南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組力學(xué)與變形特性試驗(yàn)研究

張 洪，李 毅，陳映江

南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組力學(xué)與變形特性試驗(yàn)研究

張 洪，李 毅，陳映江

（四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八三大隊(duì)，四川 達(dá)州 635000）

采用力學(xué)試驗(yàn)方法，對(duì)貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組力學(xué)與變形特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明：含水狀態(tài)：遇水后迅速崩解破壞，強(qiáng)度急劇降低；干燥狀態(tài)下：①剪切變形破壞含四個(gè)階段：壓密變形階段、彈性變形階段、塑性變形階段、峰值后變形階段；②單軸壓縮變形破壞含三個(gè)階段：彈性變形階段、抗變形能力提升階段、峰值后變形階段；③蠕變破壞含四個(gè)階段：瞬時(shí)變形階段、減速蠕變或衰減蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段。

冰磧礫巖；力學(xué)試驗(yàn)；力學(xué)特性；變形特性

貴州省南華系主要出露于東部地區(qū)，其屬于華南地層大區(qū)；可劃分為江南地層分區(qū)與揚(yáng)子地層分區(qū)。揚(yáng)子地層分區(qū)包含貴陽(yáng)-遵義小區(qū)，甕福磷礦英坪礦區(qū)內(nèi)的南華系就屬貴陽(yáng)-遵義小區(qū)（林樹(shù)基等，2018；）馬義波等，2015；劉軍等，2019）。

冰磧礫巖作為南華系上統(tǒng)南沱組中最典型的一種巖石，世界上比較稀少。前人對(duì)南沱組冰磧礫巖研究主要集中于沉積相、沉積環(huán)境及巖石組分等方面；針對(duì)其力學(xué)性質(zhì)研究鮮有報(bào)道。研究南沱組冰磧礫巖的力學(xué)性質(zhì)具有重要意義，為冰磧礫巖積累力學(xué)參數(shù)與變形特性；可為針對(duì)南沱組冰磧礫巖試驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)性成果。本文對(duì)貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)南沱組冰磧礫巖開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)英坪礦區(qū)南沱組冰磧礫巖的變形特性進(jìn)行分析、研究及初步總結(jié)。

圖1 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)試件

1 英坪礦區(qū)概況

貴州甕福磷礦分為白巖礦區(qū)與高坪礦區(qū)。英坪礦區(qū)位于高坪礦區(qū)最南端，此次試驗(yàn)巖樣為現(xiàn)場(chǎng)取自英坪礦區(qū)小壩礦段小壩滑坡區(qū)，礦區(qū)內(nèi)自下而上出露地層為青白口系清水江組、南華系上統(tǒng)南沱組、震旦系下統(tǒng)陡山沱組及上統(tǒng)燈影組、寒武系牛蹄塘組、明心寺組與金頂山組，第四系不整合覆于各時(shí)代地層之上。

礦區(qū)南沱組以紫紅、灰紫、灰綠、灰紫紅色冰磧礫巖為主；上部礫石減少，略顯層理，為冰湖相沉積；厚度0～9.4m，一般厚9.0m。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)小壩礦段小壩滑坡冰磧礫巖，為降低因巖石試件個(gè)體差異所造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性及提高試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，用于制備試件巖塊取自巖層相同部位的大塊完整巖體上。

針對(duì)南沱組冰磧礫巖開(kāi)展抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)、單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用立方體試件，試件邊長(zhǎng)50mm。單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)、單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)均采用圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，試件直徑50mm，高度100m。制備好的試件如圖1所示。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用攜帶式巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)儀，單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)采用MTS815型伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī)，單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)采用YSR-05巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)方案

南沱組冰磧礫巖力學(xué)性質(zhì)受含水狀態(tài)影響較大，遇水后極易崩解破壞，為保證試驗(yàn)成功與結(jié)果準(zhǔn)確性，三類試驗(yàn)試件在干燥狀態(tài)下進(jìn)行。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用1組試件，試件個(gè)數(shù)為6個(gè)，施加正應(yīng)力按照等差級(jí)數(shù)、級(jí)差為2.5MPa分為6級(jí)，依次為5.0MPa、7.5MPa、10.0MPa、12.5MPa、15MPa、17.5MPa。每級(jí)正應(yīng)力作用下，施加剪切應(yīng)力直至試件破壞，最大剪切應(yīng)力即為該級(jí)正應(yīng)力作用下的峰值抗剪強(qiáng)度。

單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)采用1組試件，試件個(gè)數(shù)為2個(gè)，采用位移傳感器法進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)獲得巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，求取相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)采用1組試件，試件個(gè)數(shù)為1個(gè)，采用陳氏加載法，利用包爾茲曼疊加原理獲得巖石蠕變曲線；分析巖石蠕變特性、求取巖石的極限強(qiáng)度和粘滯系數(shù)。

