不同圍壓條件下千枚巖宏觀破壞與微觀破裂特征分析

蔡國(guó)軍，趙大安，馮偉強(qiáng)，程宇航，賈 俊，仲 闖

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，四川 成都 610059; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心/西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

巖石處于應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜地層中，隨著科學(xué)研究不斷深入，巖石變形破壞越來(lái)越受到重視。在應(yīng)力作用下，巖石的變形破壞一般要經(jīng)歷微裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展、閉合、擴(kuò)展并最終產(chǎn)生宏觀的貫通破壞[1]。并且，巖石宏觀破壞與其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，巖石的宏觀破壞是其內(nèi)部微觀破裂演化的外在表現(xiàn)，因此，將巖石宏觀破壞特征同其微觀破裂特征聯(lián)系起來(lái)，這對(duì)于理解巖石的破壞機(jī)制具有重要理論意義。

在三軸壓縮條件下巖石變形全過(guò)程分析及破壞機(jī)制研究，學(xué)者們?nèi)〉昧吮姸喑晒Ｆ殉萚2]從巖石破裂與能量特征的角度分析了千枚巖三軸壓縮條件下的變形破壞機(jī)制；趙國(guó)彥[3]等采用三軸壓縮試驗(yàn)研究分析花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和變形特征及其強(qiáng)度準(zhǔn)則；吳永勝等[4]通過(guò)單軸和三軸試驗(yàn)研究千枚巖的各向異性力學(xué)特性和破壞模式；彭坤等[5]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)比分析巖石的Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則和一種新破壞準(zhǔn)則，認(rèn)為高圍壓條件下新破壞準(zhǔn)則更適用；付小敏等[6-7]基于不同圍壓條件下的巖石三軸加、卸載試驗(yàn)，研究了砂巖的能量變化與變形特征。近些年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始從微觀角度研究巖石的變形破壞機(jī)理。采用掃描電鏡等顯微結(jié)構(gòu)分析手段[8-10]，重點(diǎn)從微觀的角度研究巖石的變形，與宏觀破壞機(jī)制作對(duì)比分析，從而更為全面和準(zhǔn)確地分析研究巖石變形破壞機(jī)制。劉希靈等[11]通過(guò)開(kāi)展巴西劈裂、聲發(fā)射試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)探討了劈裂荷載下巖石聲發(fā)射特性與微觀破裂機(jī)制關(guān)系；鄭達(dá)等[12]通過(guò)運(yùn)用掃描電鏡與力學(xué)試驗(yàn)等多種試驗(yàn)方法探討了千枚巖的微觀破裂機(jī)理與其宏觀斷裂特征的相關(guān)性；王浩宇等[13]通過(guò)開(kāi)展SHPB試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，分別從宏觀和微觀角度探討了巖石輕度特性及其破壞準(zhǔn)則；王家興等[14]通過(guò)微觀測(cè)試手段從微觀角度分析了巖石微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性的相關(guān)性。

但是，對(duì)于不同圍壓條件下千枚巖的宏觀破壞特征與微觀破裂特征分析相關(guān)文章較少，故本文擬使用取自陜西省漢中市陰灣溝滑坡的千枚巖巖樣，通過(guò)巖石三軸壓縮試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)研究并得到千枚巖在不同圍壓條件下的宏觀破壞特征與微觀破裂特征。

1 千枚巖宏觀破壞特征

本文擬通過(guò)開(kāi)展巖石常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)等測(cè)試手段分析千枚巖的宏觀破壞特征。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

試驗(yàn)儀器采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS815Teststar程控伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)軸向最大荷載為3 000 kN，圍壓最大為100 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)量和加載方式由計(jì)算機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)可自動(dòng)測(cè)得存儲(chǔ)三軸壓縮試驗(yàn)變形破壞全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

將千枚巖巖樣制成常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為50 mm×100 mm，并用金剛砂打磨試樣，將試樣端面平整度控制在±0.05 mm內(nèi)。因?yàn)榍稁r巖樣存在結(jié)構(gòu)面，為避免結(jié)構(gòu)面影響千枚巖各向異性，在制備千枚巖試樣時(shí)，統(tǒng)一將試樣制成主要結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力方向夾角為40°。再使用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的FDP204-SW自動(dòng)采集聲波檢測(cè)儀測(cè)得所有制備試樣的縱波波速，將其中離散性較大的試樣剔除。

