絹云母化千枚巖各向異性特性及長期強度試驗研究

曾　鵬，紀洪廣，趙　奎，李成江

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；3.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

礦業縱橫

絹云母化千枚巖各向異性特性及長期強度試驗研究

曾鵬1，紀洪廣1，趙奎2，李成江3

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；3.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

摘要：對于承受高水平荷載、工作年限長的巖石邊坡工程，獲取巖石的長期強度，具有十分重要的意義。通過對巖質邊坡中絹云母化千枚巖試件進行單軸壓縮試驗和分級加載單軸蠕變試驗，在常規試驗數據的基礎上，研究了絹云母化千枚巖強度的各向異性特征和長期強度。研究結果表明：①相同加載條件下，隨著層理面與軸向力加載方向夾角的增大，強度值是一個先減小后增大的過程，當夾角等于30°左右時，強度最低；②絹云母化千枚巖的長期強度大約為其單軸抗壓強度的60.40%～82.71%。該結果為巖質邊坡工程的安全和設計提供了有力依據。

關鍵詞：長期強度；絹云母化千枚巖；單軸壓縮；分級加載；蠕變

巖石具有明顯的蠕變特性是巖石力學區別于其他很多材料的基本特征之一，其強度隨時間的增加而減少[1]，巖石長期強度是巖石蠕變理論的一個重要參數，定義為巖石在長時間內受外荷載作用下而不發生破壞所能承受的最大可能作用力，巖石長期強度的準確確定，對地下工程、邊坡工程的安全評價和設計有著十分重要的意義。

目前，在推算巖石長期強度的方法主要有兩類[2-3]。一類稱為直接法，獲取各巖石試件一次性加載蠕變破壞試驗的時間，從而建立應力與時間之間的擬合函數關系來推算長期強度。該方法需要大量的巖石試件，并耗費大量的時間，實際工程中較少被采用。另一種方法為間接法，采用分級加載蠕變破壞試驗[4]結果，來推算巖石的長期強度。這類方法無疑是確定長期強度的一種簡單快捷的方法。

巖石力學試驗方面，國內外學者對巖石蠕變特性和長期強度進行了大量研究，并取得了豐富的研究成果，如SZCZEPANIKZ等[4]通過對花崗巖試件的流變試驗研究，得到花崗巖的長期強度為單軸壓縮試驗峰值強度的70%～80%。崔希海和付志亮[5]在基于紅砂巖的蠕變試驗，得出軸向和橫向都存在一個蠕變應力閾值，其中軸向蠕變應力閾值為單軸抗壓強度的45%～55%，而根據橫向穩定蠕變的應力閾值來確定長期強度是前者所確定的巖石長期強度值的65%～81%。李連崇等[6]基于長期強度特征，研究了巖質邊坡的時效變形與破壞特征的研究。李良權等[7]對砂巖進行了常規三軸壓縮試驗和三軸壓縮流變試驗，并通過應變等時曲線簇、穩態蠕變速率與應力水平的關系、裂紋損傷應力、流變荷載與破壞時間關系來確定其長期強度。沈明榮和諶洪菊[8]利用過渡蠕變法、等時曲線法探討了這些方法確定紅砂巖長期強度在理論上的正確性和試驗方法可操作性，同時，將蠕變曲線與應力-應變曲線結合，提出確定巖石長期強度的新方法。文獻[9]對軟弱復雜礦巖蠕變特性進行了試驗研究，研究了巖石蠕變特性的Burgers模型。文獻[10]還利用聲發射手段，對紅砂巖不同蠕變階段進行了研究。上述文獻中，主要圍繞花崗巖、大理巖、砂巖等一系列均質性好的巖石為試驗研究對象，吳創周等[11-14]在考慮了巖石各向異性特征，對一些各向異性特征明顯的巖石的蠕變特性或長期強度進行了試驗研究，并取得了一些豐富的研究成果。

本文以絹云母化千枚巖為研究對象，先通過單軸壓縮試驗得到巖石的單軸抗壓強度值，在此基礎上，設計不同應力水平的分級加載單軸蠕變試驗，并通過過渡蠕變法，確定巖石的長期強度。

