不同围压条件下千枚岩宏观破坏与微观破裂特征分析

2021-07-18蔡国军赵大安冯伟强程宇航

中国测试 2021年6期

蔡国军，赵大安，冯伟强，程宇航，贾俊，仲闯

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059; 2.成都理工大学地质工程国家级实验教学示范中心，四川成都 610059; 3.中国地质调查局西安地质调查中心/西北地质科技创新中心自然资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

岩石处于应力场复杂地层中，随着科学研究不断深入，岩石变形破坏越来越受到重视。在应力作用下，岩石的变形破坏一般要经历微裂纹的产生、发展、闭合、扩展并最终产生宏观的贯通破坏[1]。并且，岩石宏观破坏与其内部微结构紧密相关，岩石的宏观破坏是其内部微观破裂演化的外在表现，因此，将岩石宏观破坏特征同其微观破裂特征联系起来，这对于理解岩石的破坏机制具有重要理论意义。

在三轴压缩条件下岩石变形全过程分析及破坏机制研究，学者们取得了众多成果。蒲超等[2]从岩石破裂与能量特征的角度分析了千枚岩三轴压缩条件下的变形破坏机制；赵国彦[3]等采用三轴压缩试验研究分析花岗岩应力-应变曲线和变形特征及其强度准则；吴永胜等[4]通过单轴和三轴试验研究千枚岩的各向异性力学特性和破坏模式；彭坤等[5]通过三轴压缩试验对比分析岩石的Hoek-Brown破坏准则和一种新破坏准则，认为高围压条件下新破坏准则更适用；付小敏等[6-7]基于不同围压条件下的岩石三轴加、卸载试验，研究了砂岩的能量变化与变形特征。近些年来，越来越多的学者开始从微观角度研究岩石的变形破坏机理。采用扫描电镜等显微结构分析手段[8-10]，重点从微观的角度研究岩石的变形，与宏观破坏机制作对比分析，从而更为全面和准确地分析研究岩石变形破坏机制。刘希灵等[11]通过开展巴西劈裂、声发射试验和扫描电镜试验探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制关系；郑达等[12]通过运用扫描电镜与力学试验等多种试验方法探讨了千枚岩的微观破裂机理与其宏观断裂特征的相关性；王浩宇等[13]通过开展SHPB试验和扫描电镜试验，分别从宏观和微观角度探讨了岩石轻度特性及其破坏准则；王家兴等[14]通过微观测试手段从微观角度分析了岩石微观结构与宏观力学特性的相关性。

但是，对于不同围压条件下千枚岩的宏观破坏特征与微观破裂特征分析相关文章较少，故本文拟使用取自陕西省汉中市阴湾沟滑坡的千枚岩岩样，通过岩石三轴压缩试验和电镜扫描试验研究并得到千枚岩在不同围压条件下的宏观破坏特征与微观破裂特征。

1 千枚岩宏观破坏特征

本文拟通过开展岩石常规三轴压缩试验等测试手段分析千枚岩的宏观破坏特征。

1.1 试验设备与试样制备

试验仪器采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验机，该试验机轴向最大荷载为3 000 kN，围压最大为100 MPa。试验过程中的测量和加载方式由计算机程序控制实现，计算机可自动测得存储三轴压缩试验变形破坏全过程的应力-应变曲线。

将千枚岩岩样制成常规三轴压缩试验标准试样，尺寸为50 mm×100 mm，并用金刚砂打磨试样，将试样端面平整度控制在±0.05 mm内。因为千枚岩岩样存在结构面，为避免结构面影响千枚岩各向异性，在制备千枚岩试样时，统一将试样制成主要结构面与最大主应力方向夹角为40°。再使用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的FDP204-SW自动采集声波检测仪测得所有制备试样的纵波波速，将其中离散性较大的试样剔除。

