刘永胜，詹学才，邱传传

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

层状复合岩石是地下工程中常见的岩体之一，与单一岩石不同，层状复合岩石是由多层性能各异的岩石复合而成，各组分性能不同，并且存在界面缺陷，其破坏机制及方式也明显不同于均质岩体。

近年来，针对层状岩石的力学行为国内外学者做了大量的研究工作，涉及试验参数、破坏机理、变形特征、本构模型等方面。 尹光志等[1]在真三轴条件下， 将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石，建立了真三轴应力条件下基于MLC 准则的层状复合岩石破坏准则，并进行了不等应力作用下不同岩石组成的层状复合岩石的真三轴试验；孟陆波等[2-5]对各类砂岩开展高温条件下的各向异性、 蠕变、强度等力学性能的研究；刘永胜等[6-7]对化学腐蚀作用下岩石的动态性能进行了研究，分析了化学腐蚀下岩石力学性质、动态性能的影响并建立了动态本构模型；刘立等[8]对于常见层状复合岩石的损伤结构与本构关系进行了研究，并用电镜研究了其微观结构和微孔隙特征，导出了各分层的三维非线性损伤本构方程与演化方程；余超等[9]针对工程中支护与围岩的接触问题，利用FLAC 软件模拟了对隧道的影响，结果表明支护单元与围岩接触更符合工程实际；郑蕾[10]对于层状岩石的倾角效应，用理论分析—室内试验相结合的方法，从层状岩石的结构特征入手，研究了层状岩石的各向异性及横观各向同性特征；林新等[11-12]对层状复合岩石开展单轴和三轴试验并对其应力-应变特性进行讨论。

随着矿井开采、交通隧道等工程越来越向深部发展， 层状复合岩石稳定性问题越来越受到重视。为了更准确地掌握层状复合岩石的性能，本文以界面层倾角、围压、界面层间距作为影响因素，进行了白砂岩、红砂岩、青砂岩组合的层状岩石的三轴压缩试验，研究了岩石在不同受力情况的材料参数及力学性能，并加以理论分析。

1 试件制作及试验方案

试件选用青砂岩、红砂岩、白砂岩3 种材料采用云石胶粘接而成，界面层倾角分别为0°，15°，30°，45°，界面层间距d 分别为10，15，20 mm。 试件为直径50 mm，高100 mm 的标准圆柱体，部分试件如图1 所示。

图1 复合岩石试件Fig.1 Composite rock specimen

试验采用ZTR-2000 微机控制岩石三轴测试系统加载，最大试验力不低于2 000 kN，如图2 所示。 加载方式采用位移控制， 轴向加载速率为0.03 mm/min， 控制目标2 mm； 围压加载速率0.2 MPa/s， 常规三轴加载初期采用静水压力条件加载至预定围压，然后伺服控制围压，围压控制分别为10，15，20 MPa。

图2 ZTR-2000 岩石三轴测试系统Fig.2 ZTR-2000 Rock triaxial test system

2 试验结果及分析

试验得到了各试件的三轴抗压强度。 如表1 为相同界面层间距（10 mm）不同围压、不同界面层倾角；表2 为相同界面倾角（45°）不同层面间距、不同围压的实验结果。

表1 相同界面层间距三轴抗压强度Tab.1 Triaxial compressive strength of the same interlayer spacing MPa

表2 不同界面层间距三轴抗压强度Tab.2 Triaxial compressive strength of different interlayer spacing MPa

试验结果表明，层状复合岩石的强度受界面层倾角、围压和界面层间距的影响。在相同围压、相同界面层间距下，复合岩石的抗压强度随着界面层倾角的增大而减小， 倾角为30°时强度最小， 倾角为45°时强度又有所回升，但仍低于0°倾角的强度值。由表1 可知，围压为10 MPa，界面层倾角为45°时，相较于界面层倾角0°的岩样，三轴抗压强度下降了26.18%；同理，围压为15 MPa，倾角45°比倾角0°的岩样强度下降了5.21%； 围压为20 MPa， 倾角45°比倾角0°的岩样强度下降了2.84%。 造成岩样强度下降的主要原因是岩样受压破坏时，其剪切破坏面与界面层接近或重合所致。实验发现界面倾角为30°时，试验破坏面与界面弱面层重合，所以强度最低。