1.2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

因?yàn)橛糜谠囼?yàn)的千枚巖巖樣取自陰灣溝滑坡基巖深處，并且陰灣溝滑坡在天然工況下發(fā)生滑動(dòng)破壞，因此根據(jù)巖樣埋深及工況條件，確定該千枚巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的圍壓分別為3，6，9，12 MPa，試樣分別編號(hào)為Q1、Q2、Q3、Q4。試驗(yàn)先采用力控制方式，圍壓以0.05 MPa/s的加載速率達(dá)到預(yù)定值；當(dāng)圍壓加至預(yù)定值后，改用位移控制，軸向壓力以0.1 mm/min的加載速率增加直至試樣破壞，試驗(yàn)過(guò)程中MTS配備的控制計(jì)算機(jī)軟件自行采集全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[2-4]。

1.3 千枚巖變形破壞分析

1.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1為不同圍壓條件下千枚巖三軸壓縮試驗(yàn)全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，在荷載施加早期的壓密階段，千枚巖試樣的軸向應(yīng)變顯著增加，而側(cè)向應(yīng)變變化較小，維持在較小范圍內(nèi)，此時(shí)試樣中微裂隙開(kāi)始閉合。到彈性變形階段后，壓密后的千枚巖，由不連續(xù)介質(zhì)變成連續(xù)介質(zhì)，軸向應(yīng)變線性增加，側(cè)向應(yīng)變開(kāi)始增大，但變化范圍依舊很小。進(jìn)入裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段后，試樣便進(jìn)入塑性變形階段，內(nèi)部有微破裂出現(xiàn)，產(chǎn)生不可逆塑性變形，在軸向應(yīng)力和圍壓的共同作用下，試樣沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑動(dòng)，側(cè)向應(yīng)變迅速增加，軸向應(yīng)變繼續(xù)增大。在峰后階段，因?yàn)樵谧冃芜^(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，破裂便一直發(fā)展，之前試樣內(nèi)部存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能被釋放，側(cè)向應(yīng)變顯著增加，試樣膨脹并產(chǎn)生整體破壞，此后試樣強(qiáng)度迅速降低，變形繼續(xù)發(fā)展，直至試樣完全破壞。

圖1 千枚巖在不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知，千枚巖的屈服極限和峰值強(qiáng)度隨著圍壓的變大而增大。在峰值強(qiáng)度附近，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線呈現(xiàn)屈服平臺(tái)，顯示出塑性變形特征，這是由于千枚巖是具千枚狀構(gòu)造的巖石，發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面，巖體完整性較差，在軸向應(yīng)力和圍壓作用下，千枚巖的變形破壞主要是由結(jié)構(gòu)面和微裂紋共同引起的。

1.3.2 破裂特征分析

圖2為千枚巖試樣最大主應(yīng)力σ1與圍壓σ3最佳關(guān)系擬合曲線[2]。從圖2可以看出，千枚巖最大主應(yīng)力σ1與圍壓σ3呈線性關(guān)系，擬合結(jié)果為：σ1=5.19σ3+4.809 8，r2=0.940 2。

圖2 千枚巖最大主應(yīng)力和圍壓最佳關(guān)系曲線

用最大主應(yīng)力σ1與圍壓σ3表示庫(kù)倫準(zhǔn)則時(shí)，庫(kù)倫準(zhǔn)則可表示為：

式中：σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ3——圍壓，MPa；

c——內(nèi)聚力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角，(°)；

m、σc——庫(kù)倫準(zhǔn)則強(qiáng)度參數(shù)。

根據(jù)最大主應(yīng)力σ1與圍壓σ3的擬合結(jié)果與式（1），最終得到試樣的內(nèi)聚力為1.06 MPa，內(nèi)摩擦角為42°。進(jìn)一步計(jì)算得到破裂面傾角為48°。