2試件特征及制備

2.1巖性特征

本次試驗對象絹云母化千枚巖取自江西某露天礦區巖質邊坡一個鉆孔(圖1(a))，巖性一致、位置接近。絹云母化千枚巖的主要成分由絹云母、綠泥石、石英等定向構造，含較多褐黑色雜質，顯微鱗片變晶結構。巖石中片狀礦物形成細而薄的連續片理，沿片理面呈定向排列致使其具有明顯的千枚狀構造。

圖1　巖芯及試件照片

2.2試件制備

按國際巖石力學會(ISRM)試驗規程，采用DQ-4A型巖石切割機切割巖芯，然后采用M-200型雙端面磨石機打磨端面，最終加工成直徑為Φ50mm，高徑比為2∶1的圓柱體試件。加工試件端面平整，上下端面不平行度小于0.05mm，并使端面與軸向垂直最大偏差不超過0.25°。巖石的縱波波速等參數與巖石內部的損傷狀態及單軸抗壓強度均有密切的關聯性，因此采用RSM-SY5聲波儀對試件再進行聲波測試，篩選出波速相近的試件，見圖2。

3單軸壓縮試驗

3.1試驗儀器及方案

在進行蠕變試驗前，對絹云母化千枚巖進行了單軸壓縮試驗，本次單軸壓縮試驗中巖石力學試驗系統采用RMT-150C電液伺服試驗機，其垂直最大加載力為1000kN，機架剛度5×106N/mm，具有操作方便、控制性能好、自動化程度高等優點。試驗過程均采用行程控制方式，加載速率為0.0005mm/s。

由于千枚巖構造發育，考慮到片理面對巖石強度的影響，對試件的片理面方向與軸向力加載方向的夾角(β，見圖3)進行了測量。

圖2　RSM-SY5(N)聲波儀篩選試樣

圖3　加載方向與片里面夾角示意圖

3.2常規力學特性

單軸壓縮試驗中共10塊試件，各試件的單軸抗壓強度值與β值具體見表1。

為了更加直觀的觀察不同層理角度的絹云母化千枚巖單軸抗壓強度的各向異性，因此將表1中數據繪制于圖4中，并對所得強度值進行擬合。試驗結果表明，絹云母化千枚巖存在明顯的各向異性，表現為不同的層理角度，其單軸抗壓強度值明顯不同。但其整體規律是，隨著β值從0°開始增加，單軸抗壓強度值逐漸減小，在β=30°左右時，其強度值最小，而當β再逐漸增大至90°的過程中，單軸抗壓強度值將增大。比較β=0°與β=90°的單軸抗壓強度值可以看出，當β=0°時的單軸抗壓強度值要略高于β=90°時的單軸抗壓強度值。

表1　絹云母化千枚巖單軸抗壓強度值

圖4　不同層理角度絹云母化千枚巖單軸抗壓強度各向異性

4分級加載單軸蠕變試驗

4.1蠕變試驗方案

研究表明[4]，一般巖石的長期強度為單軸抗壓強度值的50%～80%不等。因此，在結合絹云母化千枚巖單軸抗壓強度值的基礎上，制定了分級單軸加載蠕變試驗方案。本文的分級單軸加載蠕變試驗在MTS858疲勞試驗機上進行，共設計四級不同應力水平加載，分別為15kN、17.5kN、20kN和25kN。蠕變試驗研究的載荷控制是一個反復的循環加卸載及穩壓過程，試驗過程中的加載及變形、載荷測量均由MTS858疲勞試驗機提供，加載全過程均采用載荷控制速率為0.05kN/s，并保證每級載荷下持續穩壓10h。分級加載單軸蠕變試驗中共9塊試件，具體見表2。

4.2蠕變試驗結果及分析

巖石蠕變試驗中當穩態蠕變速度為零時的最大荷載可作為巖石的長期強度[1-2]。由于巖石破壞過程中有擴容效應，而擴容與巖石內部裂紋的不穩定擴展是聯系相關，其內部裂紋的不穩定擴展存在一個應力閥值。過渡蠕變法在基于低應力、低溫度水平下巖石裂紋分析，當施加的外力低于該應力閥值，巖石不會破壞，高于該值則巖石內部裂紋出現不穩定擴展直至巖石破壞，過渡蠕變法示意圖見圖5。通過蠕變速率的變化，得到不穩定擴展的應力閥值作為巖石的長期強度[8]。

