周 阳，苏生瑞，李 鹏，索蔚辰

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

0 引言

千枚岩作为一类特殊的软岩，遇水易产生膨胀变形且具有各向异性，其在工程建设中普遍存在。千枚岩的力学性质对边坡、隧道以及地下工程的稳定性具有重要的影响。许多学者已经对千枚岩的物理力学性质展开了研究，如刘云鹏等[1]分析了千枚岩在垂直和平行片理面方向的断口形貌特征。吴永胜等[2-3]研究了不同加载方位角度千枚岩的扩容特性和各向异性。蒲超等[4]研究了三轴压缩条件下千枚岩的破裂形式与能量特征。陈子全等[5]研究了碳质千枚岩的力学特性和能量损伤演化机制。郑达等[6]和周阳等[7]研究了千枚岩的微结构与力学性质。赵建军等[8]研究了饱水条件下千枚岩的软化效应。HU等[9]研究了不同饱水状态下千枚岩的力学特性。XU等[10-11]研究了千枚岩在三轴压缩和巴西劈裂条件下的各向异性。REN等[12]研究了千枚岩的剪切流变特性。QIU等[13]研究了低变质千枚岩的动态破坏特征。MISHRA等[14]研究了千枚岩在高应变速率下的动态响应特征。

上述研究大多专注于千枚岩在垂直和平行片理角度方向上的各向异性，其遇水易软化的性质研究较少，部分学者仅分析了单一片理角度下千枚岩力学性质的软化效应，也没有从微观角度分析其软化机理。因此，笔者开展了不同片理角度干燥与饱水绿泥石千枚岩的单轴压缩试验，分析其力学性质和变形破坏特征，并结合SEM分析绿泥石千枚岩的软化机理，研究成果可为以千枚岩为载体的工程建设及地质灾害的防治提供参考。

1 试验设计方案

试验所用样品取自于四川省阿坝州理县某处崩塌(图1)，微风化，属于志留系茂县群绿泥石千枚岩。根据国际岩石力学协会(ISRM)的要求，将现场取回的岩块制备成直径约50 mm，长度约100 mm的圆柱型试样(图2)。同时，根据纵波波速和密度严格选样，剔除离散性较大的样品。将制备好的试样分成两组，一组直接置于105 ℃烘箱中烘干48 h至恒重；另一组样品先烘干再采用真空抽气法进行强制饱水。在RMT-150C型电液伺服控制刚性压力机上进行单轴压缩试验，采用荷载控制方式，加载速率为0.5 MPa/s，直至岩样破坏，每组试验做2～3个试样，以取平均值。采用Quanta 650多功能环扫描电镜对干燥和饱水样品进行微观分析。

图1 取样位置Fig.1 Sampling point

图2 试样加工示意图Fig.2 Diagram of coring rock sample

2 试验结果及分析

2.1 绿泥石千枚岩的变形特征

干燥和饱水状态下典型试样的单轴压缩应力-应变曲线如图3所示。从图3中可以看出两种状态下，不同片理角度绿泥石千枚岩样品在加载过程中应力-应变曲线都经历了压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，但β=30°时样品压密段和屈服段不太明显，仅在压缩的起始位置和即将失效处出现。相同片理角度条件下，饱水试样的屈服阶段更加明显，峰值强度降低，峰值应变增加，应力-应变曲线跌落趋势变缓，绿泥石千枚岩软化特征明显。

图3 典型试样的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of typical specimens

根据单轴压缩试验结果，对干燥和饱水绿泥石千枚岩的峰值应力，峰值应变，弹性模量和变形模量的平均值进行了统计(表1)。

由表1可以看出，绿泥石千枚岩的力学参数呈现出明显的各向异性，并且饱水试样的抗压强度、弹性模量和变形模量减小，峰值应变增大。不同片理角度和含水状态下绿泥石千枚岩各力学参数具体变化趋势如图4、图5所示。

表1 绿泥石千枚岩的力学参数Table 1 Mechanical parameters of chlorite phyllite

图4 弹性模量随片理角度的变化曲线Fig.4 Variation of elastic modulus with change of schistosity angle

图5 变形模量随片理角度的变化曲线Fig.5 Variation of deformation modulus with change of schistosity angle

