云母石英片岩强度的各向异性特征研究

王　哲,马淑芝，席人双,贾洪彪

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

云母石英片岩作为区域接触变质岩中的浅-中变质岩类，具有片理构造特征，中-微风化岩块的单轴极限抗压强度高，其强度介于片理极为发育的云母片岩、千枚岩和块状硬质岩体之间，岩体及岩块力学性质具有各向异性特征[1-4]。同时，云母石英片岩具有明显的差异风化特征，随着其风化程度的加深，岩石强度弱化明显，其各向异性特征也随之发生变化。云母石英片岩边坡坍滑灾害时有发生，因此对其强度各向异性特征的研究非常重要。

借鉴前人的研究方法[5-9]，本文以厦沙高速公路边坡云母石英片岩为研究对象，结合矿物组成分析、微观结构分析、单轴抗压强度测试、点荷载试验以及数值模拟分析，研究了不同风化程度的云母石英片岩在结构和强度上的各向异性特征，并分析了云母石英片岩强度的变化规律。

1　云母石英片岩的矿物组成和微观结构分析

1. 1　云母石英片岩的矿物组成分析

岩石宏观力学性质往往与其矿物组成及微观结构特征密不可分，许多学者对其进行了相关的研究工作[10-12]。

厦沙高速公路尤溪境内的高边坡基岩主要为前震旦系龙北溪组(AnZ)的中-浅变质岩，本研究选取该路段典型具有代表性的6块新鲜(未风化)岩石样品进行了镜下岩矿鉴定，其鉴定结果见表1。

表1　岩石样品的岩矿鉴定结果汇总Table 1　　　　Results of rock-mineral appraisal of the schist samples

由表1可见，岩石以含云母石英片岩、云母石英片岩为主，石英含量为75%～85%，云母含量为8%～15%，另外还含有少量长石、绿泥石、绿帘石、磁铁矿、褐铁矿、黄铁矿，论文中为了便于描述，统一称为云母石英片岩。

1. 2　云母石英片岩的微观结构分析

图1为云母石英片岩在偏反光显微镜下的微观结构照片。

图1　云母石英片岩在偏反光显微镜下的微观结构Fig.1　　　　Micrographs of mica quartz schist under the partial reflective microscope

由图1可见，岩石普遍呈细粒鳞片粒状变晶结构，显微片状构造，云母定向排列明显。

图2为云母石英片岩在不同放大倍数的扫描电子显微镜下的微观结构照片。

图2　不同放大倍数下云母石英片岩的微观结构Fig.2　　　　Microstructure of mica quartz schist under different magnification

图2中灰色区域为云母，呈细小片状、鳞片状，部分不连续，呈定向分布，其矿物组构存在明显的优势定向排列，这是其自身片状构造的微观体现;深灰色区域为石英，颗粒结构紧密，部分石英矿物和变余燧石砂夹杂，大体沿云母条带方向延伸。这种定向排列一般均是由应力和温度的联合作用或重结晶作用形成。

从云母石英片岩的微观结构来看，其组成的矿物定向排列强烈，从而导致其微观结构的各向异性明显，而云母石英片岩这种在微观结构上的各向异性特征同时也反映在岩石的物理力学性质上。

2　未风化云母石英片岩强度的各向异性特征

为了分析云母石英片岩强度的各向异性特征，本研究针对新鲜(未风化)云母石英片岩开展了单轴试验、三轴试验的强度测试分析。试验中所采用的云母石英片岩试样为圆柱形，高度为10 cm，直径为5 cm。其中，1#、7#试样，长轴方向与片理面垂直；4#、10#试样长轴方向与片理面平行；11#、12#试样长轴方向与片理面夹角为45°；8#试样长轴与片理面夹角为60°；9#试样长轴与片理面夹角为30°。

