风化作用下层状板岩I型断裂特性试验研究

李二强，张龙飞，赵宁宁，朱天宇，张洪昌，冯吉利

(1. 洛阳理工学院土木工程学院，河南洛阳，471000；2. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京，100083；3. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京，100083)

层状岩体分布广泛，层状页岩、板岩、煤岩等均因具有显著层理特征而被视为横观各向同性岩体[1-5]，其断裂破坏一直是该领域的重要研究课题。按照裂纹表面位移扩展方式，将裂纹断裂分为张拉(I型)、滑剪(Ⅱ型)、拉剪撕开(Ⅲ型)3种扩展模式。岩石作为耐压不耐拉的材料，其Ⅰ型断裂一直是国内外研究的热点和难点。例如，在建兰海(兰州—海口)高速岷县木寨岭隧道等就涉及板岩的破碎及稳定控制问题。在隧道支护过程中，岩石往往产生拉伸断裂破坏，故明确其抗拉强度和张拉断裂性质对指导工程实践具有重要意义。

国内学者针对片麻岩、页岩、层状砂岩等开展了系统的试验和理论研究。TAVALLALI 等[6]对层状砂岩等进行了离散元分析，发现室内试验结果与岩样破坏形态计算结果具有一致性。HUA等[7]发现层状砂岩抗压及抗拉强度随层理状态变化明显，Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度随着干湿循环次数增加而不断劣化，且Ⅱ型比Ⅰ型断裂的韧度劣化更为显著。吕有厂[8]对3种典型层理状态的页岩试件进行了不同加载速率下的三点弯曲断裂韧性试验，系统研究了不同加载速率和层理变化下页岩的I型断裂韧性发展规律。衡帅等[9]在研究页岩单轴和三轴压缩力学特性和岩体破裂各向异性基础上，通过三点弯曲和巴西劈裂试验研究了张拉作用下不同层理方位页岩裂缝的扩展演化形态。GHOLAMI等[10]对不同层理倾角板岩进行了巴西劈裂和单轴压缩试验，获得了板岩破坏模式、抗拉强度和抗压强度等力学参数的各向异性特征。ALAM 等[11]对加拿大板岩的弹性模量、泊松比、抗压强度、拉伸强度和平面应变断裂韧度等物理力学性能进行了试验研究。CHEN等[12]对天然和饱和状态下炭质板岩进行了单轴和三轴压缩试验，研究了围压和含水量对力学性能、裂纹演化和能量损伤机理的影响。李英杰等[13]在页岩直缝半圆盘三点弯(seni-circular bend, SCB)断裂试验基础上，建立了反映T 应力和层理角度对临界强度比影响的临界面，发现裂纹沿层理面扩展理论预测结果与试验结果及数值模拟结果吻合较好。DEBECKER 等[14]基于层状板岩力学性质的差异，对其断裂破坏模式进行了实验研究，通过声发射等手段发现层状板岩强度各向异性会对断裂模式产生巨大影响；同时，采用离散元UDEC 对板岩进行了模拟，分析其Ⅰ型和Ⅱ型断裂破坏的过程。

水是影响岩土介质力学特性的最重要的环境因素，再加上施工裸露形成的风化侵蚀，水-岩综合作用对岩石的物理力学性质会产生至关重要的影响[15-18]，其中以宏观形态上呈现的泥化、崩解及物理力学及断裂力学指标的劣化特别是富含黏土矿物岩石的劣化效应尤为显著[15-21]。冒海军等[19]对南水北调西线板岩进行了不同泡水条件下的三轴压缩实验，分析了吸水率变化对板岩强度、弹性模量及泊松比等力学参数的影响。王慧文等[20-21]通过开展巴西劈裂试验研究了层理及含水状态对板岩抗拉强度的影响，并分析了峰值能率与抗拉强度的关系。TIENNOT 等[22]以多形式半圆形弯曲试样为研究对象，发现层状砂岩断裂韧性和韧度随着相对湿度增大而降低，其韧度各向异性也在增湿过程中有不同体现。ZHOU等[23]通过不同含水率的SCB 试验，研究了含水率对层状砂岩准静态断裂的影响。同时，JIN等[24-26]探讨了岩石及黏土力学性质与断裂韧度的关系，为量化分析岩土材料断裂特性提供了有效、便捷的手段。