从图4中可以看出，片理角度对弹性模量的影响显著，随着片理角度的增大，岩样的弹性模量呈先减小后增大的倒S型变化规律，这与黄宏伟等[15]的研究结果基本一致。当β=0°时，试样弹性模量取得最大值，β=30°时弹性模量值最小。

如图5所示，随着片理角度的增大，试样的变形模量呈先减小后增加的宽缓U型变化规律，并且变化幅度较大。样品的变形模量与弹性模量变化规律并不完全一致，这可能有两方面的因素：①片理面相对软弱、刚度低，在加载初期会产生较大的轴向压密变形，从0°到90°压密阶段差别较大，这从图3的应力-应变曲线中可以看出；②试样的抗压强度随片理角度呈现先减小后增大的U型变化规律，对应的50%抗压强度也呈现相同的变化趋势。这两方面因素的共同作用导致了试样变形模量与弹性模量呈现不一样的变化规律。

饱水状态下绿泥石千枚岩的弹性模量和变形模量降低趋势非常明显。相比干燥状态，片理角度从0°到90°，饱水绿泥石千枚岩的弹性模量分别降低了43.33%，47.30%，41.63%和47.38%；变形模量分别降低了37.44%，39.97%，41.05%和43.02%。

干燥和饱水绿泥石样品的峰值应变如图6所示。相同片理角度下，饱水试样的峰值应变大于干燥试样，β=0°试样的峰值应变的增加幅度最小，β=90°试样的峰值应变增加幅度最大，单轴压缩时，饱水千枚岩试样的峰值应变相对于干燥试样增大了6.80%～25.27%。

图6 峰值应变随片理角度的变化曲线Fig.6 Variation of peak strain with change of schistosity angle

2.2 绿泥石千枚岩的强度特征

干燥和饱水绿泥石千枚岩的抗压强度如图7所示。随片理角度的增加，绿泥石千枚岩的抗压强度呈先减小后增加的U型变化规律，β=0°和90°样品的抗压强度较大，β=30°样品的抗压强度最小。片理角度从0°到30°，抗压强度迅速减小；而片理角度从30°到90°时，抗压强度缓慢增加。水对绿泥石千枚岩的软化作用明显，相比于干燥状态，饱水千枚岩试样的抗压强度明显降低，片理角度从0°到90°，其软化系数分别为0.70，0.49，0.59和0.62，β=30°时绿泥石千枚岩的软化系数最小，对水最为敏感。

2.3 绿泥石千枚岩的破裂特征

绿泥石千枚岩的变形特征和力学性质与其破坏模式密切相关，其破裂模式受片理结构面和含水量的影响显著。干燥和饱水状态下，典型绿泥石千枚岩试样的破坏模式如表2所示。

表2 绿泥石千枚岩的破坏模式及控制因素Table 2 The failure modes and controlling factors of chlorite phyllite

(1)β=0°时，试样顺片理面形成张拉劈裂破坏。破坏的岩样存在多个近似相互平行的破裂面，这些破裂面基本与片理面重合并将岩样分割成多个独立的“薄板”，干燥试样在继续加载的过程中，岩板受压而弯曲，甚至发生折断，具有较强脆性破坏特征。

(2)β=30°时，试样沿片理面形成剪切滑移破坏。干燥试样局部发育有脆性裂隙，破裂面不平整；饱水试样破裂面光滑平整、贯通整个岩样，并发生明显的剪切滑移。

(3)β=60°时，干燥试样为局部切穿片理面和局部顺片理面的复合张剪破坏，主破裂面呈多段折线型，并且其周围有较大的张拉裂隙。饱和试样为局部切穿片理面和局部沿片理面的剪切滑移破坏。

(4)β=90°时，干燥试样形成切穿片理面的压致张裂和剪切滑移的Y型复合破坏，岩样破碎程度比较严重；饱水试样为单一的贯穿片理面的剪切破坏。

干燥绿泥石千枚岩与饱水绿泥石千枚岩破裂特征具有明显的差别。干燥状态下试样主裂破裂面周围伴有大量次生张拉裂纹，破碎程度较高，具有更强的脆性破坏特征；而饱水状态下，绿泥石千枚岩的延塑性增强，力学性质和脆性被弱化，表现出张拉破坏减弱，剪切破坏增强的特征，并且试样的次生裂纹较少，破碎程度低，破坏面完整度较高。

