周 陽，蘇生瑞，李 鵬，索蔚辰

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

千枚巖作為一類特殊的軟巖，遇水易產(chǎn)生膨脹變形且具有各向異性，其在工程建設(shè)中普遍存在。千枚巖的力學(xué)性質(zhì)對邊坡、隧道以及地下工程的穩(wěn)定性具有重要的影響。許多學(xué)者已經(jīng)對千枚巖的物理力學(xué)性質(zhì)展開了研究，如劉云鵬等[1]分析了千枚巖在垂直和平行片理面方向的斷口形貌特征。吳永勝等[2-3]研究了不同加載方位角度千枚巖的擴容特性和各向異性。蒲超等[4]研究了三軸壓縮條件下千枚巖的破裂形式與能量特征。陳子全等[5]研究了碳質(zhì)千枚巖的力學(xué)特性和能量損傷演化機制。鄭達(dá)等[6]和周陽等[7]研究了千枚巖的微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)。趙建軍等[8]研究了飽水條件下千枚巖的軟化效應(yīng)。HU等[9]研究了不同飽水狀態(tài)下千枚巖的力學(xué)特性。XU等[10-11]研究了千枚巖在三軸壓縮和巴西劈裂條件下的各向異性。REN等[12]研究了千枚巖的剪切流變特性。QIU等[13]研究了低變質(zhì)千枚巖的動態(tài)破壞特征。MISHRA等[14]研究了千枚巖在高應(yīng)變速率下的動態(tài)響應(yīng)特征。

上述研究大多專注于千枚巖在垂直和平行片理角度方向上的各向異性，其遇水易軟化的性質(zhì)研究較少，部分學(xué)者僅分析了單一片理角度下千枚巖力學(xué)性質(zhì)的軟化效應(yīng)，也沒有從微觀角度分析其軟化機理。因此，筆者開展了不同片理角度干燥與飽水綠泥石千枚巖的單軸壓縮試驗，分析其力學(xué)性質(zhì)和變形破壞特征，并結(jié)合SEM分析綠泥石千枚巖的軟化機理，研究成果可為以千枚巖為載體的工程建設(shè)及地質(zhì)災(zāi)害的防治提供參考。

1 試驗設(shè)計方案

試驗所用樣品取自于四川省阿壩州理縣某處崩塌(圖1)，微風(fēng)化，屬于志留系茂縣群綠泥石千枚巖。根據(jù)國際巖石力學(xué)協(xié)會(ISRM)的要求，將現(xiàn)場取回的巖塊制備成直徑約50 mm，長度約100 mm的圓柱型試樣(圖2)。同時，根據(jù)縱波波速和密度嚴(yán)格選樣，剔除離散性較大的樣品。將制備好的試樣分成兩組，一組直接置于105 ℃烘箱中烘干48 h至恒重；另一組樣品先烘干再采用真空抽氣法進(jìn)行強制飽水。在RMT-150C型電液伺服控制剛性壓力機上進(jìn)行單軸壓縮試驗，采用荷載控制方式，加載速率為0.5 MPa/s，直至巖樣破壞，每組試驗做2～3個試樣，以取平均值。采用Quanta 650多功能環(huán)掃描電鏡對干燥和飽水樣品進(jìn)行微觀分析。

圖1 取樣位置Fig.1 Sampling point

圖2 試樣加工示意圖Fig.2 Diagram of coring rock sample

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 綠泥石千枚巖的變形特征

干燥和飽水狀態(tài)下典型試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3中可以看出兩種狀態(tài)下，不同片理角度綠泥石千枚巖樣品在加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線都經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段，但β=30°時樣品壓密段和屈服段不太明顯，僅在壓縮的起始位置和即將失效處出現(xiàn)。相同片理角度條件下，飽水試樣的屈服階段更加明顯，峰值強度降低，峰值應(yīng)變增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線跌落趨勢變緩，綠泥石千枚巖軟化特征明顯。

圖3 典型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of typical specimens

根據(jù)單軸壓縮試驗結(jié)果，對干燥和飽水綠泥石千枚巖的峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)變，彈性模量和變形模量的平均值進(jìn)行了統(tǒng)計(表1)。

由表1可以看出，綠泥石千枚巖的力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出明顯的各向異性，并且飽水試樣的抗壓強度、彈性模量和變形模量減小，峰值應(yīng)變增大。不同片理角度和含水狀態(tài)下綠泥石千枚巖各力學(xué)參數(shù)具體變化趨勢如圖4、圖5所示。

表1 綠泥石千枚巖的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of chlorite phyllite

圖4 彈性模量隨片理角度的變化曲線Fig.4 Variation of elastic modulus with change of schistosity angle

圖5 變形模量隨片理角度的變化曲線Fig.5 Variation of deformation modulus with change of schistosity angle

