砂岩层理构造对力学特性影响分析

汪俊波,孟陆波,刘天毅,陈海清

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)

引言

川藏铁路是国家重点建设项目，其线路地质条件极其复杂，需穿越众多岩质隧道，而岩石大多属于非均质材料，其中层状岩由于其矿物多样性、非均质性以及特殊的结构形式，表现出明显的各向异性，并且在软岩隧道中，岩石具有一定的蠕变特征，为了确保隧道长期稳定性，有必要对层状岩石的各向异性及蠕变特征进行研究。

目前广大学者在岩石蠕变特性试验研究方面已有较多成果[1-7]，但对岩石各向异性蠕变特性还需要进行系统深入的研究。Dubey等[8]对3个不同层理角度盐岩进行了单轴压缩蠕变特性试验，并对蠕变破坏模式进行了研究。王强等[9]对隧道围岩的流变效应进行了分析。范庆忠等[10]在分级加载条件下对红砂岩的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究，观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应。熊良宵等[11]对绿片岩进行了单轴压缩蠕变试验，对岩石瞬时应变、衰减蠕变持续时间和应变速率进行了分析。吴创周等[12]对层状绿片岩试件进行单轴压缩蠕变试验，研究层状岩石材料的各向异性蠕变规律。唐建新等[13]对层状含水页岩进行单轴蠕变试验，表明层理角度和含水率对页岩的蠕变特性均有较大影响。肖明砾等[14]对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验，研究了石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。

广大学者对岩石的各向异性或蠕变特性进行了大量研究[15-17]，并取得了丰富成果。但是主要是采用单轴压缩蠕变试验，且多数只考虑了平行和垂直两种层理情况，对层理角度考虑不太全面，在隧道工程中，岩体一般都是处于三向应力状态，故研究三向应力作用下的多种层理角度岩石各向异性及蠕变特征对隧道工程的长期安全稳定性有重要意义。

1 试验方案设计

1.1 试样制备

试验所用的砂岩外观为浅黄色，具有显著的层理构造，主要由石英和长石矿物组成。根据SL264—2001《水利水电工程岩石试验规程》[18]，将从工程区取得的不同层理角度岩芯加工成直径50 mm，高100 mm的圆柱体试样，不同层理角度砂岩如图1所示。

图1 不同层理角度砂岩

1.2 试验方法

试验采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的YSJ-01-00岩石三轴压缩蠕变试验机(图2)。根据砂岩常规三轴试验结果(表1)，采取常规三轴各组试样峰值强度最低值的70%，分为至少5级，即设计三轴蠕变试验的加载初始等级为10.1 MPa，并以10.1 MPa为等级逐级加载，注油并施加5 MPa围压，各级荷载保持约3 d，应变速率不变后再施加下一级荷载，加载直至试样出现破坏为止。

图2 岩石三轴压缩蠕变试验机

表1 砂岩常规三轴试验结果

2 试验结果分析

2.1 变形特征

图3 层理角度0°试样蠕变全过程曲线

图3～图7是蠕变分级全过程曲线，从图中可以看出，蠕变分级全过程曲线为非线性阶梯状曲线，砂岩试件的应变量均随荷载水平和时间的增加而增长，荷载增加时均有瞬时应变产生，压力恒定时应变随时间的增长而缓慢增加，表现出衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段的特征，在破坏阶段时，维持荷载恒定的时间较短，出现明显的加速蠕变阶段的特征，说明砂岩蠕变全过程包括瞬时弹性阶段、衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段4个阶段。