圖2 剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

巖石抗剪強(qiáng)度一般可采用庫(kù)倫公式：

式中：c和φ為巖石試件的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

根據(jù)試驗(yàn)所記錄的各個(gè)試件剪切應(yīng)力與相應(yīng)剪切位移，得到剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，如圖2所示，通過(guò)該曲線分析巖石的剪切變形特性、求取相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中6個(gè)試件對(duì)應(yīng)的曲線變形規(guī)律基本相似，其變形破壞過(guò)程可劃分為4個(gè)階段（周罕等，2014；張桂民等，2012）。第一階段為壓密變形階段，曲線微呈上凹形；第二階段為彈性變形階段，曲線近呈直線，剪切應(yīng)力與剪切位移二者近呈線性關(guān)系；第三階段為塑性變形階段，曲線由近呈直線轉(zhuǎn)換為呈下凹形曲線，且曲線由近呈直線形轉(zhuǎn)換為呈下凹形的轉(zhuǎn)換點(diǎn)所對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力為某級(jí)正應(yīng)力作用下的屈服剪應(yīng)力，塑性變形階段以剪應(yīng)力達(dá)到峰值剪應(yīng)力、試件剪斷破壞為終點(diǎn)；第四階段為峰值后變形階段，試件剪斷破壞后，剪應(yīng)力迅速跌落，剪切位移增大，剪應(yīng)力最終基本保持為某一恒定值，該恒定值即為某級(jí)正應(yīng)力作用下的殘余剪應(yīng)力。

圖3 抗剪強(qiáng)度曲線

根據(jù)剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線，獲得各個(gè)試件在不同正應(yīng)力作用下的屈服剪應(yīng)力、峰值剪應(yīng)力及殘余剪應(yīng)力。再依據(jù)試驗(yàn)中作用于各個(gè)試件的正應(yīng)力與屈服剪應(yīng)力、峰值剪應(yīng)力、殘余剪應(yīng)力繪制出正應(yīng)力-屈服剪應(yīng)力曲線、正應(yīng)力-峰值剪應(yīng)力曲線、正應(yīng)力-殘余剪應(yīng)力曲線，得屈服抗剪前度曲線、峰值抗剪強(qiáng)度曲線、殘余抗剪強(qiáng)度曲線，如圖3所示。

根據(jù)抗剪強(qiáng)度曲線求解巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ的方法有點(diǎn)群中心法、模糊回歸法、優(yōu)定斜率法和隨機(jī)-模糊法，鑒于本組試驗(yàn)的6個(gè)試件所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較小，本文采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，通過(guò)擬合得到的直線求得南沱組冰磧礫巖峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)cc和φc、屈服抗剪強(qiáng)度參數(shù)cp和φp、殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)cr和φr。抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 峰值抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

表2 屈服抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3.2 單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)

針對(duì)南沱組冰磧礫巖的單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)，獲得單軸壓縮條件下巖石的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程曲線，分析單軸壓縮條件下變形特性，求取力學(xué)參數(shù)。本試驗(yàn)1組2個(gè)試件：1#、2#單軸壓縮試件試驗(yàn)結(jié)果繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4～5所示。表3 殘余抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

表3 殘余抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

根據(jù)1#、2#單軸壓縮試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析南沱組冰磧礫巖在單軸壓縮條件下的變形破壞過(guò)程可分為3個(gè)階段（秦廣鵬等，2011；藏德勝和李安琴，2003；楊海清和周小平，2010；劉傳孝等，2008）。第一階段為彈性變形階段，軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線近呈直線，試件體積應(yīng)變由增加轉(zhuǎn)化為減小，巖石試件體積由壓縮轉(zhuǎn)化為膨脹；第二階段為抗變形能力提升階段，軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線近直線，曲線斜率較第一階段變陡，抗變形能力提升階段以軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度或單軸極限抗壓強(qiáng)度、試件壓縮破壞為終點(diǎn)；第三階段為峰值后變形階段，試件壓縮破壞后，軸向應(yīng)力迅速跌落基本保持為某一定值不變，軸向應(yīng)變持續(xù)增大，當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)龃笾聊骋恢岛筝S向應(yīng)力又再次跌落至某一恒定值且基本保持不變，峰值后變形階段的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線呈階梯形。