2. 1　未风化云母石英片岩的单轴抗压强度

表2为未风化云母石英片岩在干燥状态和饱水状态下单轴抗压强度的测试结果。

由表2可见，未风化云母石英片岩无论是在干燥状态下还是饱水状态下，其垂直片理和平行片理方向加压得到的单轴抗压强度差异不大，基本上在10%以内；而与片理斜交加压得到的岩石单轴抗压强度与其他两种情况相比，要低很多，在30%以上。总之，与片理斜交加压的未风化云母石英片岩的抗压强度相对较低；而垂直片理和平行片理加压的未风化云母石英片岩的抗压强度相对较高。

表2　岩样单轴试验结果统计表Table 2　Results of rock uniaxial compression tests

注：岩样编号为野外采样的统一编号。

此外，岩样破坏多为沿加载方向上的拉张破坏，反映了未风化云母石英片岩的脆性特征明显；斜交片理加载的情况，岩样多数为张拉破坏，少量出现沿片理面的剪切破坏。

2. 2　未风化云母石英片岩的剪切强度

图3为1#、10#两组岩样三轴试验所获得的应力莫尔圆和强度包络线,表3为各组岩样根据三轴试验得到的抗剪强度参数。

图3　未风化云母石英片岩强度包络线Fig.3　　　　Strength enveloping line of unweathered mica quartz schist表3　未风化云母石英片岩的抗剪强度参数Table 3　　　　Shear strength parameters of unweathered mica quartz schist

岩样编号含水状态黏聚力c/MPa内摩擦角ϕ/(°)1#干燥状态16.4555.287#干燥状态15.9858.008#干燥状态6.2349.809#干燥状态9.0552.8010#干燥状态16.3553.13

由图3和表3可见，岩样总体上以剪切破坏为主。对于垂直片理和平行片理加荷的岩样，其破裂面基本上与轴压加压方向呈15°～20°的夹角，与45°-φ/2一致，该破裂面与原有片理面无关，是新形成的破裂面；对于轴压与片理面斜交的岩样，8#试样破裂面与轴压的夹角近60°，9#岩样破裂面与轴压的夹角近30°，均与片理面与轴压的夹角一致，总体上沿原有片理面剪切破坏。因此，1#、7#和10#岩样强度结果总体上是代表未风化岩块的强度值，8#、9#岩样强度结果总体上是代表未风化岩块中片理面的强度值。

通过统计1#、7#和10#岩样的抗剪强度参数值，得到未风化云母石英片岩的抗剪断强度参数平均值为：c=16.3 MPa，φ=55.5°；统计8#、9#岩样的抗剪强度参数值，得到未风化云母石英片岩中沿片理面剪切的抗剪强度参数平均值为：c=7.6 MPa，φ=51.3°。由此也说明，未风化云母石英片岩的抗剪强度各向异性明显，顺片理面剪切强度低，横交片理面剪切强度大，且差异明显。

3　风化云母石英片岩强度的各向异性特征

云母石英片岩抗风化能力弱，易于风化，多数情况下难以加工成标准尺寸样件供室内试验之用，为此可以在现场对不同风化程度的云母石英片岩进行点荷载试验，对其点荷载强度进行测试。试验按加载方向与片理面夹角分别为0°(平行)、45°(斜交)、90°(垂直)三种情况进行，其试验结果见表4。

由表4可见，点荷载强度实测值IS与标准点荷载强度值IS(50)有一定的差异，尤其是岩石风化程度越低差异越大，未风化和微风化岩石一般测试值偏大，强风化岩石一般测试值偏小，这主要与测试过程中岩样选择的尺寸大小有关。对于未风化和微风化的岩样，由于其强度高，点荷载试验时为了能够使岩样破坏，只能选择尺寸相对小的试样，一般其尺寸远小于50 mm，使得测试结果偏大；而对于中等风化和强风化的岩样，由于其强度低，容易破裂，为了能够提高压力读数精准度，在点荷载试验时往往选择的试样尺寸较大，多数尺寸大于50 mm，使得测试结果偏小。这也证明了岩石强度具有“尺寸效应”特征——岩石尺寸越大，测试得到的强度越低。