表2　絹云母化千枚巖蠕變試驗

圖5　過渡蠕變法示意圖[1]

巖石在低水平恒定荷載持續作用下，變形量隨著時間增長而增加，蠕變速率則隨之減小，最后趨于穩定；當荷載較大時，蠕變不能趨于穩定，而是無限增長直到破壞。

試件J3(β=42°)在最后一級應力12.82MPa穩壓過程中破壞，觀察試件J3破壞形態發現，絹云母化千枚巖基本上是順著其片理結構面的形態發生破壞，說明在軸向壓應力的作用下，泊松效應下產生了橫向拉應力，其內部的片理結構形式，決定了其在蠕變過程的主要破壞形式。在邊坡工程中，這種復雜的巖體結構面，將主要影響邊坡工程中的穩定與安全。因此，在邊坡工程設計過程中，應對主要巖體結構面的形式及走向等進行詳細的勘探和研究，盡量避開危險結構面，以防止這種因巖體結構弱面而導致的破壞形式。試件破壞形態照片見圖6。

圖7和圖8分別為試件J3在12.82MPa下蠕變試驗結果曲線和各級應力水平下的蠕變曲線，根據巖石典型的蠕變曲線經驗方程，圖7曲線方程形式可表達為[2]下式。

式中：ε(t)為時間的應變；ε0為瞬時應變；ε1(t)為初始應變；ε2(t)為等速段應變；ε3(t)為加速段應變。

圖6　試件J3破壞形態

圖7　試件J3在12.82MPa荷載下蠕變曲線

試件J3對應的四級應力分別為8.01MPa、9.35MPa、10.68MPa、12.82MPa。事實上，這一強度已經屬于常規強度與長期強度的一種過渡狀態，按照前期單軸抗壓強度擬合值約為15.68MPa，則可以認為當β=42°左右時，巖石的長期強度值要小于其單軸抗壓強度的82.71%。

同樣的，試件J7(β=15°)時，試件所對應的各級應力分別為8.03MPa、9.69MPa、10.71MPa和13.38MPa，其中，試件在13.38MPa穩壓階段時，也發生了破壞，根據前期單軸抗壓強度擬合值約為16.90MPa，說明當β=15°左右時，巖石的長期強度值要小于其單軸抗壓強度的79.17%。因此，分析試件J3和試件J7來看，巖石的長期強度至少應在其單軸抗壓強度值的82.71%以下。

圖9和圖10分別為試件J4(β=10°)試件J11(β=45°)在分級荷載下的蠕變曲線，其中試件J4對應的四級應力大小分別為7.98MPa、9.32MPa、10.65MPa、12.78MPa；試件J11所對應的四級應力大小分別為7.96MPa、9.61MPa、10.71MPa、12.73MPa。從圖中可以看出以下結果。①在不同級別的荷載作用下，加載瞬間，軸向都產生瞬時應變，其后產生隨時間而逐漸增長的蠕變變形，試件規律較為明顯，大體一致。②當巖石加載的應力值小于蠕變應力閥值時，其進入第一蠕變階段，如圖7中AB段所示，此時蠕變衰減趨于0；而當加載應力大于該應力閾值時，則進入第二蠕變階段，如圖7中BC段所示，此時蠕變趨于穩定。隨著時間的增長，巖石逐漸進入蠕變加速階段，如圖7中CD段所示。試件J4和試件J11分別在10.65MPa和10.71MPa穩壓過程中均未出現明顯蠕變加速現象，但當進入下一加載階段12.78MPa和12.73MPa時，蠕變曲線的末端開始向上翹起，說明此時巖石出現明顯的加速蠕變階段。

