云母石英片巖強度的各向異性特征研究

王　哲,馬淑芝，席人雙,賈洪彪

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

云母石英片巖作為區域接觸變質巖中的淺-中變質巖類，具有片理構造特征，中-微風化巖塊的單軸極限抗壓強度高，其強度介于片理極為發育的云母片巖、千枚巖和塊狀硬質巖體之間，巖體及巖塊力學性質具有各向異性特征[1-4]。同時，云母石英片巖具有明顯的差異風化特征，隨著其風化程度的加深，巖石強度弱化明顯，其各向異性特征也隨之發生變化。云母石英片巖邊坡坍滑災害時有發生，因此對其強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象，結合礦物組成分析、微觀結構分析、單軸抗壓強度測試、點荷載試驗以及數值模擬分析，研究了不同風化程度的云母石英片巖在結構和強度上的各向異性特征，并分析了云母石英片巖強度的變化規律。

1　云母石英片巖的礦物組成和微觀結構分析

1. 1　云母石英片巖的礦物組成分析

巖石宏觀力學性質往往與其礦物組成及微觀結構特征密不可分，許多學者對其進行了相關的研究工作[10-12]。

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

表1　巖石樣品的巖礦鑒定結果匯總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，統一稱為云母石英片巖。

1. 2　云母石英片巖的微觀結構分析

圖1為云母石英片巖在偏反光顯微鏡下的微觀結構照片。

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

由圖1可見，巖石普遍呈細粒鱗片粒狀變晶結構，顯微片狀構造，云母定向排列明顯。

圖2為云母石英片巖在不同放大倍數的掃描電子顯微鏡下的微觀結構照片。

圖2　不同放大倍數下云母石英片巖的微觀結構Fig.2　　　　Microstructure of mica quartz schist under different magnification

圖2中灰色區域為云母，呈細小片狀、鱗片狀，部分不連續，呈定向分布，其礦物組構存在明顯的優勢定向排列，這是其自身片狀構造的微觀體現;深灰色區域為石英，顆粒結構緊密，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力和溫度的聯合作用或重結晶作用形成。

從云母石英片巖的微觀結構來看，其組成的礦物定向排列強烈，從而導致其微觀結構的各向異性明顯，而云母石英片巖這種在微觀結構上的各向異性特征同時也反映在巖石的物理力學性質上。

2　未風化云母石英片巖強度的各向異性特征

為了分析云母石英片巖強度的各向異性特征，本研究針對新鮮(未風化)云母石英片巖開展了單軸試驗、三軸試驗的強度測試分析。試驗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，長軸方向與片理面垂直；4#、10#試樣長軸方向與片理面平行；11#、12#試樣長軸方向與片理面夾角為45°；8#試樣長軸與片理面夾角為60°；9#試樣長軸與片理面夾角為30°。

2. 1　未風化云母石英片巖的單軸抗壓強度

表2為未風化云母石英片巖在干燥狀態和飽水狀態下單軸抗壓強度的測試結果。

由表2可見，未風化云母石英片巖無論是在干燥狀態下還是飽水狀態下，其垂直片理和平行片理方向加壓得到的單軸抗壓強度差異不大，基本上在10%以內；而與片理斜交加壓得到的巖石單軸抗壓強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化云母石英片巖的抗壓強度相對較低；而垂直片理和平行片理加壓的未風化云母石英片巖的抗壓強度相對較高。

表2　巖樣單軸試驗結果統計表Table 2　Results of rock uniaxial compression tests

注：巖樣編號為野外采樣的統一編號。

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

2. 2　未風化云母石英片巖的剪切強度

圖3為1#、10#兩組巖樣三軸試驗所獲得的應力莫爾圓和強度包絡線,表3為各組巖樣根據三軸試驗得到的抗剪強度參數。

圖3　未風化云母石英片巖強度包絡線Fig.3　　　　Strength enveloping line of unweathered mica quartz schist表3　未風化云母石英片巖的抗剪強度參數Table 3　　　　Shear strength parameters of unweathered mica quartz schist

巖樣編號含水狀態黏聚力c/MPa內摩擦角?/(°)1#干燥狀態16.4555.287#干燥狀態15.9858.008#干燥狀態6.2349.809#干燥狀態9.0552.8010#干燥狀態16.3553.13

由圖3和表3可見，巖樣總體上以剪切破壞為主。對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關，是新形成的破裂面；對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#巖樣強度結果總體上是代表未風化巖塊的強度值，8#、9#巖樣強度結果總體上是代表未風化巖塊中片理面的強度值。

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

3　風化云母石英片巖強度的各向異性特征

云母石英片巖抗風化能力弱，易于風化，多數情況下難以加工成標準尺寸樣件供室內試驗之用，為此可以在現場對不同風化程度的云母石英片巖進行點荷載試驗，對其點荷載強度進行測試。試驗按加載方向與片理面夾角分別為0°(平行)、45°(斜交)、90°(垂直)三種情況進行，其試驗結果見表4。

