單軸壓縮條件下層狀砂巖各向異性力學(xué)特征

宋 斌

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司西南分院，四川成都 610031)

層狀巖體具體明顯的各向異性的物理力學(xué)性質(zhì)特征，對大部分涉及巖體工程來說，其力學(xué)性質(zhì)是設(shè)計(jì)論證和安全性的基礎(chǔ)[1-2]。因此，層狀巖體的變形特性、強(qiáng)度特性、破壞特征的各向異性一直是巖石力學(xué)界和工程技術(shù)界關(guān)注的問題[3-4]。目前，國內(nèi)外巖石力學(xué)工作者對巖石的各向異性特征進(jìn)行了大量研究并且取得一些成果。例如，NIANDOU等[5]采用Tournemire頁巖，通過三軸壓縮試驗(yàn)對其彈性應(yīng)變、塑性變形和破壞模式進(jìn)行了各向異性研究，并將其破裂模式分為剪切破壞和張拉破壞；TIEN等[6]基于原來的Jaeger準(zhǔn)則和擴(kuò)展的Jaeger準(zhǔn)則，用巖石的7個材料參數(shù)對橫觀各向同性巖體提出了一種新的破壞準(zhǔn)則；王少杰、彭建文等[7-8]運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬方法研究了節(jié)理巖體的宏觀力學(xué)行為，論述了節(jié)理巖體的各向異性強(qiáng)度準(zhǔn)則。王聰聰[9]選用層理比較明顯的板巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了層理是板巖力學(xué)參數(shù)、強(qiáng)度特性及破裂模式呈現(xiàn)各向異性的重要原因；陳天宇[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)，獲取了黑色頁巖的各向異性聲波波速、力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律以及壓縮變形破壞特征。

本文基于成都龍泉驛地區(qū)明顯層狀砂巖為研究對象，通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，研究不同層理?xiàng)l件下的物理力學(xué)性質(zhì)的各向異性變化規(guī)律，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)論證和安全性評價提供了新思路，新依據(jù)。

1 試驗(yàn)制樣及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)制樣

試驗(yàn)樣品為成都龍泉驛地區(qū)侏羅系紅色層狀砂巖，所取試樣具有明顯的沉積層理。定義試樣層理角度α為第一主應(yīng)力加載方向與試樣沉積層理面之間的夾角。分別沿0 °、30 °、45 °、60 °、90 °的方向制備出具備不同層理角度α的砂巖試樣，試樣為直徑50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，2個端面磨石機(jī)磨平，直至巖樣直徑誤差在0.3 mm以內(nèi)，端面不平行度誤差不大于0.05 mm。巖樣制備完畢后于室內(nèi)條件下自然干燥96 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)，測試精度高，性能穩(wěn)定。在試驗(yàn)過程中采用軸向力控，加載速率為50 N/s。在試驗(yàn)的過程中，系統(tǒng)會自動采集法向力、法向位移等數(shù)據(jù)，軟件控制界面可實(shí)時顯示法向壓力-時間曲線。為了得到試樣壓縮破壞的全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用位移控制的加載方式，加載速率為0.01 mm/s。在法向壓力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，且試樣破壞形態(tài)已明顯表現(xiàn)出來時，終止加載。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 成果統(tǒng)計(jì)

為了降低試驗(yàn)離散性，每組試樣不少于4個，對于由于其它因素影響而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的，可以增加補(bǔ)充試驗(yàn)。將試驗(yàn)結(jié)果剔除過高、偏低不合理數(shù)據(jù)，符合試驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算統(tǒng)計(jì)，其成果如表1所示。

表1 砂巖單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2.2 強(qiáng)度(σ)分析

繪制在不同傾角α的單軸抗壓強(qiáng)度曲線圖，如圖1所示。單軸抗壓強(qiáng)度隨著傾角α的增加而呈現(xiàn)先減小后增大，具有明顯的“U”變化規(guī)律，在層理面傾角α為0 °和90 °時最高，在45 °左右達(dá)到最小值，比值為2.51。將單軸抗壓強(qiáng)度σ同層理面傾角α進(jìn)行二次函數(shù)擬合得到的關(guān)系式具有一定的精度。不同傾角α可根據(jù)該擬合函數(shù)關(guān)系式求的，作為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)、評價參考.

圖1 彈性模量隨層理面傾角的變化

2.3 彈性模量(E)分析

根據(jù)試驗(yàn)成果繪制砂巖不同傾角α單軸壓縮條件下的彈性模量圖(圖2)。單軸壓縮條件下彈性模量隨著層理面傾角增加呈現(xiàn)先減小后增加。在傾角α為30～40 °段內(nèi)出現(xiàn)最小值約為16.52 GPa，傾角α為0 °，60 °時彈性模量為22.0 GPa附近，兩者近似相等。當(dāng)傾角α為90 °時，彈性模量最大，為27.87 GPa，是最小值的1.69。通過擬合彈性模量和傾角α的二次關(guān)系式可獲取不同傾角條件下的砂巖彈性模量。

圖2 彈性模量隨層理面傾角的變化

2.4 泊松比(μ)分析

根據(jù)試驗(yàn)成果繪制砂巖不同傾角α單軸壓縮條件下的泊松比圖(圖3)。單軸壓縮條件下砂巖的泊松比隨著層立面傾角α的增加而增加，在0～30 °段增加較緩，30～90 °增加較快，最大、最小泊松比為1.42。

圖3 泊松比與層理面傾角的關(guān)系

2.5 破壞特征分析

傾角α為0 °時，試樣在試驗(yàn)過程中發(fā)生中部貫穿層理張拉破壞，并且平行層理面有部分剪切滑移；傾角α為30 °和45 °時，試樣主要形成沿著單一層理弱面發(fā)生剪切滑移；傾角α為60 °時，試樣形成基質(zhì)體和層理弱面共同控制的沿層理面的剪切破壞和貫穿層理弱面的張拉復(fù)合型破壞；傾角α為90 °時，試樣則形成由層理弱面主控的平行層理面的張拉劈裂破壞。

3 結(jié)論

(1)層狀砂巖單軸抗壓強(qiáng)度隨著傾角α的增加而呈現(xiàn)先減小后增大，具有明顯的“U”變化規(guī)律，在層理面傾角α為0 °和90 °時最高，在45 °左右達(dá)到最小值；彈性模量隨著層理面傾角增加呈現(xiàn)先減小后增加，在傾角α為30～40 °段內(nèi)出現(xiàn)最小值，90 °時最大；泊松比隨著層立面傾角α的增加而增加，在0～30 °增加較緩，30～90 °增加較快。

(2)試樣破壞的模式主要是層理的傾角控制，隨著傾角α的增大，破壞模式依次為貫穿層理張拉破壞、沿著層面的滑移破壞、剪切和張拉符合破壞以及張拉劈裂破壞。

(3)通過試驗(yàn)成果分析，表明層狀砂巖具有明顯的各項(xiàng)異性的力學(xué)性質(zhì)特征，同時對成果進(jìn)行了相應(yīng)的關(guān)系式擬合，因此針對不同傾角α的參數(shù)都可以計(jì)算獲得，為相關(guān)的工程論證設(shè)計(jì)、安全評價等提供了可靠的依據(jù)。