云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性特征研究

王　哲,馬淑芝，席人雙,賈洪彪

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

云母石英片巖作為區(qū)域接觸變質(zhì)巖中的淺-中變質(zhì)巖類，具有片理構(gòu)造特征，中-微風(fēng)化巖塊的單軸極限抗壓強(qiáng)度高，其強(qiáng)度介于片理極為發(fā)育的云母片巖、千枚巖和塊狀硬質(zhì)巖體之間，巖體及巖塊力學(xué)性質(zhì)具有各向異性特征[1-4]。同時(shí)，云母石英片巖具有明顯的差異風(fēng)化特征，隨著其風(fēng)化程度的加深，巖石強(qiáng)度弱化明顯，其各向異性特征也隨之發(fā)生變化。云母石英片巖邊坡坍滑災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)其強(qiáng)度各向異性特征的研究非常重要。

借鑒前人的研究方法[5-9]，本文以廈沙高速公路邊坡云母石英片巖為研究對(duì)象，結(jié)合礦物組成分析、微觀結(jié)構(gòu)分析、單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試、點(diǎn)荷載試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析，研究了不同風(fēng)化程度的云母石英片巖在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上的各向異性特征，并分析了云母石英片巖強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1　云母石英片巖的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)分析

1. 1　云母石英片巖的礦物組成分析

巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)往往與其礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)特征密不可分，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究工作[10-12]。

廈沙高速公路尤溪境內(nèi)的高邊坡基巖主要為前震旦系龍北溪組(AnZ)的中-淺變質(zhì)巖，本研究選取該路段典型具有代表性的6塊新鮮(未風(fēng)化)巖石樣品進(jìn)行了鏡下巖礦鑒定，其鑒定結(jié)果見表1。

表1　巖石樣品的巖礦鑒定結(jié)果匯總Table 1　　　　Results of rock-mineral appraisal of the schist samples

由表1可見，巖石以含云母石英片巖、云母石英片巖為主，石英含量為75%～85%，云母含量為8%～15%，另外還含有少量長(zhǎng)石、綠泥石、綠簾石、磁鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦，論文中為了便于描述，統(tǒng)一稱為云母石英片巖。

1. 2　云母石英片巖的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1為云母石英片巖在偏反光顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)照片。

圖1　云母石英片巖在偏反光顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1　　　　Micrographs of mica quartz schist under the partial reflective microscope

由圖1可見，巖石普遍呈細(xì)粒鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，顯微片狀構(gòu)造，云母定向排列明顯。

圖2為云母石英片巖在不同放大倍數(shù)的掃描電子顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)照片。

圖2　不同放大倍數(shù)下云母石英片巖的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2　　　　Microstructure of mica quartz schist under different magnification

圖2中灰色區(qū)域?yàn)樵颇福始?xì)小片狀、鱗片狀，部分不連續(xù)，呈定向分布，其礦物組構(gòu)存在明顯的優(yōu)勢(shì)定向排列，這是其自身片狀構(gòu)造的微觀體現(xiàn);深灰色區(qū)域?yàn)槭ⅲw粒結(jié)構(gòu)緊密，部分石英礦物和變余燧石砂夾雜，大體沿云母條帶方向延伸。這種定向排列一般均是由應(yīng)力和溫度的聯(lián)合作用或重結(jié)晶作用形成。

從云母石英片巖的微觀結(jié)構(gòu)來看，其組成的礦物定向排列強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)的各向異性明顯，而云母石英片巖這種在微觀結(jié)構(gòu)上的各向異性特征同時(shí)也反映在巖石的物理力學(xué)性質(zhì)上。

2　未風(fēng)化云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性特征

為了分析云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性特征，本研究針對(duì)新鮮(未風(fēng)化)云母石英片巖開展了單軸試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)的強(qiáng)度測(cè)試分析。試驗(yàn)中所采用的云母石英片巖試樣為圓柱形，高度為10 cm，直徑為5 cm。其中，1#、7#試樣，長(zhǎng)軸方向與片理面垂直；4#、10#試樣長(zhǎng)軸方向與片理面平行；11#、12#試樣長(zhǎng)軸方向與片理面夾角為45°；8#試樣長(zhǎng)軸與片理面夾角為60°；9#試樣長(zhǎng)軸與片理面夾角為30°。

2. 1　未風(fēng)化云母石英片巖的單軸抗壓強(qiáng)度

表2為未風(fēng)化云母石英片巖在干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。

由表2可見，未風(fēng)化云母石英片巖無(wú)論是在干燥狀態(tài)下還是飽水狀態(tài)下，其垂直片理和平行片理方向加壓得到的單軸抗壓強(qiáng)度差異不大，基本上在10%以內(nèi)；而與片理斜交加壓得到的巖石單軸抗壓強(qiáng)度與其他兩種情況相比，要低很多，在30%以上?？傊?，與片理斜交加壓的未風(fēng)化云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低；而垂直片理和平行片理加壓的未風(fēng)化云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高。