表4　不同风化程度的云母石英片岩点荷载试验结果Table 4　　　　Results of point load test for micaquartz schist under different weathering degree

图4为不同风化程度的云母石英片岩在各加载方向上点荷载强度的对比。

图4　　　　不同风化程度的云母石英片岩在各加载方向上的 点荷载强度对比图Fig.4　　　　Comparison of point loading strength of mica quartz schist in different loading directions

由图4可见，云母石英片岩的点荷载强度具有明显的各向异性，但不同风化程度的云母石英片岩，其各向异性的程度不同，由此得出云母石英片岩强度的各向异性程度与其风化程度有关。

本文定义不同方向(用与片理方向的关系表述)云母石英片岩点荷载强度实测值IS与标准点荷载强度值IS(50)的比值为各向异性系数，由点荷载试验结果(见表4)，可以得到不同风化程度的云母石英片岩的各向异性系数,见表5。

表5　　　　不同风化程度的云母石英片岩的各向异性系数Table 5　　　　Anisotropy coefficient of rock under different weathering degree

由表5可见，根据不同风化程度的云母石英片岩的平均各向异性系数可知，各向异性最明显的是微风化岩石(1.88)，其次是中等风化岩石(1.79)，再次是未风化岩石(1.67)，最后是强风化岩石(1.26)。分析原因认为：微风化岩石强度的各向异性最为明显，这与从微风化开始岩体内部分片理面已经开始裂解成宏观结构面有关；中等风化岩石更强烈，但岩块本身强度经风化在弱化，其各向异性反而没微风化岩石明显；至于强风化岩石，由于岩块强度弱化更严重，反而是片理面的影响淡化了，各向异性反而不明显；对于未风化岩石，岩块本身强度很高，而片理面结合十分紧密，基本上不存在宏观岩石开裂的片理面，使得片理面同样具有很高的抗剪强度，其使岩石各向异性的作用不太显著，虽然整体上也导致一定的各向异性，但反而没有微风化和中等风化的岩石强烈。

4　云母石英片岩强度各向异性特征的数值模拟分析

为了进一步分析云母石英片岩强度的各向异性特征，特别是片理对于云母石英片岩强度的影响，本文采用3DEC离散元软件对云母石英片岩强度的各向异性特征进行了数值模拟分析。模型采用1.0 m×1.0 m×1.5 m的长方体块体，岩块采用Mohr-Coulomb模型，片理采用接触库仑滑移模型，利用速度边界条件固定模型下表面，并在模型上表面施压模拟压缩。通过在模型顶面中心设立监测点，绘制出云母石英片岩垂向上的应力-应变曲线，从而获得其抗压强度。此外，建立倾角为0°、15°、30°、45°、60°、65°、75°、90°的片理面模型，同时也对无片理面云母石英片岩进行了模拟，以便分析对比。

图5为片理面倾角为30°和75°的未风化云母石英片岩的应力-应变曲线，表6为不同片理面倾角的未风化云母石英片岩的单轴抗压强度。

图5　　　　片理面倾角为30°和75°的未风化云母石英片岩的 应力-应变曲线Fig.5　　　　Stress-strain curves of unweathered mica quartz schist obtained from numerical simulation when the inclination angle is 30° and 75°

将表6中数据，以片理面倾角为横轴、岩石的抗压强度为纵轴，绘制散点图，见图6。

表6　　　　不同片理面倾角的云母石英片岩的单轴抗压强度σc(单位：MPa)Table 6　　　　Uniaxial compressive strength (σc,MPa) of quartz schist under different schistose angles

图6　　　　云母石英片岩的抗压强度随片理面倾角的 变化曲线Fig.6　　　　Curves of uniaxial compressive strength with schistose angle obtained from numerical simulation