1.2 试验方法及过程

因为用于试验的千枚岩岩样取自阴湾沟滑坡基岩深处，并且阴湾沟滑坡在天然工况下发生滑动破坏，因此根据岩样埋深及工况条件，确定该千枚岩常规三轴压缩试验的围压分别为3，6，9，12 MPa，试样分别编号为Q1、Q2、Q3、Q4。试验先采用力控制方式，围压以0.05 MPa/s的加载速率达到预定值；当围压加至预定值后，改用位移控制，轴向压力以0.1 mm/min的加载速率增加直至试样破坏，试验过程中MTS配备的控制计算机软件自行采集全过程的应力-应变曲线[2-4]。

1.3 千枚岩变形破坏分析

1.3.1 应力-应变曲线

图1为不同围压条件下千枚岩三轴压缩试验全过程的应力-应变曲线。由图可知，在荷载施加早期的压密阶段，千枚岩试样的轴向应变显著增加，而侧向应变变化较小，维持在较小范围内，此时试样中微裂隙开始闭合。到弹性变形阶段后，压密后的千枚岩，由不连续介质变成连续介质，轴向应变线性增加，侧向应变开始增大，但变化范围依旧很小。进入裂纹稳定发展阶段后，试样便进入塑性变形阶段，内部有微破裂出现，产生不可逆塑性变形，在轴向应力和围压的共同作用下，试样沿结构面产生剪切滑动，侧向应变迅速增加，轴向应变继续增大。在峰后阶段，因为在变形过程中产生应力集中，破裂便一直发展，之前试样内部存储的弹性应变能被释放，侧向应变显著增加，试样膨胀并产生整体破坏，此后试样强度迅速降低，变形继续发展，直至试样完全破坏。

图1 千枚岩在不同围压下应力-应变曲线

由图1可知，千枚岩的屈服极限和峰值强度随着围压的变大而增大。在峰值强度附近，应力-应变全过程曲线呈现屈服平台，显示出塑性变形特征，这是由于千枚岩是具千枚状构造的岩石，发育多组结构面，岩体完整性较差，在轴向应力和围压作用下，千枚岩的变形破坏主要是由结构面和微裂纹共同引起的。

1.3.2 破裂特征分析

图2为千枚岩试样最大主应力σ1与围压σ3最佳关系拟合曲线[2]。从图2可以看出，千枚岩最大主应力σ1与围压σ3呈线性关系，拟合结果为：σ1=5.19σ3+4.809 8，r2=0.940 2。

图2 千枚岩最大主应力和围压最佳关系曲线

用最大主应力σ1与围压σ3表示库伦准则时，库伦准则可表示为：

式中：σ1——最大主应力，MPa；

σ3——围压，MPa；

c——内聚力，MPa；

φ——内摩擦角，(°)；

m、σc——库伦准则强度参数。

根据最大主应力σ1与围压σ3的拟合结果与式（1），最终得到试样的内聚力为1.06 MPa，内摩擦角为42°。进一步计算得到破裂面倾角为48°。

图3从左到右依次是千枚岩试样在围压为3，6，9，12 MPa条件下的破坏形貌及素描图。由图可得，当围压为6 MPa时，试样宏观破坏主要表现为局部拉张破坏和沿结构面滑动的剪切破坏的复合型破坏，破坏面较为粗糙。当围压增大到9 MPa时，试样宏观破坏转换成沿结构面滑动的剪切破坏，破坏面相对平整。试验结束后测得试样破坏的破裂面角度为 45°～60°，与计算结果相符合。

图3 不同围压条件下千枚岩试样破坏形貌及素描图

2 千枚岩微观破裂特征

随着岩石力学的发展，学者们不再停滞于宏观力学属性研究，而是逐渐深入到微观层面。由于岩石的非均质性和各向异性，造成其微观形态及力学机制的多样性和复杂性。本文通过对千枚岩试样在不同围压条件下完成常规三轴压缩试验后破坏的破裂断面的电镜扫描图片分析，来阐述其微观结构特征。

