武当群片岩变形参数各向异性特征及机制研究_

2.2
试验条件与方法 单轴压缩试验采用 INSTRON-1346 型电液伺
同时， 不同片理面倾角的试样， 其应力-应变关 系曲线特征也存在明显的差异性。在孔隙裂隙压密 阶段、弹性变形至微破裂稳定发展阶段和非稳定破
服岩石试验系统来完成。试验时按 1 MPa/s 的加荷
第5期
王章琼等：武当群片岩变形参数各向异性特征及机制研究
1 引
言
异性特征及其机制十分必要。 片岩属典型的层状岩体，其变形有着明显的各 向异性，这对工程岩体的稳定性会产生特殊的影 响[1
－4]
鄂西北地区为国内典型的变质岩发育区，以武 当群片岩为主，区域地质构造较为复杂，片理面极 其发育。十房高速公路通省隧道以深埋长大成为该 地区片岩公路隧道的控制性工程。隧道建设期间遇 到大变形、纵向裂缝、钢拱架被剪断等问题，严重 阻碍了隧道的正常建设。因此，研究片岩强度各向
通过室内单轴压缩和间接拉伸
试验，研究了武当群绿泥石片岩各向异性的力学特 性。国外学者也对层状岩体的变形、强度特征及其 机制开展了大量研究
[11－14]
。
综上所述， 目前对片岩各向异性特征研究较多， 但对各向异性机制研究较少，且已有研究多通过试 样在室内试验后的变形破坏特征或数值模拟的方法 进行分析。上述研究仅从整体、宏观的角度研究层 状岩体力学特性和分析各向异性机制，从微观角度 进行的研究较少。 本文通过对十房高速通省隧道片岩不同片理面 倾角的室内单轴压缩试验，对比分析片岩变形参数 的各向异性特征；在此基础上，通过试样宏观破坏 现象、试验前后片岩微观结构电镜扫描以及数值模 拟切片功能查看试样内部变形情况等 3 个层面和角 度的分析，探讨片岩变形参数各向异性的机制。
(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Hubei Provincial Construction Headquarters of Shiyan-Fangxian Expressway, Shiyan, Hubei 442000, China)
Abstract: The common character of schist is transversely isotropic due to the existence of regular bedding planes, which means that the failure mechanism and deformation characteristics of such rocks have the obvious difference with common rocks. In view of this point, uniaxial compressive test on samples of Wudang group schist, Tongsheng tunnel, Shiyan-Fangxian expressway, that with schistosity inclination of 0° , 45°and 90°respectively is carried out. The results show that: deformation parameters and failure mode of schist show obvious anisotropic characteristics. In the order of descending values of the modulus of elasticity, schistosity inclination of the samples are 90° , 0° , 45° respectively, in the order of descending values of the Poisson ratio, schistosity inclination of the samples are 45° , 0° , 90°respectively. The main failure mode is press off perpendicular to the spatial orientation of schistosity, shear and split off when schistosity inclination is 0° , 45° and 90°respectively according to schistosity inclination. Based on above, the mechanism of deformation and failure characteristics of schist is analyzed, via electron microscope scanning and FLAC3D numerical experiment, it is considered that, the main reason is the different relationships between spatial orientation of schistosity and axial force direction, which caused obvious differences of contribution that of schistosity surface to schist deformation. Key words: schist; uniaxial compressive test; anisotropy; failure mechanism; electron microscope scanning