表2　巖樣單軸試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2　Results of rock uniaxial compression tests

注：巖樣編號(hào)為野外采樣的統(tǒng)一編號(hào)。

此外，巖樣破壞多為沿加載方向上的拉張破壞，反映了未風(fēng)化云母石英片巖的脆性特征明顯；斜交片理加載的情況，巖樣多數(shù)為張拉破壞，少量出現(xiàn)沿片理面的剪切破壞。

2. 2　未風(fēng)化云母石英片巖的剪切強(qiáng)度

圖3為1#、10#兩組巖樣三軸試驗(yàn)所獲得的應(yīng)力莫爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線,表3為各組巖樣根據(jù)三軸試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

圖3　未風(fēng)化云母石英片巖強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.3　　　　Strength enveloping line of unweathered mica quartz schist表3　未風(fēng)化云母石英片巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 3　　　　Shear strength parameters of unweathered mica quartz schist

巖樣編號(hào)含水狀態(tài)黏聚力c/MPa內(nèi)摩擦角?/(°)1#干燥狀態(tài)16.4555.287#干燥狀態(tài)15.9858.008#干燥狀態(tài)6.2349.809#干燥狀態(tài)9.0552.8010#干燥狀態(tài)16.3553.13

由圖3和表3可見，巖樣總體上以剪切破壞為主。對(duì)于垂直片理和平行片理加荷的巖樣，其破裂面基本上與軸壓加壓方向呈15°～20°的夾角，與45°-φ/2一致，該破裂面與原有片理面無(wú)關(guān)，是新形成的破裂面；對(duì)于軸壓與片理面斜交的巖樣，8#試樣破裂面與軸壓的夾角近60°，9#巖樣破裂面與軸壓的夾角近30°，均與片理面與軸壓的夾角一致，總體上沿原有片理面剪切破壞。因此，1#、7#和10#巖樣強(qiáng)度結(jié)果總體上是代表未風(fēng)化巖塊的強(qiáng)度值，8#、9#巖樣強(qiáng)度結(jié)果總體上是代表未風(fēng)化巖塊中片理面的強(qiáng)度值。

通過統(tǒng)計(jì)1#、7#和10#巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，得到未風(fēng)化云母石英片巖的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)平均值為：c=16.3 MPa，φ=55.5°；統(tǒng)計(jì)8#、9#巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，得到未風(fēng)化云母石英片巖中沿片理面剪切的抗剪強(qiáng)度參數(shù)平均值為：c=7.6 MPa，φ=51.3°。由此也說明，未風(fēng)化云母石英片巖的抗剪強(qiáng)度各向異性明顯，順片理面剪切強(qiáng)度低，橫交片理面剪切強(qiáng)度大，且差異明顯。

3　風(fēng)化云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性特征

云母石英片巖抗風(fēng)化能力弱，易于風(fēng)化，多數(shù)情況下難以加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸樣件供室內(nèi)試驗(yàn)之用，為此可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同風(fēng)化程度的云母石英片巖進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，對(duì)其點(diǎn)荷載強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)按加載方向與片理面夾角分別為0°(平行)、45°(斜交)、90°(垂直)三種情況進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可見，點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)測(cè)值IS與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度值IS(50)有一定的差異，尤其是巖石風(fēng)化程度越低差異越大，未風(fēng)化和微風(fēng)化巖石一般測(cè)試值偏大，強(qiáng)風(fēng)化巖石一般測(cè)試值偏小，這主要與測(cè)試過程中巖樣選擇的尺寸大小有關(guān)。對(duì)于未風(fēng)化和微風(fēng)化的巖樣，由于其強(qiáng)度高，點(diǎn)荷載試驗(yàn)時(shí)為了能夠使巖樣破壞，只能選擇尺寸相對(duì)小的試樣，一般其尺寸遠(yuǎn)小于50 mm，使得測(cè)試結(jié)果偏大；而對(duì)于中等風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的巖樣，由于其強(qiáng)度低，容易破裂，為了能夠提高壓力讀數(shù)精準(zhǔn)度，在點(diǎn)荷載試驗(yàn)時(shí)往往選擇的試樣尺寸較大，多數(shù)尺寸大于50 mm，使得測(cè)試結(jié)果偏小。這也證明了巖石強(qiáng)度具有“尺寸效應(yīng)”特征——巖石尺寸越大，測(cè)試得到的強(qiáng)度越低。