2.1 试验设备与试样制备

试验仪器采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的S-3000N扫描电子显微镜（SEM），电镜配备高灵敏度的二次电子探头和半导体探头，可对固态试样表面形态开展高速观测；放大倍率在5～300 000倍之间；扫描方式包括：TV扫描、慢扫描（4级）、照相扫描（4级）及分屏扫描；具备自动功能：自动聚焦、自动消像散、自动亮度、自动对比度、自动启动、自动照相及全自动模式。

千枚岩试样常规三轴压缩试验完成后，对不同围压条件下破坏的试样破裂断面处取岩石切片。选取千枚岩试样Q1、Q2、Q3、Q4具有代表性的断面各一处进行切割制样，并对未进行常规三轴压缩试验的千枚岩试样Q0进行原样观察，以供后期进行对比分析。

使用成都理工大学材料与化学化工学院的DX-2700X射线衍射仪对千枚岩试样进行X射线衍射分析[15]，此处千枚岩试样的矿物成分见表1。由表1可知，千枚岩试样矿物成分以绿泥石与石英为主，夹有少量斜长石，绿泥石和石英含量分别为46%～48%、30%～35%。通过分析可知，千枚岩试样矿物成分中亲水性矿物较多，在自然环境中极易受降雨条件影响。

表1 岩样矿物成分表

2.2 试验方案及过程

将切割制样后的千枚岩试样Q0、Q1、Q2、Q3、Q4进行超声波清洗、烘干，由于千枚岩试样的绝缘性，在真空状态下进行电镜扫描试验前需要先对试样进行镀金处理。将镀完金的试样放入扫描电镜真空舱中，将真空舱抽真空，之后在扫描电镜配备的计算机软件上将放大倍率选定为200倍（×200），依次选择自动聚焦、自动消像散、自动亮度、自动对比度，选取理想的位置开始拍摄照片并保存，之后将放大倍率选定为500倍（×500）并执行相同操作。

2.3 千枚岩破裂微观结构分析

先对制备好的千枚岩试样Q0进行电镜扫描观察，以供和经过三轴压缩试验破坏的试样破裂断面的微观分析进行对比。如图4（a）所示，经切割的千枚岩试样表面总体呈现平整，但仍出现凹凸面和部分岩粉岩屑，这是由于切割打磨过程中颗粒挤压磨损造成的，这主要是岩石的脆裂性、成分的非均质性及矿物颗粒的不均匀分布造成的。图4（b）中可见较为完整的千枚岩层面，层面清晰可见，分层清楚。

图4 千枚岩试样Q0 SEM图片

试验着重对不同围压条件下破坏的千枚岩破裂断面的微观结构进行了观察分析与对比，从而总结出不同围压条件下破坏的千枚岩破裂断面的微观结构特征，以探究岩石破坏的微观机制及其与围压条件之间的关系。以下将对4组在不同围压条件下破坏的千枚岩破裂断面进行电镜扫描图片分析，图5～图8分别对应Q1、Q2、Q3、Q4 4个试样。

图5 千枚岩试样Q1 SEM图片

从图5～图8可知，随着围压的增加，试样发生变形并局部产生破坏，导致千枚岩层面不再完整，变的破碎；围压较低时，试样局部沿层面呈剪切破裂；在高围压条件下，千枚岩的破裂均是沿层面发生的剪切破裂。岩粉岩屑变多，是沿层面的岩屑堆积剪切作用的结果。分析可知，千枚岩的微观破裂主要以剪切破裂为主，拉张破裂次之。千枚岩破裂后断面随着围压的增大而变化，这是该岩石的矿物成分及其结构特征所决定的。千枚岩试样的断面在电子显微镜下的微观形态由于矿物成分的差异而显现出不同的微观结构特征：绿泥石呈片状，石英呈细粒状。由表1可知，该处千枚岩绿泥石含量较高，因此具有变晶结构，片理面发育，千枚状构造或定向构造特征明显，在外力作用下易产生剪切破裂。这就解释了宏观条件下，千枚岩随着围压的增大，破坏由局部剪切破坏发展为沿结构面的整体剪切破坏。