图4 层理角度30°试样蠕变全过程曲线

图5 层理角度45°试样蠕变全过程曲线

图6 层理角度60°试样蠕变全过程曲线

图7 层理角度90°试样蠕变全过程曲线

图8和图9分别是瞬时弹性应变-荷载关系和瞬时弹性应变叠加曲线。由图8可以看出，曲线的整体变化趋势是先降低，之后基本保持近水平线变化。由于试件内部微裂纹压密的影响，在施加第一级荷载时砂岩的瞬时弹性应变值明显大于后面加载等级下的瞬时弹性应变值，层理角度30°、60°和90°试样的初始瞬时弹性应变要高于其他两组角度下的值，说明此3组试样初期的内部孔隙及节理微裂隙较多，在岩石刚受到荷载作用后，致使此部分孔隙和微裂隙被压密，产生的瞬时弹性应变大于其他角度。由图9可知，叠加曲线呈近似直线增加，瞬时弹性叠加应变随着应力水平的增加而增加，呈近正比例关系增长。不同层理角度砂岩的瞬时弹性应变总量有所差异，瞬时弹性应变总量值(0°～90°)分别为：1.083%、1.365%、0.916%、1.066%、1.270%，最大值出现在30°，最小值出现在45°。荷载等级20～120 MPa的加载过程中，不同层理角度试样的瞬时弹性应变增量没有太大变化，如在50.92 MPa时，加载10.2 MPa过程中层理角度0°～90°瞬时弹性应变增量分别0.091%、0.107%、0.086%、0.096%、0.082%，增量值基本相同，没有明显变化，说明层理角度对瞬时弹性应变影响较小。

图8 瞬时弹性应变-荷载关系曲线

图9 瞬时弹性应变叠加曲线

图10和图11分别是蠕变应变-荷载关系曲线和蠕变应变叠加曲线。从图10可以看出，曲线的总体变化趋势是由起始的近水平线开始缓缓增加，直至某个荷载状态时开始出现陡增，说明存在某个应力阀值，在低应力水平下，蠕变应变随着荷载等级的增加，其增量变化不大，只有荷载超过这个阀值后才出现急剧变化，导致试样发生了破坏。由图11可知，蠕变应变叠加曲线随着应力水平的增加而内凹，相同作用时间下，荷载等级越高，蠕变应变量越大。随着层理角度的增加，蠕变应变总量值分别为0.402%、0.315%、0.197%、0.382%、0.442%，在层理角度0°时应变最大，层理角度45°时应变最小，蠕变应变呈非线性关系，说明层理对岩石的蠕变应变有明显的影响。

图10 蠕变应变-荷载关系曲线

图11 蠕变应变叠加曲线

2.2 蠕变速率特征

以层理角度90°砂岩为例绘制蠕变速率曲线，考虑到荷载级数过多可能导致图形识别的问题，取20.37，61.12，101.86 MPa荷载条件下的蠕变速率为分析对象，如图12所示。由图12可以看出，随着时间的增加，蠕变速率迅速降低，在低应力水平下蠕变速率逐渐降低至零，整个过程仅出现衰减蠕变阶段，而随着应力水平达到101.86 MPa时，蠕变速率降低到一定数值后趋于平缓，此过程表现出衰减蠕变和稳定蠕变阶段，说明随着应力的增加，剪切裂纹扩展加快，使蠕变速率增加。

因为在最后一级荷载下蠕变三阶段都能充分地显现，结合蠕变数据对层状砂岩的稳定蠕变速率进行统计分析可得，在最后一级荷载作用下，层理角度0°～90°砂岩的稳定蠕变速率依次为0.033，0.254，0.109，0.296，0.260 mm/h。由图13可以看出，随着层理角度的增加，稳定蠕变速率呈近“M”形变化，这是由于砂岩为层状岩石，且顺着层理方向的裂纹比较发育，并且有统一的方向性，因而岩石本身就具有明显的各向异性特征，使不同层理角度的蠕变速率不同。

图12 层理角度90°试样应变速率与时间关系曲线

图13 不同层理角度的稳定蠕变速率关系曲线

2.3 强度特征

通过蠕变试验，得到砂岩的蠕变峰值强度，取峰值强度一半时的应力应变比作为砂岩的蠕变弹性模量。岩石蠕变长期强度主要运用在长时间作用下岩石强度损失程度的评价[19-20]，根据等时曲线法得出不同层理砂岩的长期强度(表2)。从表2和图14～图18可以了解到长期强度值基本处于峰值强度的前一级等级，且它们比值在0.75～0.82；0°试样和90°试样强度几乎一致，但二者在试验中产生的变形量不同，导致二者之间的弹性模量有所差异，随着层理角度的增加，蠕变弹性模量呈现出先减小后增大的趋势，0°时取得最大值。

