缓倾层状砂岩拉压力学特性试验研究
时间：2023-01-25 19:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张鹏飞，王立川 ，李地元，阳军生，刘志强，罗平框
(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；
2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；
3. 中铁十八局集团有限公司，天津 300222；
4. 中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)
截至2020年底，中国铁路营业里程达到14.5万km，其中投入运营的铁路隧道共16 798座，总长约19 630 km，居世界第一[1]。在建和规划中的特长深埋铁路隧道多在西部地区，我国西部地区地形、地质条件复杂，构造活动强烈，水平构造应力值普遍偏高[2]，使铁路隧道底部结构的稳定性受到了严重威胁。许多学者对铁路隧道底部稳定性问题开展了相关研究，普遍认为高地应力环境和底部岩体的力学性质是影响隧道底部稳定性的关键因素[3-5]。调查近年来层状围岩铁路隧道底部变形致灾典型案例，发现病害段的岩层倾角大多处在0°～15°的缓倾斜范围[6-7]，对缓倾层状岩石开展相关力学特性的试验研究，探明其变形破坏规律十分必要。国内外学者在层状岩石各向异性力学特性的研究方面做了大量的理论和试验研究[8-10]。SAEIDI等[11]修正了适用于层状岩石的破坏准则；
WANG等[12]提出一种简化的抛物线模型，可预测不同围压和层理角度下的岩石强度；
刘运思等[13]利用单弱面理论研究了板岩抗拉强度的各向异性特征，并结合巴西劈裂试验进行了验证；
侯振坤等[14]从单轴压缩试验出发，研究了龙马溪层状页岩的各向异性特征，将不同层理角度的页岩破坏类型分成了3类：0°～15°时为竖向劈裂型张拉破坏；
30°～60°时沿层理面剪切滑移破坏；
75°～90°时穿切层理面剪切破坏；
QIU等[15-17]分析了动态和静态条件下层状岩石的力学特性和破坏模式；
CHO等[18]采用片麻岩、页岩、片岩3种岩石，开展不同层理角度下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验，发现所选岩石的变形和强度各向异性程度显著；
LI等[19]对0°和90°层理的粉质板岩开展的单轴压缩试验，发现在这2种角度下的变形破坏过程、微观破裂面特征及变形破坏机理表现出较大的差异；
YIN等[20]同样对7种不同层理角度的层状砂岩进行了单轴压缩试验和巴西劈裂试验，分析了砂岩在强度和断裂模式方面的各向异性行为。多数学者均研究2个极限状态之间的各向异性，即最大主应力垂直于层理到与层理平行，鲜有聚焦缓倾层状岩石力学特性方面的研究。本文开展15°以内缓倾层状岩石的单轴压缩和巴西劈裂试验，借助数字图像技术，对缓倾层状砂岩的破坏过程进行实时监控，讨论缓倾条件下层状砂岩的力学特性和破坏模式。
1.1 岩样制备
本试验选用江西省九江市德安县锡岭采石场的层状黄砂岩。该砂岩表面呈褐黄色，平均密度2 083 kg/m3。单轴压缩试样尺寸为φ50×100 mm，巴西劈裂试样尺寸为φ50×25 mm，加载端面不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，平整度符合ISRM的规范要求。加工后的单轴压缩和巴西劈裂试样如图1(a)。在巴西圆盘上选取3组清晰的层理，测得其厚度约2.8 mm，每组层理平均厚度约0.93 mm，而每组层理由0.3 mm的黑色填充层及0.63 mm的褐色基质层组成，具互层岩体特征。单轴压缩试验中，定义层理倾角α为层理面与加载方向间夹角，加载方向模拟隧道底部结构所受的最大水平主应力方向；
巴西劈裂试验中，定义层理倾角β为层理面与加载方向间夹角，如图1(b)。以5°为间隔，制备层理倾角分别为0°，5°，10°和15°的单轴压缩和巴西劈裂试样各3个，共计24个试样。