圖3從左到右依次是千枚巖試樣在圍壓為3，6，9，12 MPa條件下的破壞形貌及素描圖。由圖可得，當(dāng)圍壓為6 MPa時(shí)，試樣宏觀破壞主要表現(xiàn)為局部拉張破壞和沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的剪切破壞的復(fù)合型破壞，破壞面較為粗糙。當(dāng)圍壓增大到9 MPa時(shí)，試樣宏觀破壞轉(zhuǎn)換成沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的剪切破壞，破壞面相對(duì)平整。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得試樣破壞的破裂面角度為 45°～60°，與計(jì)算結(jié)果相符合。

圖3 不同圍壓條件下千枚巖試樣破壞形貌及素描圖

2 千枚巖微觀破裂特征

隨著巖石力學(xué)的發(fā)展，學(xué)者們不再停滯于宏觀力學(xué)屬性研究，而是逐漸深入到微觀層面。由于巖石的非均質(zhì)性和各向異性，造成其微觀形態(tài)及力學(xué)機(jī)制的多樣性和復(fù)雜性。本文通過(guò)對(duì)千枚巖試樣在不同圍壓條件下完成常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)后破壞的破裂斷面的電鏡掃描圖片分析，來(lái)闡述其微觀結(jié)構(gòu)特征。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

試驗(yàn)儀器采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的S-3000N掃描電子顯微鏡（SEM），電鏡配備高靈敏度的二次電子探頭和半導(dǎo)體探頭，可對(duì)固態(tài)試樣表面形態(tài)開(kāi)展高速觀測(cè)；放大倍率在5～300 000倍之間；掃描方式包括：TV掃描、慢掃描（4級(jí)）、照相掃描（4級(jí)）及分屏掃描；具備自動(dòng)功能：自動(dòng)聚焦、自動(dòng)消像散、自動(dòng)亮度、自動(dòng)對(duì)比度、自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)照相及全自動(dòng)模式。

千枚巖試樣常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)完成后，對(duì)不同圍壓條件下破壞的試樣破裂斷面處取巖石切片。選取千枚巖試樣Q1、Q2、Q3、Q4具有代表性的斷面各一處進(jìn)行切割制樣，并對(duì)未進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的千枚巖試樣Q0進(jìn)行原樣觀察，以供后期進(jìn)行對(duì)比分析。

使用成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院的DX-2700X射線衍射儀對(duì)千枚巖試樣進(jìn)行X射線衍射分析[15]，此處千枚巖試樣的礦物成分見(jiàn)表1。由表1可知，千枚巖試樣礦物成分以綠泥石與石英為主，夾有少量斜長(zhǎng)石，綠泥石和石英含量分別為46%～48%、30%～35%。通過(guò)分析可知，千枚巖試樣礦物成分中親水性礦物較多，在自然環(huán)境中極易受降雨條件影響。

表1 巖樣礦物成分表

2.2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

將切割制樣后的千枚巖試樣Q0、Q1、Q2、Q3、Q4進(jìn)行超聲波清洗、烘干，由于千枚巖試樣的絕緣性，在真空狀態(tài)下進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)前需要先對(duì)試樣進(jìn)行鍍金處理。將鍍完金的試樣放入掃描電鏡真空艙中，將真空艙抽真空，之后在掃描電鏡配備的計(jì)算機(jī)軟件上將放大倍率選定為200倍（×200），依次選擇自動(dòng)聚焦、自動(dòng)消像散、自動(dòng)亮度、自動(dòng)對(duì)比度，選取理想的位置開(kāi)始拍攝照片并保存，之后將放大倍率選定為500倍（×500）并執(zhí)行相同操作。

2.3 千枚巖破裂微觀結(jié)構(gòu)分析

先對(duì)制備好的千枚巖試樣Q0進(jìn)行電鏡掃描觀察，以供和經(jīng)過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)破壞的試樣破裂斷面的微觀分析進(jìn)行對(duì)比。如圖4（a）所示，經(jīng)切割的千枚巖試樣表面總體呈現(xiàn)平整，但仍出現(xiàn)凹凸面和部分巖粉巖屑，這是由于切割打磨過(guò)程中顆粒擠壓磨損造成的，這主要是巖石的脆裂性、成分的非均質(zhì)性及礦物顆粒的不均勻分布造成的。圖4（b）中可見(jiàn)較為完整的千枚巖層面，層面清晰可見(jiàn)，分層清楚。