表4　不同風(fēng)化程度的云母石英片巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果Table 4　　　　Results of point load test for micaquartz schist under different weathering degree

圖4為不同風(fēng)化程度的云母石英片巖在各加載方向上點(diǎn)荷載強(qiáng)度的對(duì)比。

圖4　　　　不同風(fēng)化程度的云母石英片巖在各加載方向上的 點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.4　　　　Comparison of point loading strength of mica quartz schist in different loading directions

由圖4可見，云母石英片巖的點(diǎn)荷載強(qiáng)度具有明顯的各向異性，但不同風(fēng)化程度的云母石英片巖，其各向異性的程度不同，由此得出云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性程度與其風(fēng)化程度有關(guān)。

本文定義不同方向(用與片理方向的關(guān)系表述)云母石英片巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)測(cè)值IS與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度值IS(50)的比值為各向異性系數(shù)，由點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果(見表4)，可以得到不同風(fēng)化程度的云母石英片巖的各向異性系數(shù),見表5。

表5　　　　不同風(fēng)化程度的云母石英片巖的各向異性系數(shù)Table 5　　　　Anisotropy coefficient of rock under different weathering degree

由表5可見，根據(jù)不同風(fēng)化程度的云母石英片巖的平均各向異性系數(shù)可知，各向異性最明顯的是微風(fēng)化巖石(1.88)，其次是中等風(fēng)化巖石(1.79)，再次是未風(fēng)化巖石(1.67)，最后是強(qiáng)風(fēng)化巖石(1.26)。分析原因認(rèn)為：微風(fēng)化巖石強(qiáng)度的各向異性最為明顯，這與從微風(fēng)化開始巖體內(nèi)部分片理面已經(jīng)開始裂解成宏觀結(jié)構(gòu)面有關(guān)；中等風(fēng)化巖石更強(qiáng)烈，但巖塊本身強(qiáng)度經(jīng)風(fēng)化在弱化，其各向異性反而沒微風(fēng)化巖石明顯；至于強(qiáng)風(fēng)化巖石，由于巖塊強(qiáng)度弱化更嚴(yán)重，反而是片理面的影響淡化了，各向異性反而不明顯；對(duì)于未風(fēng)化巖石，巖塊本身強(qiáng)度很高，而片理面結(jié)合十分緊密，基本上不存在宏觀巖石開裂的片理面，使得片理面同樣具有很高的抗剪強(qiáng)度，其使巖石各向異性的作用不太顯著，雖然整體上也導(dǎo)致一定的各向異性，但反而沒有微風(fēng)化和中等風(fēng)化的巖石強(qiáng)烈。

4　云母石英片巖強(qiáng)度各向異性特征的數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步分析云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性特征，特別是片理對(duì)于云母石英片巖強(qiáng)度的影響，本文采用3DEC離散元軟件對(duì)云母石英片巖強(qiáng)度的各向異性特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模型采用1.0 m×1.0 m×1.5 m的長(zhǎng)方體塊體，巖塊采用Mohr-Coulomb模型，片理采用接觸庫(kù)侖滑移模型，利用速度邊界條件固定模型下表面，并在模型上表面施壓模擬壓縮。通過在模型頂面中心設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制出云母石英片巖垂向上的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而獲得其抗壓強(qiáng)度。此外，建立傾角為0°、15°、30°、45°、60°、65°、75°、90°的片理面模型，同時(shí)也對(duì)無(wú)片理面云母石英片巖進(jìn)行了模擬，以便分析對(duì)比。

圖5為片理面傾角為30°和75°的未風(fēng)化云母石英片巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表6為不同片理面傾角的未風(fēng)化云母石英片巖的單軸抗壓強(qiáng)度。

圖5　　　　片理面傾角為30°和75°的未風(fēng)化云母石英片巖的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5　　　　Stress-strain curves of unweathered mica quartz schist obtained from numerical simulation when the inclination angle is 30° and 75°

將表6中數(shù)據(jù)，以片理面傾角為橫軸、巖石的抗壓強(qiáng)度為縱軸，繪制散點(diǎn)圖，見圖6。

表6　　　　不同片理面傾角的云母石英片巖的單軸抗壓強(qiáng)度σc(單位：MPa)Table 6　　　　Uniaxial compressive strength (σc,MPa) of quartz schist under different schistose angles

圖6　　　　云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度隨片理面傾角的 變化曲線Fig.6　　　　Curves of uniaxial compressive strength with schistose angle obtained from numerical simulation