1.2 试验设备
试验系统由加载系统(INSTRON-1346，INSTRON-1342伺服液压加载系统)与数字图像分析系统2部分组成。单轴压缩试验在INSTRON-1346型电液伺服控制机上进行，该试验机的轴向最大载荷量程为2 000 kN，用位移控制以0.01 mm/s的恒定速率加载，直到试样破坏失效，并用应变片测量其泊松比；
巴西劈裂试验在INSTRON-1342型电液伺服控制机上进行，该试验机的轴向最大载荷量程为250 kN，用位移控制以0.2 mm/s的恒定速率加载，保证试样在5 min内破坏，符合ISRM的试验规范要求，在观测面背面中心处粘贴一片垂直于加载方向的应变片以测量拉伸应变。
数字图像分析系统包括2台CCD相机、2个LED光源和VIC-3D分析软件。试验过程中将相机的图像采集速度设置为67 ms/张(15 fps)，利用VIC-3D非接触式全场应变测量软件进行分析处理。
表1和表2分别给出了试样的平均几何尺寸及单轴压缩和巴西劈裂试验得到的力学参数，其中试样编号代表实验类型、层理面倾角及平行试样的序号。例如：S-5-1表示层理面倾角为5°，试样序号为1的单轴压缩层状砂岩；
B-10-2表示层理面倾角为10°，试样序号为2的巴西劈裂层状砂岩。
表1 单轴压缩试样的平均几何尺寸与力学参数Table 1 Average geometric size and mechanical parameters of uniaxial compression specimens
表2 巴西劈裂试样的平均几何尺寸与力学参数Table 2 Average geometric size and mechanical parameters of Brazilian split specimens
2.1 应力-应变关系
图2展示了4种缓倾角度层状砂岩的应力-应变全过程曲线，其中轴向应力-应变曲线形态基本一致，均经历了压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。在图2中选取3个应变转折点，分别为侧向应力-应变响应由线性变为非线性的转折点M[21]、体积应力-应变曲线上的扩容点P及体积增大点Q。从图中可知，体积应变随轴向应力的增加，在σP处发生转向，试样的体积不再收缩减小，侧向应变增长加快，说明试样内部开始产生轴向微裂纹；
到σQ时，体积应变由负值变为正值，岩样开始超过原始体积。侧向应力-应变曲线在σM之前近似线性增长，之后逐渐偏离线性，说明在σM时轴向裂纹开始逐渐扩展，导致侧向应变由线性转变成了非线性。观察发现σM与σQ的值近乎相等，很好地解释了岩样在Q点由于轴向裂纹的扩展，体积大幅增大，并逐渐超过原始体积。而0°试样下的σP与其他缓倾层理试样十分接近，表明该层理试样内部产生微裂纹的应力阈值与层理角度关联度很低，而裂纹扩展的应力阈值受到层理角度的影响较大，缓倾层理试样内部更易发生裂纹扩展，从而导致体积膨胀，从细观尺度解释了缓倾层状围岩隧道底部易发生底隆的原因。
2.2 强度变化规律
图3和图4分别显示了单轴抗压强度(UCS)和弹性模量(E)随层理倾角(精确测量值)的变化趋势。由图3和图4可知，单轴抗压强度和弹性模量均随层理倾角的增大先减小后缓慢增大，呈现U型变化趋势。单轴抗压强度的最大值出现在层理倾角0°附近，在5°左右下降后较平缓地上升。由于层理倾角的变化较小，导致试验结果的离散性偏大，但从整体上看，层理角度由0°至15°变化时，单轴抗压强度的总体趋势是减小的，这与大部分学者的研究结果一致。
图5绘制了砂岩抗拉强度(BTS)随层理倾角的变化趋势。测试的BTS值随层理的倾斜逐渐增大，最大的BTS值出现在15°，最小值出现在0°，这与CHO等[18]的试验结果一致。因为在理论上，巴西圆盘主要破坏面是垂直于最大拉伸应力方向的，当主要破坏面为层理面时，更易发生破坏，所以，当层理面与加载方向平行时试样的巴西抗拉强度最小。
3.1 单轴压缩破坏模式