当界面层间距和界面层倾角一定时，随着围压的增大，岩样的抗压强度逐渐上升。 图3 为界面层间距为10 mm 时，不同界面倾角的试件三轴压缩强度随围压变化的情况。 由图3 可知，界面层倾角为0°时，围压20 MPa 和15 MPa 抗压强度提高比围压10 MPa 的强度提高了11.28%，4.94%；同理，界面层倾角为15°时，强度分别提高2.47%，32.58%；界面层倾角为30°，强度分别提高2.73%，13.04%；界面层倾角为45°时，强度分别提高42.90%，7.57%。 在三维受压情况下， 围压约束了岩样的侧向位移，产生了套箍效应，提高了岩样的抗压能力。 图4 是界面倾角为45°时， 不同界面层间距的试件强度随围压变化情况。 同样也可以看出，随着围压提高，三轴抗压强度提高。

图3 界面层间距10 mm 时围压对强度的影响Fig.3 Influence of confining pressure on strength when interface layer spacing is 10 mm

图4 界面倾角45°时围压对强度的影响Fig.4 Influence of confining pressure on strength at 45° interface angle

3 层状复合岩石的破坏分析

假设界面层为理想弹塑性体， 屈服条件满足Mohr-Coulomb 准则，受应力作用（σ1＞σ2=σ3），界面层与最大主应力方向呈α 夹角，如图4（a）所示。 当作用在界面层上的法向及切向应力满足屈服条件，并且界面层与最大主应力σ1夹角α 满足α1≤α≤α2时，层状岩石将沿界面层发生塑性滑移；当α＜α1或α＞α2并满足屈服条件时， 破坏将在岩石内部发生，界面层对层状复合岩石强度的影响不大。 α1，α2的大小与界面层内摩擦角θj，粘聚力Cj及岩体的应力状态有关。 根据图4（b）中的几何关系有

当界面层处于极限平衡应力状态时，作用在界面层上的法向应力σ 和切向应力τ 满足Mohr-Coulomb 准则，则主应力满足

由于岩石本身的粘聚力和内摩擦角大于界面层的粘聚力和内摩擦角，岩样破坏时满足

式中：Nθr＝（1＋sinθr）/（1-sinθr）；cr，θr分别为岩石的粘聚力和内摩擦角[13-15]。

根据Mohr-Coulomb 理论计算出岩样的内摩擦角和粘聚力，并代入式（1）～式（4），计算得α1，α2见表3，表4。 根据上述理论判断：倾角0°，15°，30°岩样发生内部破坏；倾角45°，界面层间距10 mm 的岩样发生沿界面层滑移的塑性破坏；倾角45°，界面层间距15 mm 和20 mm 情况下发生内部破坏，试件的破坏准则如图5 所示， 破坏状态如图6 所示。图5 中θ，P 为界面的应力状态点；α1，α2为界面层倾角；θr为内摩擦角；cr，cj分别为岩石极限强度下的粘聚力和界面层强度粘聚力；σ1为X 轴局层应力；σ2为Z 轴压应力；M 为Mohr 应力圆心。

图5 层状复合岩石破坏准则Fig.5 Failure criterion of layered composite rock

图6 复合岩石试件破坏状态Fig.6 Rock sample failure state

表3 界面层间距10 mm 时的岩样力学参数Tab.3 Mechanical parameters of rock samples when the interfacial layer spacing is 10 mm

表4 倾角45°时的岩样力学参数Tab.4 Mechanical parameters of rock samples at an inclination angle of 45°

4 结论

利用ZTR-2000 微机控制岩石三轴测试系统，在不同的围压作用下对不同界面层倾角、不同界面层间距的层状复合岩石进行了试验，结论如下：

1） 在围压和界面层间距不变的情况下，界面层倾角从0°到45°， 岩样的轴向抗压强度随角度增大而减小。 在界面层倾角和界面层间距不变的情况下，围压从10～20 MPa，岩样的轴向抗压强度随围压的增大而增大。

2） 在围压10 MPa 时，界面层间距由10～20 mm，岩样的轴向抗压强度随界面层的间距增大而增大；在围压15 MPa 和20 MPa 时，轴向抗压强度变化不明显。 界面层间距增大的情况下，岩样的弹性模量呈现先增大后减小的规律，与围压的变化无关。

3） 理论分析试件破坏与界面层倾角、界面层间距的关系。 界面倾角为0°，15°，30°的试件发生内部破坏；界面倾角45°，界面层间距10 mm 时，发生沿弱界面层的剪切破坏； 界面层间距15 mm 和20 mm 发生内部破坏。