3 片岩变形参数各向异性机制分析
3.1 变形参数分析 由单轴抗压试验得到的弹性模量和泊松比等参 数见表 1，其中，E1、E2、E3 分别表示片理面倾角 为 0° 、45° 、90° 时试样的弹性模量，ν1、ν2 、ν3 分别表示片理面倾角为 0° 、45° 、90° 时试样的泊 松比。由表可知，片岩变形参数具有明显的各向异 性特征。按照弹性模量 E 由大到小的顺序，试样的 片理面倾角依次为：90° 、0° 、45° ，其比值 E1: E2: E3=1.20:1.00:1.75；按照泊松比 v 由大到小的顺序， 试样的片理面倾角依次为：45° 、0° 、90° ，其比值 ν1:ν2:ν3= 0.91:1.00:0.73。
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裂发展阶段，曲线趋势基本相同，但片理面倾角为 0° 和 90° 的试样应变量明显大于片理面倾角为 45° 时，主要原因是，片理面倾角为 45° 时，单轴抗压 强度主要由片理面控制，试样在较小的轴向力作用 下即发生破坏。在峰值后阶段，曲线的差异性更为 明显。片理面倾角为 0° 时，曲线出现多级震荡，但 整体趋势较陡，表明其达到抗压强度峰值后仍具有 一定的承载力；片理面倾角为 45° 时，峰值后应力 急剧降低或出现小幅度震荡，曲线较陡；片理面倾 角为 90° 时，峰值后曲线出现“台阶” ，直至应变增 量达到 0.001 左右才开始跌落，其破坏表现出明显 的延性特征。 不同片理面倾角的试样， 应力-应变曲 线峰值后变化趋势不同，这主要与各自的破坏机制 有关，将在随后的机制分析中作详细论述。
1～4 为试样编号
(a) 片理面倾角为 0°
2 片岩变形参数特性试验研究
2.1 试样制备 按不同片理面倾角加工试样，加工后的试样为 标准圆柱样，岩样尺寸为 50 mm× 100 mm。考虑到 片岩特殊的片理特性控制着结构面的形态，为了能 更好地反映隧道实际开挖过程中岩体的变形破坏情 况，试样按照图 1 所示片理面与试验时加载方向的 相对关系进行加工。图中试样 a、b、c 片理面倾角 分别为 0° 、45° 、90° 。
。 王宏图等[5]对层状复合煤岩在三轴不等压应
力状态下的变形特性和强度特性进行了较为系统的 试验研究；刘卡丁等[6]提出了层状岩体抗剪强度参 数的经验表达式，并通过解析法分析了层面与外荷 载相对方位对剪切破坏面方位的影响；张玉军等[7
－8]
收稿日期：2013-06-16 基金项目：交通运输行业联合科技攻关项目（No. 2010-353-342-260） 。 第一作者简介：王章琼，男，1984 年生，博士研究生，主要从事岩土力学与滑坡地质灾害方面的研究。E-mail：wzqcug@
1～4 为试样编号 (b) 片理面倾角为 45° 1～4 为试样编号
(a) 试样Biblioteka a(b) 试样 b(c) 试样 c
(c) 片理面倾角为 90°
Fig.1
图 1 不同片理面倾角的试样 Samples of different schistosity inclinations
Fig.2
图 2 试样全应力-应变曲线 Complete stress-strain curves of specimens
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岩
土
力
学
2014 年
针对层状岩体抗剪强度具有方向性这一特点，提出 了层状岩体在不同方向上抗剪强度的表达式；高春 玉等 通过室内单轴和三轴试验，研究了某隧道围 岩中细微层理对岩石变形特性、强度特性及其参数 的影响，结果表明，砂板岩力学特性的各向异性特 征显著；刘胜利等
[10] [9]
速率加载围压， 轴向加载速率为 0.01 mm/s， 直至试 样完全破坏。 2.3 应力-应变曲线 由图 2 可知，片理面倾角为 90° 时，单轴极限 抗压强度和变形模量均较大；片理面倾角为 0° 时， 单轴极限抗压强度和变形模量略小于片理面倾角为 90° 时； 片理面倾角为 45° 时， 单轴极限抗压强度和 变形模量均较小。不同片理面倾角的片岩，其单轴 极限抗压强度和变形模量表现出明显的各向异性特 征。
摘
要：片岩因受片理面影响，其变形行为和破坏机制与一般岩体存在明显差异。为此，采用室内单轴压缩试验，研究了十
堰－房县高速通省隧道武当群片岩在片理面倾角分别为 0° 、45° 、90° 时的变形参数各向异性特征及破坏机制。结果表明： 片岩变形参数及破坏模式具有显著的各向异性特征。按照弹性模量 E 由大到小的顺序，试样的片理面倾角依次为：90° 、0° 、 45° ；按照泊松比 v 由大到小的顺序，试样的片理面倾角依次为：45° 、0° 、90° 。片理面倾角为 0° 时试样以垂直片理面方 向的压断破坏为主，45° 时试样以沿片理面方向的纯剪切破坏为主，90° 时以劈裂破坏为主。在此基础上，通过电镜扫描、 FLAC3D 数值试验结果等，分析了片岩变形破坏各向异性的机制，认为主要原因是片理面空间方位与轴向力方向不同的组合， 导致软弱结构面——片理面对片岩变形的贡献差异明显。 关 键 词：片岩；单轴压缩试验；各向异性；破坏机制；电镜扫描 文献标识码：A 中图分类号：TU 452