從圖4中可以看出，片理角度對彈性模量的影響顯著，隨著片理角度的增大，巖樣的彈性模量呈先減小后增大的倒S型變化規(guī)律，這與黃宏偉等[15]的研究結(jié)果基本一致。當(dāng)β=0°時，試樣彈性模量取得最大值，β=30°時彈性模量值最小。

如圖5所示，隨著片理角度的增大，試樣的變形模量呈先減小后增加的寬緩U型變化規(guī)律，并且變化幅度較大。樣品的變形模量與彈性模量變化規(guī)律并不完全一致，這可能有兩方面的因素：①片理面相對軟弱、剛度低，在加載初期會產(chǎn)生較大的軸向壓密變形，從0°到90°壓密階段差別較大，這從圖3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看出；②試樣的抗壓強度隨片理角度呈現(xiàn)先減小后增大的U型變化規(guī)律，對應(yīng)的50%抗壓強度也呈現(xiàn)相同的變化趨勢。這兩方面因素的共同作用導(dǎo)致了試樣變形模量與彈性模量呈現(xiàn)不一樣的變化規(guī)律。

飽水狀態(tài)下綠泥石千枚巖的彈性模量和變形模量降低趨勢非常明顯。相比干燥狀態(tài)，片理角度從0°到90°，飽水綠泥石千枚巖的彈性模量分別降低了43.33%，47.30%，41.63%和47.38%；變形模量分別降低了37.44%，39.97%，41.05%和43.02%。

干燥和飽水綠泥石樣品的峰值應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。相同片理角度下，飽水試樣的峰值應(yīng)變大于干燥試樣，β=0°試樣的峰值應(yīng)變的增加幅度最小，β=90°試樣的峰值應(yīng)變增加幅度最大，單軸壓縮時，飽水千枚巖試樣的峰值應(yīng)變相對于干燥試樣增大了6.80%～25.27%。

圖6 峰值應(yīng)變隨片理角度的變化曲線Fig.6 Variation of peak strain with change of schistosity angle

2.2 綠泥石千枚巖的強度特征

干燥和飽水綠泥石千枚巖的抗壓強度如圖7所示。隨片理角度的增加，綠泥石千枚巖的抗壓強度呈先減小后增加的U型變化規(guī)律，β=0°和90°樣品的抗壓強度較大，β=30°樣品的抗壓強度最小。片理角度從0°到30°，抗壓強度迅速減?。欢斫嵌葟?0°到90°時，抗壓強度緩慢增加。水對綠泥石千枚巖的軟化作用明顯，相比于干燥狀態(tài)，飽水千枚巖試樣的抗壓強度明顯降低，片理角度從0°到90°，其軟化系數(shù)分別為0.70，0.49，0.59和0.62，β=30°時綠泥石千枚巖的軟化系數(shù)最小，對水最為敏感。

2.3 綠泥石千枚巖的破裂特征

綠泥石千枚巖的變形特征和力學(xué)性質(zhì)與其破壞模式密切相關(guān)，其破裂模式受片理結(jié)構(gòu)面和含水量的影響顯著。干燥和飽水狀態(tài)下，典型綠泥石千枚巖試樣的破壞模式如表2所示。

表2 綠泥石千枚巖的破壞模式及控制因素Table 2 The failure modes and controlling factors of chlorite phyllite

(1)β=0°時，試樣順片理面形成張拉劈裂破壞。破壞的巖樣存在多個近似相互平行的破裂面，這些破裂面基本與片理面重合并將巖樣分割成多個獨立的“薄板”，干燥試樣在繼續(xù)加載的過程中，巖板受壓而彎曲，甚至發(fā)生折斷，具有較強脆性破壞特征。

(2)β=30°時，試樣沿片理面形成剪切滑移破壞。干燥試樣局部發(fā)育有脆性裂隙，破裂面不平整；飽水試樣破裂面光滑平整、貫通整個巖樣，并發(fā)生明顯的剪切滑移。

(3)β=60°時，干燥試樣為局部切穿片理面和局部順片理面的復(fù)合張剪破壞，主破裂面呈多段折線型，并且其周圍有較大的張拉裂隙。飽和試樣為局部切穿片理面和局部沿片理面的剪切滑移破壞。

(4)β=90°時，干燥試樣形成切穿片理面的壓致張裂和剪切滑移的Y型復(fù)合破壞，巖樣破碎程度比較嚴(yán)重；飽水試樣為單一的貫穿片理面的剪切破壞。

干燥綠泥石千枚巖與飽水綠泥石千枚巖破裂特征具有明顯的差別。干燥狀態(tài)下試樣主裂破裂面周圍伴有大量次生張拉裂紋，破碎程度較高，具有更強的脆性破壞特征；而飽水狀態(tài)下，綠泥石千枚巖的延塑性增強，力學(xué)性質(zhì)和脆性被弱化，表現(xiàn)出張拉破壞減弱，剪切破壞增強的特征，并且試樣的次生裂紋較少，破碎程度低，破壞面完整度較高。