根據(jù)1#與2#單軸壓縮試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，求得南沱組冰磧包括單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量及泊松比在內(nèi)的一系列力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表4 單軸壓縮強(qiáng)度和變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 1#單軸壓縮試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由表4可知，干燥狀態(tài)，南沱組冰磧礫巖單軸抗壓強(qiáng)度均值為17.32MPa，彈性模量值為2.12GPa，泊松比均值0.23，變形模量均值為1.84。冰磧礫巖在干燥狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度較高，具有較好的力學(xué)性質(zhì)；遇水飽和后短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生崩解，強(qiáng)度急劇降低，力學(xué)性質(zhì)嚴(yán)重弱化，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5～15MPa，屬于軟巖。

圖5 2#單軸壓縮試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3 單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)

南沱組冰磧礫巖屬軟巖，其在礦區(qū)內(nèi)下伏于震旦系陡山沱組與燈影組硬質(zhì)巖組，對(duì)區(qū)內(nèi)邊坡穩(wěn)定性尤其露天礦坑邊坡穩(wěn)定性具重要影響作用，因此研究其在單軸向應(yīng)力作用下的力學(xué)與變形特性具有重要工程價(jià)值。

針對(duì)南沱組冰磧礫巖的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，采用陳氏加載法，即對(duì)同一試件分級(jí)逐布加載（李化敏等，2004；劉保國(guó)和崔少東，2010；姜永東等，2005；丁秀麗等，2005）。以干燥狀態(tài)下南沱組冰磧?yōu)榛A(chǔ)，結(jié)合巖石極限長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度之間的關(guān)系，確定荷載級(jí)數(shù)預(yù)設(shè)為5級(jí)、級(jí)差為5KN，荷載分別為5KN、10KN、15KN、20KN、25KN，各級(jí)荷載的加載歷時(shí)均保持一致。

根據(jù)單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)成果，荷載加至20KN后試件最終發(fā)生了破壞。根據(jù)各級(jí)荷載作用下，巖石試件隨時(shí)間變化的軸向位移值，運(yùn)用包爾滋曼疊加原理，得到各級(jí)荷載作用下的軸向應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，即蠕變曲線，如圖6所示。

在荷載5KN、10KN、15KN作用下，巖石試件蠕變經(jīng)歷三個(gè)階段：①瞬時(shí)變形階段：荷載一加上后發(fā)生的變形；②減速蠕變或衰減蠕變階段：軸向應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增大，但軸向應(yīng)變速率則相反，逐漸減小且接近第三階段時(shí)軸向應(yīng)變近似為0；③等速蠕變階段：軸向應(yīng)變隨時(shí)間近于等速增長(zhǎng)，軸向應(yīng)變速率近似為0，在恒定不變荷載作用下，軸向位移或軸向應(yīng)變基本無(wú)變化，不會(huì)經(jīng)蠕變而破壞。在荷載20KN作用下，巖石試件蠕變過(guò)程經(jīng)歷了四個(gè)蠕變階段：①瞬時(shí)變形階段：荷載一加上后發(fā)生的變形；②減速蠕變或衰減蠕變階段：軸向應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增大，但軸向應(yīng)變速率則逐漸減小，接近蠕變第三階段時(shí)軸向應(yīng)變減小至大于0常值，其值較前三級(jí)荷載作用下的速率顯著增大；③等速蠕變階段：軸向應(yīng)變逐漸增大，軸向應(yīng)變速率在此階段基本無(wú)變化，保持為某一常值；④加速蠕變階段：軸向應(yīng)變速率增大、變形加速，軸向應(yīng)變顯著增大，試件最終經(jīng)蠕變而破壞。

圖6 蠕變曲線（橫軸：時(shí)間/s，縱軸：軸向應(yīng)變）

在5KN、10KN、15KN作用下，冰磧礫巖試件發(fā)生趨穩(wěn)蠕變即穩(wěn)定型蠕變，在20KN作用下，冰磧礫巖試件發(fā)生非趨穩(wěn)蠕變即典型蠕變；在各級(jí)荷載作用下，巖石變形呈隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)。存在某一長(zhǎng)期應(yīng)力臨界值，即極限長(zhǎng)期強(qiáng)度，當(dāng)巖石所受長(zhǎng)期應(yīng)力小于該臨界值時(shí)，其發(fā)生趨穩(wěn)蠕變，不會(huì)經(jīng)蠕變而破壞；當(dāng)巖石所受長(zhǎng)期應(yīng)力大于臨界值時(shí)，其發(fā)生非趨穩(wěn)蠕變，經(jīng)蠕變而破壞（李星星等，2011；楊彩紅和李劍光，2006；李棟偉等，2011）。根據(jù)圖6，試件在20KN荷載即10.42MPa軸向應(yīng)力作用下，發(fā)生蠕變破壞，分析其極限長(zhǎng)期強(qiáng)度不超過(guò)10.42MPa。