由圖6可見，不論何種風(fēng)化程度，云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度均隨著片理面傾角的變化而變化。當(dāng)片理面傾角較小時(shí)，云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度較高，垂直片理面加載時(shí)巖石的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，十分接近不考慮片理影響的巖石的抗壓強(qiáng)度；隨著片理面傾角的增加，巖石的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)片理面傾角增加到一定值后，巖石的抗壓強(qiáng)度又接近于最大值，此時(shí)也十分接近不考慮片理影響的巖石的抗壓強(qiáng)度。因此，總體上看，該曲線呈現(xiàn)出“U”字形的變化趨勢(shì)，且左側(cè)的曲線斜率比右側(cè)小，反映了不同片理面傾角的變化范圍對(duì)云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度的影響不同。

對(duì)于未風(fēng)化巖石，模擬所得到的巖石抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，表明模擬分析是可靠的。當(dāng)片理面傾角在0°～30°范圍之內(nèi)時(shí)，巖石抗壓強(qiáng)度的變化不太明顯，此時(shí)巖石破壞由巖石控制，破裂面為新生的，所以巖石的未風(fēng)化抗壓強(qiáng)度較高；當(dāng)片理面傾角達(dá)到35°以上時(shí)，巖石的抗壓強(qiáng)度下降較大，巖石破壞主要由片理控制，其抗壓強(qiáng)度由片理的剪切強(qiáng)度決定，且隨著片理面傾角的增加，巖石抗壓強(qiáng)度逐漸降低，達(dá)到一定值時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值；當(dāng)片理面傾角從65°再繼續(xù)增加，巖石的抗壓強(qiáng)度又急劇增加至82 MPa，當(dāng)片理面傾角在75°～90°范圍之間時(shí)，巖石的抗壓強(qiáng)度保持平緩增長(zhǎng)的趨勢(shì)；當(dāng)片理面傾角達(dá)到90°為豎向片理時(shí)，巖石的抗壓強(qiáng)度達(dá)到先前的水平，模擬計(jì)算結(jié)果與理論相符。

根據(jù)耶格(Jaeger，1960)的單結(jié)構(gòu)面理論[13]，當(dāng)片理面傾角β=45°+φj/2時(shí)，巖石抗壓強(qiáng)度取最小值，且其最小值可以由下式計(jì)算：

(1)

由圖6可見，當(dāng)片理面傾角為64°左右時(shí)，云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值，為5.7 MPa，滿足片理面傾角β=45°+φj/2的條件，此時(shí)由公式(1)計(jì)算得到巖石抗壓強(qiáng)度的最小值為5.45 MPa，與模擬所得的5.7 MPa基本接近。

根據(jù)圖6，對(duì)于微風(fēng)化和中等風(fēng)化的云母石英片巖，模擬計(jì)算分析所得其抗壓強(qiáng)度與片理面傾角的關(guān)系與未風(fēng)化的云母石英片巖的變化規(guī)律較為一致，但其抗壓強(qiáng)度的絕對(duì)值隨巖石風(fēng)化程度的加深大幅度減小，其達(dá)到最小值的片理面傾角也在不斷變小；但是，隨著巖石風(fēng)化程度的增加，巖石抗壓強(qiáng)度的“U”字形曲線變得越來越開敞，說明片理面對(duì)于巖石強(qiáng)度的影響范圍在加大。微風(fēng)化云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度最大值與最小值的比值為27.8，而中等風(fēng)化云母石英片巖的該比值則為21.7，說明了隨著巖石風(fēng)化程度的加深，云母石英片巖抗壓強(qiáng)度的各向異性程度有所減弱。

5　結(jié)　論

(1) 云母石英片巖的礦物組成以石英和云母為主，是在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史中經(jīng)歷多種地質(zhì)作用而成，普遍呈細(xì)粒鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，顯微片狀構(gòu)造，云母定向排列尤為明顯。

(2) 從云母石英片巖的微觀結(jié)構(gòu)來看，其組成的礦物定向排列強(qiáng)烈，使巖石具有明顯的片狀構(gòu)造，而這種在微觀結(jié)構(gòu)上的各向異性特征同時(shí)反映在巖石物理力學(xué)性質(zhì)上，成為巖石強(qiáng)度各向異性的主要控制因素。

(3) 在不同方向荷載作用下，云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均表現(xiàn)出一定的各向異性，尤其是抗剪強(qiáng)度更為明顯，反映出片理面對(duì)于其剪切破壞的控制作用更為強(qiáng)烈。

(4) 通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析可知，不同風(fēng)化程度的云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度均具有各向異性，且隨片理面傾角的變化，其抗壓強(qiáng)度呈“U”字形的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為先減小后變大，且隨著巖石風(fēng)化程度的加深，“U”字形曲線更越來開敞，云母石英片巖抗壓強(qiáng)度的各向異性程度有所減弱。

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