试验用层状砂岩在单轴压缩条件下表现出明显的脆性特征，4组层理角度的试样破坏后的典型照片如图6，侧向应变演化云图见图7。缓倾层状砂岩的变形特征和抗压强度与其破坏模式密切相关，该缓倾层状砂岩的破坏模式主要分以下2种类型，总结归纳见表3。
表3 缓倾层状砂岩单轴压缩破坏模式Table 3 Uniaxial compression failure mode of gently inclined layered sandstone
1)α=0°附近时，破坏模式以穿层理面的剪切破坏为主，试样周边产生顺层理面的劈裂张拉裂纹。由于加载方向平行于层理面，试样首先沿着层理面产生劈裂张拉裂纹，劈裂后的试样仍能继续承载；
随着轴向应力达到岩样基质强度后，产生穿切层理面的剪切裂纹，并与相邻的劈裂张拉裂纹相互贯通，从而导致试样失去承载力，裂纹演化过程见图7。试样的主破断角(主破坏面与水平方向之间的夹角)在75°左右，抗压强度主要由基质体的剪切强度控制，由Coulomb准则得出岩石的内摩擦角为60°，黏聚力为5.3 MPa。
2)α为5°至15°时，破坏模式仍以穿层理面的剪切破坏为主，同时发生沿层理面的剪切滑移。随轴向应力的增加，裂纹首先从试样端部沿层理面产生，扩展到一定程度后，与基质内的剪切裂纹贯通，最终发生穿层理面的剪切破坏。在图7可以看到，缓倾层理岩样均产生了明显的顺层剪切裂纹，特别是15°试样在峰值应力前出现了5条(1号，2号，3号，4号和5号)沿层理面的拉伸应变集中带，且最终的2条剪切裂纹即为其中2条较大的拉伸应变集中带(1号和2号)发展而成。由于试样端部的摩擦效应，多数试样在破坏后上下端呈锥型，测量试样的主破断角仍在75°左右，与层理方向十分接近，说明沿层理面的剪切裂纹易与主破断面贯通，导致试样抗压强度降低。而在α=15°附近时，出现了个别强度增加的情况，经观察图6(d)中S15-2与S15-3试样的破坏模式，发现沿层面的剪切裂纹与穿层面的剪切裂纹形成了锯齿状的破裂面，导致试样破坏后完整性较好，起到了提高强度的作用，所以在2.2节中的单轴抗压强度和弹性模量呈现U型变化趋势。
从破坏模式中可以得出，与0°层理试样相比，缓倾层理试样中产生的沿层理面的剪切裂纹起到了加速岩石破坏的作用。
3.2 巴西劈裂试验破坏模式
图8显示了巴西劈裂试验后典型缓倾层状砂岩的破坏模式，图中实线代表裂纹的轨迹，虚线代表试样的层理方向。由图8可见，所有试样的断裂模式可归纳为直线型和折线型2种。层理倾角为0°时，裂纹沿着层理面劈裂拉伸破坏，破裂面与加载方向、层理面平行，形成直线型破坏模式；
当层理倾角逐渐增大时，在圆盘中心1/3D(D为圆盘直径)部位，裂纹沿着层理面扩展，在靠近圆盘两端时，裂纹发生转向，逐渐与加载方向平行，属张剪混合破坏，破坏模式变成了三段式折线型。文献[22]中0°和15°层理倾角的巴西劈裂试验，也得到了类似的实验结果。图9反映了侧向应变演化过程，β=0°时，在峰值载荷前形成了一条细长的沿层理面的应变集中带，β=5°，10°，15°时，圆盘中心的拉伸应变云图在峰值荷载前形成的应变集中带的宽度较大，且相机帧率有限，裂纹扩展迅速，未能捕捉到沿层理面的应变分布，但最终的破坏模式与图8一致。
1) 单轴抗压强度和弹性模量随层理倾角的增大先减小后缓慢增大，试样的强度特征与破坏模式关系密切。巴西抗拉强度值随层理的倾斜逐渐增大，最大抗拉强度值出现在15°，最小值出现在0°处。
2) 试样内部产生微裂纹的应力阈值与层理角度关联度低，而裂纹扩展的应力阈值则受到层理角度的影响较大；
缓倾层理试样内部更易发生裂纹扩展，导致体积膨胀，从细观尺度解释了缓倾层状围岩隧道底部易发生底隆的原因。
3) 单轴压缩条件下，随层理倾角从0°增至15°，破坏模式由0°时的穿层面剪切与劈裂张拉混合破坏转变为缓倾角度时的穿层面与顺层面的复合剪切破坏。巴西劈裂试验中，随着层理倾角的增大，试样的断裂模式由0°时的直线型劈裂拉伸破坏渐变为缓倾角度下的折线型张剪混合破坏。
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