楊家嶺頁巖微宏觀下物理力學特征研究

黃界海, 李小龍, 胡國慶, 張文媛, 鄭劉根, 趙 田, 姜春露

(1.安徽大學資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230601;2.安徽省礦山生態修復實驗室, 安徽 合肥 230601;3.無為華塑礦業有限公司, 安徽 無為 238300)

1 前言

由于巖體在漫長且復雜的地質作用下,天然的形成了不同尺度下的裂隙,如巖層的斷層、宏觀下的節理裂隙、細觀下的孔裂隙和裂紋、微觀下的分子或者原子之間的離散。

這些不同尺度下的裂隙之間的相互作用對巖石的物理力學強度和變形破壞方式有著重要的影響,且微觀結構的變化直接體現在宏觀物理力學強度上。因此開展巖石在不同尺度下的力學特征研究,有利于定性、定量分析出微細觀與宏觀之間的關系,為工程實踐提供依據。

大量的研究表明,巖石微觀結構是影響宏觀破壞的重要因素之一,同時也是巖土工程上主要研究的課題之一。目前對于巖石宏觀破壞機理研究,普遍采用從微觀角度出發,利用掃描電鏡、CT掃描、原子力顯微鏡、X射線粉晶衍射、巖石壓縮變形力學試驗機等研究。李冰洋等[1]通過礦物物相分析、SEM電鏡掃描等對隧道頁巖力學強度研究,認為巖石微觀結構的變化能夠影響到巖石宏觀力學特征;時賢等[2]利用CT掃描、掃描電鏡、X射線粉晶衍射技術、劃痕和單軸實驗,發現裂縫發育的頁巖存在不同力學響應模式,同時隨著圍壓的增大,其力學參數也不斷增大;左羅等[3]通過對頁巖巖體礦物組分、CT掃描和三軸試驗,發現剪切和拉伸復合破壞為該研究區深層頁巖的主要破壞模式;解經宇等[4]利用掃描、原子力顯微鏡和巖石壓縮試驗機等,發現頁巖非均質性會影響力學性質,且微觀孔隙結構發育程度會影響巖石單軸力學強度。

由于學者多集中于對油田、隧道和深層處頁巖微宏觀力學特征研究,對露天礦區頁巖研究較少,本文以楊家嶺礦區北坡滑坡體頁巖為研究對象,通過室內試驗探究出邊坡巖石力學特征,研究主要從微宏觀出發,包括巖石組成成分、微觀結構,單軸和三軸壓縮變形試驗,其結果可為礦區邊坡穩定性提供理論依據。

楊家嶺礦區北坡位于無為縣石澗鎮潘家大山北麓,屬于逆向坡,巖層厚度屬中薄層,在150 m平臺可見巖石破碎程度高,整個10 m左右的巖層表現出水平方向的波狀起伏的現象,巖層受到剪切作用明顯,發生巖石脫落的現象較多,巖體結構松散。

研究區巖性為二疊系孤峰組的頁巖,其顏色為灰黑、深黑色且夾少量薄層,分布于采礦場中部,厚54 m,現場情況如圖1所示。與棲霞組呈假整合接觸關系。其節理較為發育,且無明顯層理結構。

圖1 北坡頁巖波狀巖層

2 頁巖物理力學特征研究方法

2.1 XRD物相分析

將采集的北坡頁巖巖樣粉碎,篩至200目,利用X射線衍射粉晶衍射對巖石樣品中物相進行鑒別,得出頁巖所含礦物成分的含量占比。

2.2 掃描電鏡試驗

將不同破壞狀態下的頁巖沿著平行斷口面切割成小塊樣品,制成規格大小為0.6 mm×0.6 mm×0.2 mm ,并將試樣用導電膠黏于樣品臺進行真空鍍膜[5],利用Regulus-8230超高分辨掃描電子顯微鏡對頁巖進行微觀結構觀察。

2.3 不同加載速率單軸壓縮試驗

所選的巖樣制成標準的圓柱體試樣,其大小尺寸規格50 mm×100 mm,直徑和高度誤差范圍為±1 mm。將所制的巖石樣品在MTS816型電液伺服控制試驗機上進行力學性能測試,試驗采用位移控制法,連續加載直至巖樣破壞,且選用3種不同加載速率進行巖樣壓縮試驗,分別為0.005、0.03、0.3 mm/min,為了降低試驗數據的誤差,每組進行3個試樣試驗,取平均值。

2.4 三軸壓縮變形試驗

試樣標準和實驗設備同上,圍壓按等差梯度級0、2、4、6、8 MPa進行設取,當圍壓達到至預定值的同時,軸向以0.03 mm/min加載速率進行加載,直至試樣達到破壞。