根據(jù)蠕變曲線，得到不同時(shí)刻軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變速率的等時(shí)曲線，如圖7所示。等時(shí)曲線存在一明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以下其近呈直線，拐點(diǎn)以上其逐漸向下彎曲；通過(guò)等時(shí)曲線簇獲得一系列拐點(diǎn)，其軸向應(yīng)力值基本一致，由此得到一條平行于橫軸的直線；該直線與縱軸交點(diǎn)的軸向應(yīng)力值為冰磧礫巖的極限長(zhǎng)期強(qiáng)度即為8MPa，極限長(zhǎng)期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度的比值約0.5。

由圖6，荷載5KN、10KN、15KN作用下，等速蠕變階段應(yīng)變速率近于0，但為大于0的極小常值；荷載20KN作用下，等速蠕變階段應(yīng)變速率顯著大于前三級(jí)荷載作用，但其值仍極小。根據(jù)各級(jí)荷載作用下的等速蠕變階段的軸向應(yīng)變速率和軸向應(yīng)力，得軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變速率關(guān)系曲線，如圖8所示。軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變速率關(guān)系曲線的直線段斜率即為冰磧礫巖的粘滯系數(shù)，其值為8×107MPa.s，即8×1013Pa.s。

4 結(jié)論

本文以貴州甕福磷礦英坪礦區(qū)南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組為研究對(duì)象，采用力學(xué)試驗(yàn)方法，對(duì)其力學(xué)與變形特性進(jìn)行了相關(guān)研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）南沱組冰磧礫巖的力學(xué)性質(zhì)受含水狀態(tài)影響較大，遇水后短時(shí)間內(nèi)迅速崩解破壞，強(qiáng)度急劇降低。

（2）干燥狀態(tài)下，南沱組冰磧礫巖的峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)cc=21.3MPa，φc=45.3°；屈服抗剪強(qiáng)度參數(shù)cp=17.9MPa，φp=37.3°；殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)cr=10.2MPa ，φr=31.5°。巖石的剪切變形破壞過(guò)程包含四個(gè)階段：壓密變形階段、彈性變形階段、塑性變形階段、峰值后變形階段。

（3）干燥狀態(tài)下，南沱組冰磧礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度均值為17.32MPa，彈性模量均值為2.12GPa，泊松比均值為0.23，變形模量均值為1.84。巖石的單軸壓縮變形破壞過(guò)程包含三個(gè)階段：彈性變形階段、抗變形能力提升階段、峰值后變形階段。

（4）干燥狀態(tài)下，南沱組冰磧礫巖的極限長(zhǎng)期強(qiáng)度為8MPa，粘滯系數(shù)為8×1013Pa.s。巖石經(jīng)蠕變而破壞過(guò)程包含四個(gè)階段：瞬時(shí)變形階段、減速蠕變或衰減蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段。

由于采樣原因，試驗(yàn)參數(shù)僅代表完整南華系南沱組冰磧礫巖上部冰湖相巖組的力學(xué)參數(shù)；用于該冰湖相巖組分布區(qū)滑坡相關(guān)參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮水及滑坡滑動(dòng)對(duì)巖組結(jié)構(gòu)破壞的不利影響。

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Experimental Study of Mechanical and Deformation Characteristics of Glacial-Lacustrine Rock Formation of the Upper Part of Moraine Conglomerate of the Nantuo Formation of the Nanhua System

ZHANG Hong LI Yi CHEN Ying-jiang

(The 283rd Geological Party, Sichuan Bureau of Uranium Geology, Dazhou, Sichuan 635000)

This study has a discussion on mechanical and deformation characteristics of moraine conglomerate of the Nantuo Formation of the Nanhuan System in the Yingping mining area of the Wengfu Phosphate Mine of Guizhou Province on the basis of mechanical test. The test results show as follows: ①mechanical characteristics of the moraine conglomerate are greatly affected by moisture condition; ②in the dry state, the shear deformation and failure process of the moraine conglomerate may be divided into such four stages as compaction deformation stage, elastic deformation stage, plastic deformation stage and post peak deformation stage; ③in the dry state, the uniaxial compression deformation and failure process of the moraine conglomerate may be divided into such three stages as elastic deformation stage, deformation resistance improvement stage and post peak deformation stage; ④in the dry state, the creep failure process of the moraine conglomerate may be divided into such four stages as instantaneous deformation stage, deceleration creep or attenuation creep stage, constant velocity creep stage and accelerated creep stage.

moraine conglomerate; mechanical test; mechanical characteristic; deformation characteristic

P642

A

1006-0995（2022）02-0335-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.030

2021-08-19

達(dá)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（19YYJC0006）

張洪（1989— ），男，四川達(dá)州人，工程師，研究方向：巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害防治