圖4 千枚巖試樣Q0 SEM圖片

試驗(yàn)著重對(duì)不同圍壓條件下破壞的千枚巖破裂斷面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察分析與對(duì)比，從而總結(jié)出不同圍壓條件下破壞的千枚巖破裂斷面的微觀結(jié)構(gòu)特征，以探究巖石破壞的微觀機(jī)制及其與圍壓條件之間的關(guān)系。以下將對(duì)4組在不同圍壓條件下破壞的千枚巖破裂斷面進(jìn)行電鏡掃描圖片分析，圖5～圖8分別對(duì)應(yīng)Q1、Q2、Q3、Q4 4個(gè)試樣。

圖5 千枚巖試樣Q1 SEM圖片

從圖5～圖8可知，隨著圍壓的增加，試樣發(fā)生變形并局部產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致千枚巖層面不再完整，變的破碎；圍壓較低時(shí)，試樣局部沿層面呈剪切破裂；在高圍壓條件下，千枚巖的破裂均是沿層面發(fā)生的剪切破裂。巖粉巖屑變多，是沿層面的巖屑堆積剪切作用的結(jié)果。分析可知，千枚巖的微觀破裂主要以剪切破裂為主，拉張破裂次之。千枚巖破裂后斷面隨著圍壓的增大而變化，這是該巖石的礦物成分及其結(jié)構(gòu)特征所決定的。千枚巖試樣的斷面在電子顯微鏡下的微觀形態(tài)由于礦物成分的差異而顯現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)特征：綠泥石呈片狀，石英呈細(xì)粒狀。由表1可知，該處千枚巖綠泥石含量較高，因此具有變晶結(jié)構(gòu)，片理面發(fā)育，千枚狀構(gòu)造或定向構(gòu)造特征明顯，在外力作用下易產(chǎn)生剪切破裂。這就解釋了宏觀條件下，千枚巖隨著圍壓的增大，破壞由局部剪切破壞發(fā)展為沿結(jié)構(gòu)面的整體剪切破壞。

圖6 千枚巖試樣Q2 SEM圖片

圖7 千枚巖試樣Q3 SEM圖片

圖8 千枚巖試樣Q4 SEM圖片

3 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用巖石常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)與電鏡掃描試驗(yàn)等測(cè)試手段，對(duì)陜西省漢中市陰灣溝滑坡的千枚巖的宏觀破壞與微觀破裂特征進(jìn)行了研究，獲得了以下認(rèn)識(shí)：

1）根據(jù)庫(kù)倫準(zhǔn)則得到千枚巖最大主應(yīng)力σ1與圍壓σ3呈線性關(guān)系，擬合結(jié)果為：σ1=5.19σ3+4.809 8，r2=0.940 2。進(jìn)一步算得千枚巖破裂面傾角為48°，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得巖樣破壞的破裂面角度為45°～60°，與計(jì)算結(jié)果相符合。

2）當(dāng)圍壓為6 MPa時(shí)，千枚巖宏觀破壞模式為拉張破壞和剪切破壞的復(fù)合型。當(dāng)圍壓增加到9 MPa時(shí)，千枚巖宏觀破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)檠亟Y(jié)構(gòu)面滑動(dòng)的剪切破壞。

3）圍壓條件的變化導(dǎo)致千枚巖巖樣微觀破裂方式的不同。在零圍壓的條件下，千枚巖破裂斷面較為平整；圍壓較低時(shí)，試樣局部沿層面呈剪切破裂；在高圍壓條件下，千枚巖的破裂均是沿層面發(fā)生的剪切破裂。

4）千枚巖的宏觀破壞與微觀破裂之間存在一定聯(lián)系。在外力作用下千枚巖易發(fā)生剪切破壞，與其平坦面的斷面形態(tài)和沿層面破裂的微觀破裂模式是密切相關(guān)的。