由图6可见，不论何种风化程度，云母石英片岩的抗压强度均随着片理面倾角的变化而变化。当片理面倾角较小时，云母石英片岩的抗压强度较高，垂直片理面加载时岩石的抗压强度达到最大值，十分接近不考虑片理影响的岩石的抗压强度；随着片理面倾角的增加，岩石的抗压强度呈现出先减小后增大的趋势，当片理面倾角增加到一定值后，岩石的抗压强度又接近于最大值，此时也十分接近不考虑片理影响的岩石的抗压强度。因此，总体上看，该曲线呈现出“U”字形的变化趋势，且左侧的曲线斜率比右侧小，反映了不同片理面倾角的变化范围对云母石英片岩的抗压强度的影响不同。

对于未风化岩石，模拟所得到的岩石抗压强度与试验结果较为吻合，表明模拟分析是可靠的。当片理面倾角在0°～30°范围之内时，岩石抗压强度的变化不太明显，此时岩石破坏由岩石控制，破裂面为新生的，所以岩石的未风化抗压强度较高；当片理面倾角达到35°以上时，岩石的抗压强度下降较大，岩石破坏主要由片理控制，其抗压强度由片理的剪切强度决定，且随着片理面倾角的增加，岩石抗压强度逐渐降低，达到一定值时，其抗压强度达到最小值；当片理面倾角从65°再继续增加，岩石的抗压强度又急剧增加至82 MPa，当片理面倾角在75°～90°范围之间时，岩石的抗压强度保持平缓增长的趋势；当片理面倾角达到90°为竖向片理时，岩石的抗压强度达到先前的水平，模拟计算结果与理论相符。

根据耶格(Jaeger，1960)的单结构面理论[13]，当片理面倾角β=45°+φj/2时，岩石抗压强度取最小值，且其最小值可以由下式计算：

(1)

由图6可见，当片理面倾角为64°左右时，云母石英片岩的抗压强度达到最小值，为5.7 MPa，满足片理面倾角β=45°+φj/2的条件，此时由公式(1)计算得到岩石抗压强度的最小值为5.45 MPa，与模拟所得的5.7 MPa基本接近。

根据图6，对于微风化和中等风化的云母石英片岩，模拟计算分析所得其抗压强度与片理面倾角的关系与未风化的云母石英片岩的变化规律较为一致，但其抗压强度的绝对值随岩石风化程度的加深大幅度减小，其达到最小值的片理面倾角也在不断变小；但是，随着岩石风化程度的增加，岩石抗压强度的“U”字形曲线变得越来越开敞，说明片理面对于岩石强度的影响范围在加大。微风化云母石英片岩的抗压强度最大值与最小值的比值为27.8，而中等风化云母石英片岩的该比值则为21.7，说明了随着岩石风化程度的加深，云母石英片岩抗压强度的各向异性程度有所减弱。

5　结　论

(1) 云母石英片岩的矿物组成以石英和云母为主，是在漫长地质历史中经历多种地质作用而成，普遍呈细粒鳞片粒状变晶结构，显微片状构造，云母定向排列尤为明显。

(2) 从云母石英片岩的微观结构来看，其组成的矿物定向排列强烈，使岩石具有明显的片状构造，而这种在微观结构上的各向异性特征同时反映在岩石物理力学性质上，成为岩石强度各向异性的主要控制因素。

(3) 在不同方向荷载作用下，云母石英片岩的抗压强度和剪切强度均表现出一定的各向异性，尤其是抗剪强度更为明显，反映出片理面对于其剪切破坏的控制作用更为强烈。

(4) 通过点荷载试验以及数值模拟分析可知，不同风化程度的云母石英片岩的抗压强度均具有各向异性，且随片理面倾角的变化，其抗压强度呈“U”字形的变化趋势，表现为先减小后变大，且随着岩石风化程度的加深，“U”字形曲线更越来开敞，云母石英片岩抗压强度的各向异性程度有所减弱。

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