综上可知，人们对页岩、板岩等层状岩抗拉力学性能已有较多研究，并且涉及饱水、饱水后烘箱内烘干、干湿循环及特定含水量等水-岩作用下的多种试验条件，但有关板岩Ⅰ型(张拉)断裂特性的研究较少。同时，富含黏土矿物的层状炭质板岩易受水-岩作用和风化作用影响，其力学特性及断裂特性发生较大退化，但目前有关水-岩作用自然风化作用对板岩力学特性的相关研究工作较少。为此，本文作者开展水-岩效应及自然风化作用影响下层状炭质板岩的巴西劈裂及张拉断裂试验研究，并建立Ⅰ型断裂韧度和抗拉强度间的经验公式，以期为板岩赋存区相关岩石工程设计与施工提供参考。

1 试验方法及制样

1.1 试验方法

本文采用巴西劈裂法研究板岩抗拉力学性质。张拉断裂是岩石断裂力学中最常见的破坏形式，为获取较为一致的I型断裂韧度，本文采用SCB试验方法。该方法具有体积小、试验简便、便于突出横向各向同性且适合混合型断裂韧度测试等优点，目前在混凝土、聚甲基丙烯酸甲酯及岩石等各类材料中获得了广泛应用[27-29]。断裂试验的关键是试样制备(含人工开缝)。本文借助实验室自有三维高精准自动化线锯制备SCB 试样。SCB 试样几何结构如图1所示。图1中，R为试样半径，b为人工预制裂缝长度，t为缝宽，s为跨距，P为极限荷载。

1.2 炭质板岩基本性质

试验所用层状炭质板岩取自甘肃省定西市岷县海兰高速木寨岭施工隧道掌子面，取样点岩体呈薄层状构造，所取岩块赋存层理发育明显，且层理间距存在差异。现场实测平行层理岩体纵波波速为3 788～4 015 m/s，垂直层理岩体纵波波速为2 945～3 360 m/s，岩样平均密度为2.688 g/cm3。水平层理炭质板岩单轴抗压强度为48.8 MPa，弹性模量为6.5 GPa，泊松比为0.20；垂直层理炭质板岩单轴抗压强度为50.5 MPa，弹性模量为7.8 GPa，泊松比为0.23。另外，基于文献[30]可得垂直于横观各向同性面的剪切模量为2.9 GPa。分别选取隧道掌子面附近左右肩岩样测定该层状炭质板岩矿物成分，该岩样主要由48.8%(质量分数，下同)石英和47.9%黏土矿物组成，夹杂斜长石、黄铁矿等；其中黏土矿物以伊利石、绿泥石、伊蒙混层及高岭石为主。

1.3 巴西圆盘试样及SCB试样制备

经过钻取岩芯、切割、打磨等流程制作出直径为50 mm、厚度为21～28 mm 的巴西圆盘试样。针对SCB 试样，在上述巴西圆盘试样的基础上，按预设层理状态利用精密金刚砂线锯(直径为0.4 mm)将圆盘样品切割为2 个半圆盘，要求切割平面与直径平面的偏差不得超过0.2 mm，且切割线与圆盘预设线垂直角度误差应保证在0.5°以内；随后对半圆盘试样进行人工开缝，预先画好切缝路径并固定试样，使用上述精密金刚砂线锯机来获取宽度为0.4 mm、长度为10.0 mm 直缝。在实际开缝中，为保证试样和水接触时间基本一致，缝长会存在微小差异。

由上述制样流程可知，由于试样制备以水作为润滑剂，因此，样品制备的过程实质上也是水-岩作用的过程。鉴于SCB 试样人工开缝需要额外工序和时间，为保证水-岩接触条件一致，本文对巴西圆盘试样采取精细化打磨，故加工过程中试样与水的接触状态及时间均较一致，时间约为1.5 h，此处的水-岩接触为后续水-岩作用提供了条件。为模拟工程条件下的自然风化作用，将岩样在室内常温自然通风条件下静置风化60 d，得到静置风化巴西圆盘试样和静置风化SCB 试样，以便后续开展试验研究。作为对比，同时将另一批巴西圆盘试样在加工后进行即时烘干处理并密封(即时烘干试样)，以最大化减小吸水作用对该组试样的影响。采用烘干法测得该层状炭质板岩加工完成后的即时含水率为1.63%～1.95%，室内静置风化60 d后的自然含水率为0.21%～0.24%，即时烘干试样含水率近似为0。

为研究不同层理倾角下炭质板岩断裂特性的影响，设定层理面与水平面夹角为试样的层理倾角，分别对层理倾角为0°(arrester)，30°，45°，60°和90°(short transverse)的炭质板试样展开试验研究。考虑到开缝与层理面平行、加载轴线与层理面正交的层理状态即divider 型是地层材料断裂力学研究中常见的层理赋存状态之一，故本文同时对其开展研究。6 组SCB 试样示意图如图2 所示。在层理倾角为0°，30°，45°，60°，90°及divider型状态下，静置风化巴西圆盘试样依次命名为SA，SB，SC，SD，SE 和SF，即时烘干试样依次命名为IA，IB，IC，ID，IE 和IF，静置风化SCB 试样依次命名为MA，MB，MC，MD，ME和MF，其中M指代试样直径为50 mm。例如，MC-1及MF-1分别代表层理倾角为60°的1 号试样及divider 型1号试样。