由表4可見，點荷載強度實測值IS與標準點荷載強度值IS(50)有一定的差異，尤其是巖石風化程度越低差異越大，未風化和微風化巖石一般測試值偏大，強風化巖石一般測試值偏小，這主要與測試過程中巖樣選擇的尺寸大小有關。對于未風化和微風化的巖樣，由于其強度高，點荷載試驗時為了能夠使巖樣破壞，只能選擇尺寸相對小的試樣，一般其尺寸遠小于50 mm，使得測試結果偏大；而對于中等風化和強風化的巖樣，由于其強度低，容易破裂，為了能夠提高壓力讀數精準度，在點荷載試驗時往往選擇的試樣尺寸較大，多數尺寸大于50 mm，使得測試結果偏小。這也證明了巖石強度具有“尺寸效應”特征——巖石尺寸越大，測試得到的強度越低。

表4　不同風化程度的云母石英片巖點荷載試驗結果Table 4　　　　Results of point load test for micaquartz schist under different weathering degree

圖4為不同風化程度的云母石英片巖在各加載方向上點荷載強度的對比。

圖4　　　　不同風化程度的云母石英片巖在各加載方向上的 點荷載強度對比圖Fig.4　　　　Comparison of point loading strength of mica quartz schist in different loading directions

由圖4可見，云母石英片巖的點荷載強度具有明顯的各向異性，但不同風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度的各向異性程度與其風化程度有關。

本文定義不同方向(用與片理方向的關系表述)云母石英片巖點荷載強度實測值IS與標準點荷載強度值IS(50)的比值為各向異性系數，由點荷載試驗結果(見表4)，可以得到不同風化程度的云母石英片巖的各向異性系數,見表5。

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

由表5可見，根據不同風化程度的云母石英片巖的平均各向異性系數可知，各向異性最明顯的是微風化巖石(1.88)，其次是中等風化巖石(1.79)，再次是未風化巖石(1.67)，最后是強風化巖石(1.26)。分析原因認為：微風化巖石強度的各向異性最為明顯，這與從微風化開始巖體內部分片理面已經開始裂解成宏觀結構面有關；中等風化巖石更強烈，但巖塊本身強度經風化在弱化，其各向異性反而沒微風化巖石明顯；至于強風化巖石，由于巖塊強度弱化更嚴重，反而是片理面的影響淡化了，各向異性反而不明顯；對于未風化巖石，巖塊本身強度很高，而片理面結合十分緊密，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度，其使巖石各向異性的作用不太顯著，雖然整體上也導致一定的各向異性，但反而沒有微風化和中等風化的巖石強烈。

4　云母石英片巖強度各向異性特征的數值模擬分析

為了進一步分析云母石英片巖強度的各向異性特征，特別是片理對于云母石英片巖強度的影響，本文采用3DEC離散元軟件對云母石英片巖強度的各向異性特征進行了數值模擬分析。模型采用1.0 m×1.0 m×1.5 m的長方體塊體，巖塊采用Mohr-Coulomb模型，片理采用接觸庫侖滑移模型，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立監測點，繪制出云母石英片巖垂向上的應力-應變曲線，從而獲得其抗壓強度。此外，建立傾角為0°、15°、30°、45°、60°、65°、75°、90°的片理面模型，同時也對無片理面云母石英片巖進行了模擬，以便分析對比。

圖5為片理面傾角為30°和75°的未風化云母石英片巖的應力-應變曲線，表6為不同片理面傾角的未風化云母石英片巖的單軸抗壓強度。

圖5　　　　片理面傾角為30°和75°的未風化云母石英片巖的 應力-應變曲線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中數據，以片理面傾角為橫軸、巖石的抗壓強度為縱軸，繪制散點圖，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，不論何種風化程度，云母石英片巖的抗壓強度均隨著片理面傾角的變化而變化。當片理面傾角較小時，云母石英片巖的抗壓強度較高，垂直片理面加載時巖石的抗壓強度達到最大值，十分接近不考慮片理影響的巖石的抗壓強度；隨著片理面傾角的增加，巖石的抗壓強度呈現出先減小后增大的趨勢，當片理面傾角增加到一定值后，巖石的抗壓強度又接近于最大值，此時也十分接近不考慮片理影響的巖石的抗壓強度。因此，總體上看，該曲線呈現出“U”字形的變化趨勢，且左側的曲線斜率比右側小，反映了不同片理面傾角的變化范圍對云母石英片巖的抗壓強度的影響不同。

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

根據耶格(Jaeger，1960)的單結構面理論[13]，當片理面傾角β=45°+φj/2時，巖石抗壓強度取最小值，且其最小值可以由下式計算：

(1)

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

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

5　結　論

(1) 云母石英片巖的礦物組成以石英和云母為主，是在漫長地質歷史中經歷多種地質作用而成，普遍呈細粒鱗片粒狀變晶結構，顯微片狀構造，云母定向排列尤為明顯。

(2) 從云母石英片巖的微觀結構來看，其組成的礦物定向排列強烈，使巖石具有明顯的片狀構造，而這種在微觀結構上的各向異性特征同時反映在巖石物理力學性質上，成為巖石強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度和剪切強度均表現出一定的各向異性，尤其是抗剪強度更為明顯，反映出片理面對于其剪切破壞的控制作用更為強烈。

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

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