波速相差近8倍。造成波速产生以上较大差异的原因为：当θ为0°时，纵波垂直穿过绿泥石片岩基质及片理面，而片理面是一种低速介质，使得波的反射增强、能量衰减，进而波速降低；当θ为90°时，此时纵波沿着绿泥石片岩基质传播，不受片理面影响，故波速较大；此外，若片理面胶结程度越差、分布越密集，则波速越低[13]。

3.4.2 单轴抗压强度分析

由表1可知，θ为0°试件的单轴抗压强度为13.07～16.09 MPa，均值为14.62 MPa；θ为90°试件的单轴抗压强度为25.35～29.60 MPa，均值为27.41 MPa。两组试件单轴抗压强度比值为1.9，相差较大，分析其原因为：当θ为0°时，试件沿片状矿物薄弱部位发生拉剪破坏，受片理面影响较大均发生局部破坏而失去整体强度，所以强度较低；当θ为 90°时，试件为压杆失稳破坏，强度为被片理面分割开来的各压杆整体抗弯曲能力的综合，故强度相较于θ为0°时较高。

3.4.3 弹性模量与泊松比分析

弹性模量和泊松比可表征岩石的变形能力。由表1可知，θ为0°的试件的弹性模量为1.71～2.70 GPa，平均为2.24 GPa，泊松比为0.023～0.038，平均为0.03；θ为90°的试件的弹性模量为5.33～9.16 GPa，平均为7.80 GPa，泊松比为0.140～0.162，平均为0.15。两组试件的弹性模量和泊松比分别相差3.5倍、5倍，相差也较大。产生以上差别的原因为：当θ为0°时，荷载方向垂直于片理面，试件受压时片理面率先被压密，施加较小的荷载就可产生较大的轴向变形，而侧向变形相对较小，故弹性模量和泊松比均较小；当θ为0°时，绿泥石片岩基质承担竖向荷载，此时片理面不会被压密，而是扩容、向两侧劈裂，因此侧向变形较大而轴向变形较小，故弹性模量和泊松比均较大。

4 结论

绿泥石片岩由于片理面的发育，使其物理力学性质呈现出各向异性特征。主要体现在以下几个方面。

(1)不同片理面倾角的绿泥石片岩受到外荷载作用时变形破坏规律差异较大。在垂直片理面方向上较平行片理面方向上更易变形，变形量更大，且表现为一定的脆性破坏特征，而平行片理面方向表现出一定的延性破坏特征。

(2)片理面倾角对岩石的宏观破坏模式和微观破坏形貌有显著的影响。片理面水平时，宏观破坏模式为穿切片理面的劈裂-剪切破坏，断面微观形貌多表现为穿晶断裂和沿晶断裂组合特征；片理面直立时，宏观破坏模式为竖向劈裂-张拉破坏，断面的微观形貌以沿晶断裂为主。

(3)不同片理面倾角的绿泥石片岩的物理力学性质存在较大差异。波速在平行片理面方向传播速度为垂直方向8倍，片理面直立时的抗压强度、弹性模量和泊松比分别约为水平时的1.9、3.5和5倍，表现出明显的各向异性特征。

另外，由于制样的困难，文中仅进行了片理面水平和直立时绿泥石片岩的物理力学性质研究。要进一步研究绿泥石片岩的各向异性，须先提高制作易裂岩石试验试件的水平，然后再开展其他片理面倾角情况下绿泥石片岩的物理力学性质变化规律的研究。