2 巴西劈裂试验研究

2.1 试验仪器及要求

采用光弹单轴加载仪进行巴西劈裂试验，该设备轴向最大加载为30 kN，符合本试验要求。试验加载速率为0.1 mm/min，加载仪器及试验过程如图3所示。在不同倾角下，取3个即时烘干试样进行试样，实际完成18 次试验；考虑到水岩及风化影响造成结果具有离散性，各倾角下取4个炭质板岩静置风化试样进行试验，实际完成24次试验。

2.2 炭质板岩抗拉强度

鉴于炭质板岩的横向各向同性特征，本文采用适用于横观各向同性岩石的间接拉伸强度平面应力解析解[30-31]，如公式(1)～(4)所示。通过炭质板岩基本性质求解计算可知，当层理倾角为0°，30°，45°，60°和90°时，抗拉强度修正系数qxx分别 为1.05， 1.02， 1.00， 0.98 和0.96。 此 外，divider 型试样在平面应力作用下处于同性均质状态，qxx为1.00。

式中：D为试件直径；qxx为抗拉强度修正系数；G′为垂直于横观各向同性面剪切模量。

即时烘干及静置风化炭质板岩试样抗拉强度对比曲线如图4 所示。在倾角为0°，30°，45°，60°和90°状态下，试样软化系数为0.13，0.11，0.12，0.12 和0.11，可见其软化性强，工程力学性质极差，这与木寨岭隧道施工后，隧道短期稳定、施工裸露一定时间后隧道断面变形破坏严重的现场情况相符合。同时需要注意的是，divider 型即时烘干及静置风化试样抗拉强度分别为13.42 MPa和1.65 MPa。

3 静置风化试样SCB试验研究

3.1 SCB试验简介

同样采用光弹精密单轴加载仪进行SCB试验，但需对加载装置进行适当改进。SCB 试验加载装置主要由光弹加载仪、三点弯夹具、引伸计位移采集仪、高速相机、图形工作站及补光灯组成，如图5所示。其中三点弯夹具由1根上部加载滚轴和2 根下部支护滚轴组成，SCB 试样应事先做好标记以便对应上、下加载端，支座间距设为40 mm。试验上部加载速率为0.1 mm/min，较低的加载速率可以满足静态裂纹扩展所需条件[29]，使得裂缝尖端非线性断裂过程区充分发展，进而避免动态断裂效应。

3.2 SCB试验结果分析

3.2.1 载荷-位移曲线

图6 所示为层状炭质板岩典型SCB 试样荷载-位移曲线。由图6可见SCB试样荷载-位移曲线由4个部分组成：

1)压密变形阶段。初始加载时曲线上升平缓且逐步上凹，斜率由小增大。

2)近似线弹性阶段。持续加载时曲线大致呈直线状，斜率基本保持不变，荷载随位移增大而呈线性递增趋势，此阶段是SCB试样荷载-位移曲线的主要组成部分。

3)塑性弱屈服阶段。此阶段曲线斜率由大到小变缓，呈下凹凸起态势，这是因为当微裂隙达到一定数量时，材料刚度下降。

4)瞬时破坏跌落段。随着内部裂纹的迅速扩展贯通，曲线呈现为竖直线状，试样均为瞬间完全断裂，表现出显著脆性破坏特征。

需要注意的是，图6 中各试样荷载-位移曲线在峰前均存在震荡跳跃现象，这主要是试样裂隙的扩展和再压密所致。

具体来说，层理倾角为0°，30°，45°，60°和90°及divider型试样的竖向位移在峰值荷载时分别为0.486，0.395，0.375，0.357，0.436 及0.306 mm，可见MA-3和ME-2试样均经历了较长的压密阶段，MB-2，MC-1 和MD-1 经历压密阶段的时间较短，而MF-3 在经历较短的压密段后就进入线弹性阶段，说明divider 型炭质板岩在三点弯加载过程中由于层间协同变形作用而最为致密。MA-3，MB-2，MC-1，MD-1，ME-2 和MF-3 试样的峰值荷载分别为226.9，193.5，165.8，144.8，135.7 及269.3 N，divider 型试样峰值荷载最大，而对于层理倾角为0°～90°的试样，峰值荷载随层理倾角增大而减小。