表2 层状砂岩应力-应变曲线分析

图14 层理角度0°试样等时应力-应变曲线簇

图15 层理角度30°试样等时应力-应变曲线簇

图16 层理角度45°试样等时应力-应变曲线簇

图17 层理角度60°试样等时应力-应变曲线簇

图18 层理角度90°试样等时应力-应变曲线簇

图19为长期强度与峰值强度和层理角度之间的关系曲线。从图19可以看出，随着层理角度的增加，砂岩长期强度呈现出先减小后增大的变化趋势，在层理角度为0°～30°时，长期强度变化较小，在层理角度为30°～60°时，长期强度迅速降低并在层理角度60°达到最低，之后随着角度的增加，长期强度开始升高，峰值强度随层理角度的变化规律呈现出近似的变化特点。出现这种现象是因为岩石微层理面存在黏结强度，当应力水平超过微层理面强度时，层理角度45°与层理角度60°砂岩的部分软弱微层理面处于拉伸应力状态，而其他角度砂岩软弱微层理面并不处于这种应力状态，所以导致层理角度45°与层理角度60°砂岩整体强度降低，显示出强度的各向异性。

图19 强度和层理角度关系曲线

为了对岩样各向异性进行描述，这里引入表示岩石的各向异性度

(1)

RC=σcmax/σcmin

(2)

式中，k为岩石弹性模量的各向异性参数，E平行为应力与层理面平行时的岩石弹性模量，E垂直为应力与层理面垂直的岩石弹性模量；Rc为岩石强度的各向异性参数，σcmax和σcmin为岩石峰值强度的最大值和最小值。当k、RC趋近于1时，说明越趋于各向同性，当k越偏离1，说明各向异性越显著。通过采用公式对试验k、RC值计算，得到其k值为1.21，RC值为1.83，表明本批次试验砂岩各向异性显著。

2.4 宏观破坏特征

图20给出了三轴蠕变试验后层状砂岩的破坏形态及素描图，层理角度为90°时，出现以两个主裂纹面的共轭剪切破坏，发生斜交层理面破坏；层理角度为60°时，以斜交层理面破坏为主，试样有小碎块从表面崩落；层理角度为45°时，以斜交层理面破坏为主，有张性裂纹出现，破裂面上有许多细小粉末；层理角度为30°时，以顺层剪切破坏为主，主破裂面方向与层理面方向较一致，且试样上部有小碎块崩落；层理角度为0°时，以斜交层理面剪切破坏为主，主要破坏面有一个，试样有小碎块从表面蹦落；说明层状砂岩破坏模式以剪切破坏为主，破裂模式也具有一定的各向异性。

图20 蠕变试验层状砂岩的破坏形态及素描

3 结论

通过对不同层理角度砂岩的三轴蠕变试验结果进行分析，得出以下结论。

(1)砂岩在三轴应力状态下蠕变全过程包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段。

(2)随着层理角度的增加，峰值强度、长期强度和弹性模量先减小后增大，稳定蠕变速率呈“M”形变化。

(3)不同角度试件在试验加载瞬间都出现瞬时轴向应变，在施加第一级荷载时瞬时轴向应变值最大。低应力水平下，变形以瞬时变形为主，随着应力水平的增加，瞬时蠕变速率也相应出现了升高，蠕变应变也不断增大，导致试样最终发生了破坏。

(4)应力与层理的夹角不同，破裂模式不同，层理角度为0°，45°，60°，90°时，岩样主要发生斜交层理面的剪切破坏，层理角度为30°时，岩样主要发生沿着层理面的剪切破坏。

(5)高地应力环境下隧道易发生大变形灾害，并且发生大变形的隧道大多数为层状结构。研究普遍认为，地应力与层面夹角的关系是隧道大变形的影响因素之一。通过砂岩的三轴蠕变试验，分析了层理构造对砂岩力学特性的影响，对隧道大变形的机理研究和大变形灾害的防治具有一定的参考意义。