圖8　試件J3在分級荷載下蠕變曲線

圖9　試件J4在分級荷載下蠕變曲線

圖10　試件J11在分級荷載下蠕變曲線

根據利用不穩定擴展的應力閾值來確定巖石長期強度的方法[8]，結合不同層理角度絹云母化千枚巖單軸抗壓強度各向異性，當β=10°和β=45°時，巖石的單軸抗壓強度擬合值約分別為21.16MPa和17.94MPa，最終確定巖石長期強度分別為其單軸抗壓強度值的60.40%和70.96%。因此，從分析試件J4和試件J11來看，可以確定巖石的長期強度應在其單軸抗壓強度值的60.40%～70.96%的范圍內。

本次蠕變試驗中試件J1(β=5°)、J2(β=10°)、J5(β=70°)、J6(β=10°)、J8(β=55°)在各階段均未出現蠕變加速階段。說明所提供的最高級應力均未能達到巖石的長期強度，從不同層理角度巖石強度各向異性圖可以得出，當β>15°和β<45°時，其單軸抗壓強度值要小于β∈(15°，45°)范圍內的強度，故就目前所提供的應力水平而言，巖石不會出現加速蠕變現象。這也進一步說明了絹云母化千枚巖的蠕變強度和長期強度也表現出了與單軸抗壓強度規律相一致的各向異性特性。因此，上述各試件最高級蠕變應力階段過程所對應的單軸抗壓強度分別為：23.27MPa、21.16MPa、22MPa、21.16MPa和20.7MPa，所對應的最高級蠕變應力值分別為單軸抗壓強度擬合值的57.20%、63.23%、58.23%、63.14%和65.80%，由這些數據可得出，當巖石所受應力水平小于單軸抗壓強度值的65.80%時，則不會出現蠕變現象。

本次試驗中包含了巖石不同層理角度與軸向力加載方向夾角的試驗，即充分考慮了巖石的各向異性特征。因此，考慮到試驗過程中的誤差與離散性，最終對本次試驗中巖石的長期強度進行最大范圍的取值，其中長期強度的上限取得為其單軸抗壓

強度值的82.71%，下限為其單軸抗壓強度值的60.40%。最終可確定絹云母化千枚巖長期強度大約為其單軸抗壓強度值的60.40%～82.71%。

5結論

1)絹云母化千枚巖強度具有明顯的各向異性特征。相同加載條件下，隨著層理面與軸向夾角(β)的增大，強度值是一個先減小后增大的過程，當β=30°左右時，強度最低。

2)在基于過渡蠕變法的研究方法上，確定了絹云母化千枚巖的長期強度值大約為其單軸抗壓強度值的60.40%～82.71%，這一結果為巖石邊坡工程的安全評價和合理設計提供了有力的依據。

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Experimental study on long-term strength and anisotropic characteristics of sericite phyllite

ZENGPeng1，JIHong-guang1，ZHAOKui2，LICheng-jiang3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.EngineeringInstitute，UniversityofScienceandTechnologyJiangxi，Ganzhou341000，China；3.CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.，Ltd.，MCCGroup，Beijing100088，China)

Abstract:It’s very important to obtain the long-term strength of rock for rock slope engineering which under high levels loading and long working years.Laboratory experiments on the sericite phyllite specimens in rock slope under uniaxial compression and uniaxial creep with step-loading were carried out.On the basic of test data，the long-term strength and anisotropic characteristics of strengths of sericite phyllites were studied.The results indicate that：①With the increase of angles between bedding planes and axial-stress loading directions，the strengths are increase first and then decrease in the same load conditions.And the minimum value of strengths appears at the angle of 30°；②The long-term strength of sericite phyllite is 60.40%～82.71% of the compressive strength.The test results could provide a favorable basis for the safety and design of rock slope engineering.

Key words：long-term strength；sericite phyllite；uniaxial compression；step-loading；creep

收稿日期：2015-08-14

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51174015；51064010；51534002)

作者簡介：曾鵬(1987-)，男，博士研究生，主要從事礦山巖石力學測試與工程穩定性研究。E-mail：zengpeng23@126.com。 通訊作者：紀洪廣(1963-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事巖土工程檢測、聲發射技術、礦山動力災害等方面的教學與研究工作。E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn。

中圖分類號：TU45

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0141-05