3.2.2 断裂韧度分析

SCB试验法是测试岩石I型静态断裂韧度的常用方法[29]，I型断裂韧度KIC计算公式如下：

式中：Pmax为试样破坏时的峰值载荷；Y′为平面应力状态下量纲一应力强度因子，与人工预制裂缝长度和试验时试样的支撑间距有关，此处Y′取值范围为4.690～8.427。

SCB 三点弯试验成功压裂的标准是裂缝与预制缝的距离误差小于0.05 倍试样直径，且每种试件至少取5个成功压裂的样品[24]。鉴于炭质板岩层理及微裂隙等缺陷影响造成的数据离散性，MA，MB，MC，MD，ME和MF试样均取7～8个样品进行试验，计算得出不同层理倾角层状炭质板岩试样断裂韧度均值。为更直观地比较层理对层状板岩抗断裂能力的影响，绘制如图7 所示的方框统计图。由图7 可见，各层理倾角试样KIC均值分布均呈现出一定差异，且数据较为离散。其中divider型试样的断裂韧度为0.195 MPa·m1/2，是6种试样类型中的最大值，具有较强抗断裂破坏能力；ME试样断裂韧度均值最小，仅为0.097 MPa·m1/2；而MA试样即arrester试样断裂韧度均值为0.168 MPa·m1/2，和divider 型的较接近，也表明水平层理层状炭质板岩因增韧效应而具有较好的抗拉性能，而MB，MC 和MD 试样断裂韧度均值分别为0.137，0.121和0.116 MPa·m1/2。divider 型试样断裂韧度分布区域最广，说明其数据离散性最大，这主要是层理的非均匀性及未进行严格量化所致。另外，其他类型试样的断裂韧度也具有一定离散性，这主要是试样层理赋存个体化差异及固有缺陷的随机性所致。总结来说，层理结构对层状炭质板岩断裂性能影响显著，根据文献[13]可知，当加载速率为0.002 mm/s 时，页岩在层理倾角为0°和90°及divider 状态下的Ⅰ型断裂韧度分别为1.024，0.935和1.153 MPa·m1/2，可见层状板岩断裂韧度和上述页岩发展趋势较一致，但二者数值则存在较大差异，这主要是岩性、水-岩接触及风化作用影响所致。

3.3 SCB断裂形态

层状炭质板岩SCB 试样断口破坏形态对研究其裂纹起裂及演化发展具有重要的意义。对各层理倾角典型SCB 试样破裂后表面裂缝和断口形态进行分析研究，结果如图8所示。

由图8(a)可见：对于MA 型即水平层理试样，三点弯加载时试样受力垂直于层理面，由直缝尖端起裂并持续扩展，而在裂纹遭遇层理面时裂纹通常会发生转向进而沿着水平层理扩展一段距离，这是层理面胶结强度低且受到沿竖直方向的张拉力所致。随着裂纹演化，基于应力重分布裂纹会再次发生转向而穿破基质指向上部加载端，若层理面较多且均匀，则通常会形成层理、基质反复转向的扩展态势，并最终形成阶梯状断裂裂纹。由于裂纹不断转向，增加了其扩展路径，从而会产生增韧效应。

对于缓倾斜层理试样，如MB 型(层理倾角为30°)和MC 型(层理倾角为45°)层状板岩试样(见图8(b)和(c))，试样均由直缝尖端竖直起裂，但裂纹在初始阶段就会沿最大应力分布的方向扩展进而不断发生偏移，同时，裂纹在扩展延伸过程中会在层理面发生分叉、穿过现象。例如，MB 及MC型试样会形成曲折裂纹扩展路径，但由于该试样层理胶结强度较高，试样断口较为平整，主要呈现为穿越基质的裂纹扩展破坏形式。对于陡倾斜层理试样即MD型(层理倾角为60°)层状板岩试样，由直缝尖端首先发生偏向右侧起裂，同时，在裂纹扩展前端与层理面结合处，裂纹发生转向并沿层理面延伸扩展一定距离，最终演化至上部加载端，可见其断裂破坏形式更为复杂。结合试样断口形貌可见，在层理面裂纹发生转向、扭断使得断裂面呈现不规则块状且形成棱角分明的劈拉起伏断面。

对于ME 型(层理倾角为90°)试样(见图8(e))，外载荷作用时，裂纹大体会沿着直缝尖端顺层理面方向起裂并产生竖向笔直裂纹，断口较平滑但存在沿晶破坏，呈现出颗粒状和粗糙状。divider型试样(见8(f))存在2 条非等间距层理，直缝尖端的裂纹扩展形式主要是穿破炭质板岩基质体的裂纹扩展。