3 飽水對綠泥石千枚巖的劣化機制

綠泥石千枚巖的水理性質(zhì)與其礦物成分密切相關(guān)，為了研究千枚巖的軟化機理，對樣品進(jìn)行了粉晶X衍射(圖8)，結(jié)果顯示樣品主要由綠泥石，伊利石，石英，斜長石和鉀長石組成，其質(zhì)量百分比分別為36%，38%，13%，12%和1%。

圖8 樣品粉晶X衍射譜Fig.8 X-ray diffraction spectrum of sample powder

樣品中的黏土礦物主要是伊利石和綠泥石，在飽水的過程中水分子很容易進(jìn)入黏土礦物顆粒之間形成極化的水分子層。如伊利石礦物顆粒較小、親水性較強，并且礦物晶體在C軸方向連接力較小，在飽水過程中水分子進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)層間，形成水化膜，導(dǎo)致伊利石礦物大幅度膨脹[15-16]。伊利石在飽水狀態(tài)下膨脹量約為50%～60%[17]。當(dāng)黏土礦物吸水膨脹時，樣品中的裂隙被充填，黏土礦物失去了繼續(xù)膨脹的空間。由于黏土礦物和裂隙的分布是不均勻的，因此顆粒之間產(chǎn)生了附加應(yīng)力，進(jìn)而引起黏土礦物顆粒周圍產(chǎn)生非均勻變形，破壞了樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大了黏土礦物與水的接觸面積，進(jìn)一步加劇了黏土礦物的膨脹、變形脫落以及顆粒間膠結(jié)物的溶蝕。綠泥石千枚巖遇水后經(jīng)歷了黏土礦物吸水膨脹、孔隙充填、非均勻變形和膠結(jié)物溶蝕等階段，從而造成了其力學(xué)性質(zhì)的劣化。

為了更直觀的分析飽水對綠泥石千枚巖的軟化，對干燥和飽水樣品分別進(jìn)行了SEM測試，如圖9和10所示。

由圖9中可以看出，綠泥石千枚巖由片狀礦物和粒狀礦物膠結(jié)而成，片理結(jié)構(gòu)發(fā)育。粒狀礦物棱角分明，為不規(guī)則多邊形，片狀礦物表面平直光滑。礦物顆粒輪廓界限清晰明顯，黏土礦物顆粒之間多以面-面、面-邊接觸，局部微裂隙發(fā)育。

在飽水狀態(tài)下(圖10)，由于黏土礦物的吸水膨脹和膠結(jié)物的溶蝕，出現(xiàn)明顯的絮狀結(jié)構(gòu)，礦物顆粒間的界面變得模糊。片狀黏土礦物軟化、剝落比較明顯，剝落物分解成近似橢圓形的絮狀小顆粒，附著在大礦物顆粒表面。在飽水狀態(tài)下，黏土礦物顆粒之間的接觸關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c-面接觸，樣品結(jié)構(gòu)逐漸趨于松散、多孔隙，這導(dǎo)致了飽水綠泥石千枚巖力學(xué)特性的劣化。

圖9 干燥樣品SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM photographs of dry samples

圖10 飽水樣品SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM photographs of saturated samples

4 結(jié)論

(1)不同片理角度千枚巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都經(jīng)歷了壓密段、彈性段、屈服段和破壞段；飽水試樣的屈服階段更加明顯，峰值強度降低、峰值應(yīng)變增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線跌落變緩。

(2)千枚巖各向異性顯著，片理角度從0°到90°，彈性模量呈倒S型變化規(guī)律；變形模量和抗壓強度先減小后增大呈U型變化規(guī)律。飽水試樣的彈性模量和變形模量分別下降了41.63%～47.38%，37.44%～43.02%；從0°到90°飽水千枚巖強度軟化系數(shù)分別為0.70，0.49，0.59和0.62，β=30°時千枚巖軟化系數(shù)最小，對水最為敏感。

(3)綠泥石千枚巖的破壞模式與片理角度和含水率密切相關(guān)，可分為3 種類型：張拉劈裂破壞，剪切滑移破壞和張拉-剪切復(fù)合破壞。飽水千枚巖主破裂面完整、次生裂隙少、脆性破壞減弱、剪切破壞增強。

(4)飽水狀態(tài)下，伊利石、綠泥石等黏土礦物顆粒吸水膨脹，顆粒間膠結(jié)物溶解破壞，使得黏土礦物軟化、剝落，巖體結(jié)構(gòu)變得松散，這些微觀結(jié)構(gòu)的改變直接導(dǎo)致了綠泥石千枚巖力學(xué)性質(zhì)的劣化。