3 巖石力學特征研究結果及分析

3.1 巖石物相分析

通過XRD對巖石物相分析,頁巖主要礦物含量見表1。由表1試驗結果可知,北坡頁巖組成成分主要是碎屑礦物和黏土礦物,碎屑礦物主要是石英,含量平均約為47.15%,其次為白云母、鈉長石和白云石;黏土礦物主要是伊利石,含量平均約為18.85%,其次含有少量的綠泥石和高嶺石。從該研究區頁巖成分中看,其黏土礦物中伊利石、綠泥石和高嶺石,具有一定的吸水性,水在浸入巖石后,巖屑與黏土礦物組成的膠結物在浸水后易溶解流失,巖石結構變得松散,使得巖石在破壞過程中的裂隙壓密、內部摩擦滑動將會變少[6],會弱化宏觀上巖石物理力學強度。 頁巖礦物成分鑒定結果如圖2所示。

表1 頁巖主要礦物含量 %

圖2 頁巖礦物成分鑒定結果圖

3.2 掃描電鏡試驗

圖3所示為放大5 000倍頁巖微觀展布。由圖3可知,將頁巖放大5 000倍,可以看出各礦物之間的分布具有較大的非均質性,此性質使得研究區頁巖表現出各向異性。伊利石成塊狀分布在巖石內部,粒狀的石英顆粒多數附著在片狀的云母上,兩者相互依存。云母的排列較為緊密,其表面夾雜著若干個礦物顆粒。

圖3 放大5 000倍頁巖微觀展布

圖4所示為放大5 000倍頁巖裂紋和裂隙分布。由圖4可知,頁巖在掃描電鏡下的微觀結構呈現出片狀結構,且各礦物之間排列較為緊密,微觀結構表面分布著不同粒徑的碎屑顆粒物。片狀云母之間存在微裂紋和孔洞,孔洞直徑約為0.61～4.01 μm,裂紋長度約為1.09～2.95 μm,這些微裂紋和孔洞的存在,削弱了頁巖內部的連接力,這可能導致巖石的抗壓強度降低和變形的增大。

圖4 放大5 000倍頁巖裂紋和裂隙分布

3.3 不同加載速率單軸壓縮試驗

通過實驗,研究區頁巖密度為2.69 g/cm3,不同加載速率頁巖單軸測試強度結果見表2。由表2試驗結果可知,不同加載速率下各組頁巖巖石試樣平均抗壓強度為10.12～48.58 MPa,平均彈性模量為6.06～16.83 GPa。

表2 不同加載速率頁巖單軸測試強度結果

圖5所示為不同加載速率下部分軸向應力與應變曲線圖,從圖中可以看出,不同加載速率下曲線為典型的塑-彈-塑性變化曲線,各組抗壓試驗共經歷了四個階段,分別為孔隙壓密、彈性變形、屈服、破壞階段。隨著加載率的增加,頁巖峰值應變逐漸變小,巖石加載速率越小時,曲線越平緩,使得曲線斜率越小,即巖石彈性模量越小,反之則越大。加載速率在0.03和0.3 mm/min時試樣的屈服階段無明顯出現。

圖5 不同加載速率下單軸應力-應變曲線

圖6 抗壓強度、彈性模量與加載速率關系曲線

不同加載速率下巖石破壞后照片如圖7所示。由圖7可知,巖石破壞程度隨著加載速率增大而增大,在0.005 mm/min下頁巖破壞裂紋局部發展;0.03 mm/min下出現較明顯的裂紋,但未貫通整個巖石,結合實際情況,該速率更具有代表性;0.3 mm/min下出現貫通整個巖石裂紋破壞。各組加載率下頁巖出現較多近乎垂直的不規則裂紋,破壞形式為脆性張拉破壞。

圖7 不同加載速率下巖石破壞后照片

3.4 三軸壓縮變形試驗

巖石在三向應力條件下,其材料物理力學強度會同時受到來自軸向和橫向圍壓的影響[9-10]。本試驗采用不同圍壓下,分析巖石隨圍壓變化,其強度變化特征。然狀態下頁巖三軸應力-應變曲線如圖8所示。由圖8天然狀態下頁巖三軸試驗變化曲線可知,不同圍壓下,頁巖塑性屈服階段未明顯發生,其在峰值后發生脆性破壞。

圖8 天然狀態下頁巖三軸應力-應變曲線圖

為了更好的對比不同含水狀態下頁巖的巖石力學特征,根據工程巖體試驗方法標準,本試驗結果見表3。結果表明,隨著圍壓的增大,頁巖的峰值抗壓強度也隨之增大,天然狀態下抗壓強度變化范圍為30.92～75.44 MPa,飽和狀態下抗壓強度變化范圍為23.10～63.89 MPa,平均下降15.31%～25.29%,天然狀態下頁巖平均黏聚力為5.31 MPa,飽水為4.43 MPa,下降了16.57%左右,天然狀態下平均內摩擦角為44.75,飽水平均為41.79。

表3 頁巖三軸試驗結果

根據莫爾-庫倫強度理論計算出巖石的黏聚力和內摩擦角,頁巖天然狀態下平均為5.31 MPa、44.75°。

根據公式:

(1)

式中:α為剪切破壞面與最小主應力的傾角;φ為內摩擦角。

因此,頁巖的破壞傾角約為67.38°。

通過三軸實驗結果,結合頁巖微觀特征可知,巖石內部存在原生裂隙與裂縫,水在浸入后,巖屑與粘土礦物組成的膠結物在浸水后易溶解流失,巖石結構變得松散,使得巖石在破壞過程中的裂隙壓密、內部摩擦滑動將會變少[11-12],會弱化宏觀上巖石的物理力學強度。飽水狀態時,巖石內部黏聚力、剪切模量等有著較明顯的損傷弱化效果[13-14]。巖石發生脆性破壞,但由于隨著圍壓的介入,使的巖石微裂縫閉合,抑制了其橫向變形,增強了巖石的強度。

3.5 頁巖破壞變形分析

通過引入峰值、損傷和起裂的應力與應變,分析出天然狀態下頁巖力學強度和變形參數隨著圍壓變化情況。頁巖三軸力學參數如圖9所示,圖中σa和εa為主應力峰值和對應的應變值;圖中σb和εb為損傷應力和對應的應變值;圖中εi為εc與標準線的差值;圖中δc為巖石裂紋起裂臨界應力;圖中εc為相對壓縮應變值[15],以此表示巖石起裂臨界應變值,其公式為

圖9 頁巖三軸力學參數示意圖

(2)

頁巖天然狀態下試驗結果見表。由表4可知,頁巖的峰值應力、裂紋損傷臨界應力、起裂臨界應力和泊松比隨著圍壓的增大而增大。根據公式,可計算出巖石的峰值強度(σTP)、損傷強度(σTb)和起裂強度(σTd),其公式為

表4 頁巖天然狀態下試驗結果

σTP=σa+σ3

σTb=σb+σ3

σTd=σd+σ3

(3)

頁巖強度變化擬合曲線如圖10所示,由圖可知,隨著圍壓的增大,三者強度也隨之增大,通過線性擬合的斜率,峰值強度為5.11、損傷強度為6.34、起裂強度為4.35,其擬合程度分別為0.93、0.99、0.98。由此可以得出頁巖的損傷強度受圍壓的變化最為明顯,同時也反映出三者對圍壓的敏感程度,依次為損傷強度>峰值強度>起裂強度。隨著巖石壓力和體積壓縮變形不斷地增大,頁巖的裂紋損傷強度對圍壓最為敏感,在試驗表現出,“砰的一聲”但由于峰值強度對圍壓表現較為敏感,伴隨著軸向壓力不斷地增大,頁巖峰值強度也趨于不斷增大,直至試樣破壞。

圖10 頁巖強度變化擬合曲線圖

頁巖應變變化曲線如圖11所示,由圖11可知,隨著圍壓的增大,巖石損傷和起裂應變,先增大、其次減小后增大;峰值應變則是先減小后增大。從曲線變化幅度可以看出,損傷和起裂應變對圍壓的敏感程度遠小于峰值應變。造成損傷強度和和峰值應變受圍壓影響大的主要原因是巖石內部存在較多微裂隙和孔洞。

圖11 頁巖應變變化曲線圖

4 結論

通過對頁巖礦物組成成分、微觀結構、單軸和三軸壓縮變形試驗,探討了微宏觀下巖石物理力學特征,所得結論如下:

(1)頁巖主要由碎屑礦物石英和黏土礦物伊利石、少量綠泥石和高嶺石組成,具有一定的吸水性;在微觀結構下,各組分礦物排列具有一定方向性,整體呈片狀結構,并含有直徑約為0.61～4.01 μm 的原生孔洞,長度約為1.09～2.95 μm 的裂紋,其礦物組分和微觀缺陷可能導致巖石的抗壓強度降低和變形增大。

(2)單軸壓縮試驗下,軸向加載速率在0.03 mm/min下更符合實際情況;頁巖抗壓強度、彈性模量與加載速率呈指數函數關系,其擬合關系式可為頁巖本構模型研究提供一定的參考;巖石破壞程度隨著加載速率增大而增大,其破壞形式為脆性張拉破壞。

(3)三軸壓縮試驗下,頁巖抗壓強度隨著圍壓的增大而增大,平均黏聚力和內摩擦角為5.31 MPa、44.75°,飽水狀態下頁巖抗壓強度平均下降了15.31%～20.40%、黏聚力下降了16.57%左右,其破壞傾角為67.38°,巖石發生脆性剪切破壞。

(4)在強度變化下,頁巖損傷強度受圍壓影響最為明顯,其敏感程度依次為損傷強度>峰值強度>起裂強度;在應變變化下,頁巖峰值應變受圍壓影響最為明顯;造成兩者的主要原因是巖石內部存在的微裂隙和孔洞。