上部裂纹扩展由于层间基质协同作用呈曲折扩展的趋势，可见基质本身的完整性和强度决定了其抗断裂性质。由图8(f)可见基质体完整，层理面胶结牢固，试样断口在层理面附近存在凹凸起伏。

4 断裂韧度KIC经验公式

4.1 经验公式建立

鉴于层状板岩制样的极低成样率、高精度要求及繁杂试验过程等条件限制，可利用易测的岩石物理力学性质来建立相关经验公式，然后估算Ⅰ型断裂韧度。该方法是一种简单、快速并满足一定精度要求的KIC间接获取方法，具有较高的合理性和工程应用价值。

岩石的物理力学参数之间存在一定的关联性，大量研究证实KIC与抗拉强度等参数之间均能建立良好的相关关系。ZHANG等[26]统计了各种不同岩石试验参数，提出经验公式σt=6.88KIC(其中σt为抗拉强度)，但实践中该方法所得相关系数差异较大，同时，由于层状岩具有典型横观各向同性，导致该方法的适用性较差。鉴于此，本文基于炭质板岩的力学性质，并结合上述试验及计算结果，得到板岩抗拉强度与Ⅰ型断裂韧度的关系，如图9 所示。由图9 可见：抗拉强度与Ⅰ型断裂韧度之间呈明显线性关系，拟合所得经验公式为

拟合关系式的可决系数R2达0.97，说明通过抗拉强度σt估算岩石KIC的方法是可行的。

4.2 即时烘干炭质板岩试样断裂韧度预测

由上述巴西劈裂试验结果可知，在层理倾角为0°，30°，45°，60°，90°及divider状态下，即时烘干试样抗拉强度分别为12.11，9.83，7.73，6.41，6.10 和13.42 MPa。若同时开展即时烘干试样SCB 断裂试验，则试样制备及层理筛分试验均需耗费大量人力、物力。由上述经验公式(6)可对其断裂特性进行预测，经计算可得即时烘干炭质板岩试样在层理倾角为0°，30°，45°，60°和90°及divider 状态下的Ⅰ型断裂韧度分别为1.174，0.960，0.763，0.639，0.609 和1.297 MPa·m1/2。上述层状岩断裂韧度随层理变化的趋势及范围和文献[7,11,13,23]中的较一致，可见该经验关系式可用于指导相关工程应用实践。

5 结论

1)当层理倾角为0°，30°，45°，60°和90°时，静置风化的抗拉强度分别为1.52，1.11，0.89，0.76和0.66 MPa，即时烘干炭质板岩试样的抗拉强度分别为12.11，9.83，7.73，6.41和6.10 MPa，而在divider 状态下2 种试样抗拉强度分别陡增至13.42 和1.65 MPa，可见试样抗拉强度均受层理影响而呈现出抗拉力学参数的横观各向同性。同时，受水-岩及风化综合作用，炭质板岩性质劣化效应显著。

2)不同层理倾角下静置风化层状炭质板岩SCB试验荷载-位移曲线具有一定相似性，呈现为压密→近线弹性→塑性弱屈服→瞬时破坏跌落的演化过程，其中divider试样的屈服现象较为明显。同时，各组试样均表现出脆性断裂破坏特征。

3)静置风化层状炭质板岩SCB试验证实了层理倾角对Ⅰ型断裂韧度的影响，其中divider型试样断裂韧度为0.195 MPa·m1/2，在层理倾角0°，30°，45°，60°和90°时断裂韧度随倾角增大而逐渐减小，MA试样即arrester 试样的断裂韧度为0.168 MPa·m1/2；而MB，MC 和MD 试样断裂韧度分别为0.137，0.121 和0.116 MPa·m1/2；ME 试样断裂韧度最小，为0.097 MPa·m1/2。

4)层状炭质板岩SCB试样均从直缝尖端起裂，但裂纹扩展路径随层理不同而呈现出显著差异。例如，当层理倾角为90°时，试样通常会沿着直缝尖端处层理面笔直扩展至上部加载端；当层理倾角为0°时，试样则在基质及水平层理面间形成阶梯状断裂裂纹，倾斜层理试样因受层理影响常呈现出曲折裂纹断裂形态，divider 型试样因受基质协同作用而通常表现为近似笔直的裂纹断裂形态。

5)根据试验数据拟合得到层状炭质板岩断裂韧度经验公式KIC=0.094σt+0.036，并基于该公式对即时烘干炭质板岩的Ⅰ型断裂韧度进行了预测，预测结果与已有结果较一致。