3 饱水对绿泥石千枚岩的劣化机制

绿泥石千枚岩的水理性质与其矿物成分密切相关，为了研究千枚岩的软化机理，对样品进行了粉晶X衍射(图8)，结果显示样品主要由绿泥石，伊利石，石英，斜长石和钾长石组成，其质量百分比分别为36%，38%，13%，12%和1%。

图8 样品粉晶X衍射谱Fig.8 X-ray diffraction spectrum of sample powder

样品中的黏土矿物主要是伊利石和绿泥石，在饱水的过程中水分子很容易进入黏土矿物颗粒之间形成极化的水分子层。如伊利石矿物颗粒较小、亲水性较强，并且矿物晶体在C轴方向连接力较小，在饱水过程中水分子进入晶体结构层间，形成水化膜，导致伊利石矿物大幅度膨胀[15-16]。伊利石在饱水状态下膨胀量约为50%～60%[17]。当黏土矿物吸水膨胀时，样品中的裂隙被充填，黏土矿物失去了继续膨胀的空间。由于黏土矿物和裂隙的分布是不均匀的，因此颗粒之间产生了附加应力，进而引起黏土矿物颗粒周围产生非均匀变形，破坏了样品内部结构，增大了黏土矿物与水的接触面积，进一步加剧了黏土矿物的膨胀、变形脱落以及颗粒间胶结物的溶蚀。绿泥石千枚岩遇水后经历了黏土矿物吸水膨胀、孔隙充填、非均匀变形和胶结物溶蚀等阶段，从而造成了其力学性质的劣化。

为了更直观的分析饱水对绿泥石千枚岩的软化，对干燥和饱水样品分别进行了SEM测试，如图9和10所示。

由图9中可以看出，绿泥石千枚岩由片状矿物和粒状矿物胶结而成，片理结构发育。粒状矿物棱角分明，为不规则多边形，片状矿物表面平直光滑。矿物颗粒轮廓界限清晰明显，黏土矿物颗粒之间多以面-面、面-边接触，局部微裂隙发育。

在饱水状态下(图10)，由于黏土矿物的吸水膨胀和胶结物的溶蚀，出现明显的絮状结构，矿物颗粒间的界面变得模糊。片状黏土矿物软化、剥落比较明显，剥落物分解成近似椭圆形的絮状小颗粒，附着在大矿物颗粒表面。在饱水状态下，黏土矿物颗粒之间的接触关系逐渐转变为点-面接触，样品结构逐渐趋于松散、多孔隙，这导致了饱水绿泥石千枚岩力学特性的劣化。

图9 干燥样品SEM照片Fig.9 SEM photographs of dry samples

图10 饱水样品SEM照片Fig.10 SEM photographs of saturated samples

4 结论

(1)不同片理角度千枚岩的应力-应变曲线都经历了压密段、弹性段、屈服段和破坏段；饱水试样的屈服阶段更加明显，峰值强度降低、峰值应变增加，应力-应变曲线跌落变缓。

(2)千枚岩各向异性显著，片理角度从0°到90°，弹性模量呈倒S型变化规律；变形模量和抗压强度先减小后增大呈U型变化规律。饱水试样的弹性模量和变形模量分别下降了41.63%～47.38%，37.44%～43.02%；从0°到90°饱水千枚岩强度软化系数分别为0.70，0.49，0.59和0.62，β=30°时千枚岩软化系数最小，对水最为敏感。

(3)绿泥石千枚岩的破坏模式与片理角度和含水率密切相关，可分为3 种类型：张拉劈裂破坏，剪切滑移破坏和张拉-剪切复合破坏。饱水千枚岩主破裂面完整、次生裂隙少、脆性破坏减弱、剪切破坏增强。

(4)饱水状态下，伊利石、绿泥石等黏土矿物颗粒吸水膨胀，颗粒间胶结物溶解破坏，使得黏土矿物软化、剥落，岩体结构变得松散，这些微观结构的改变直接导致了绿泥石千枚岩力学性质的劣化。