层理倾角对黑云变粒岩强度与纵波波速影响的试验研究_梁冰.pdf

层理倾角对黑云变粒岩强度与纵波波速影响的 试验研究 梁冰 1， 2 夏冬 1， 2， 3 贾淯斐 1， 2 吴朝松 1， 2， 3 李宏 1， 21 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063210； 3. 唐山市矿区生态恢复产业技术研究院， 河北 唐山 063210） 摘要为探究层理倾角对岩石强度、 变形及纵波波速的影响规律， 以研山铁矿东帮边坡层状黑云变粒岩为 研究对象， 对层理倾角为 0、 15、 30、 45、 60、 75和 90的岩样进行单轴压缩、 巴西劈裂、 直剪和纵波波速测试试 验。结果表明 单轴抗压强度均值的最大值和最小值对应的层理倾角分别为0和60； 倾角为45时弹性模量最小， 60时次之， 0时最大； 层理倾角为60时泊松比最大， 15时最小； 随层理倾角的增加， 抗拉强度逐渐减小； 黏聚力和 内摩擦角最大值和最小值对应的层理倾角分别为90和0； 平行层理方向的波速大于垂直层理方向的波速， 纵波在 岩样中的传播速度与层理倾角呈线性增加关系。研究成果为研山铁矿顺倾边坡稳定性分析提供基础数据。 关键词层理倾角黑云变粒岩强度参数纵波波速各向异性 中图分类号TD315文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-034-06 DOI10.19614/ki.jsks.201912005 Experimental Study on Influence of Bedding Dip on Strength and P-wave Velocity of Biotite Granulite Liang Bing1， 2Xia Dong1， 2， 3Jia Yufei1， 2Wu Zhaosong1， 2， 3Li Hong1， 22 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science Technology， Tangshan 063210， China； 2. Hebei Province Mining Industry Development with Safe Technology Priority Laboratory， Tangshan 063210， China； 3. Tang- shan Mining Industry of Ecological Restoration Technology Research Institute， Tangshan 063210， China） AbstractIn order to study the influence of bedding dip on rock strength， deation and P-wave velocity， and taking the layered biotite granulite from the eastern slope of Yanshan Iron Mine as the research object， tests of uniaxial compression， Brazilian splitting，direct shear and P-wave velocity were carried out on rock samples with bedding dip angles of 0，15，30， 45，60，75 and 90 degrees. The results show that the maximum and minimum of the mean value of uniaxial compressive strength correspond to the bedding dip angles of 0 and 60 respectively. the modulus of elasticity at 45 is minimum，followed by the dip angle at 60，but is maximum at 0. Poissons ratio is maximum at 60 and minimum at 15 respectively. With the increase of bedding dip angle，the tensile strength decreases gradually. The maximum and minimum of cohesion and internal friction angles correspond to bedding dip angles of 90 and 0， respectively. The wave velocity in parallel bedding direction is higher than that in vertical bedding direction. The propagation velocity of P-wave in rock samples increases linearly with bed- ding dip. The research results provide basic data for stability analysis of bedding slope in Yanshan Iron Mine. KeywordsBedding dip， Biotite granulite， Strength parameters， P-wave velocity， Anisotropy 收稿日期2019-06-04 基金项目河北省自然科学基金项目编号 E2018209281。 作者简介梁冰1986， 男， 讲师， 博士研究生。通讯作者夏冬 （1981） ， 男， 讲师， 博士。 层状岩石是各向异性特征极为明显的一类特殊 岩石， 国内外已有的研究成果表明 ［1］， 层理的存在， 对 岩石和岩体的力学性质产生显著的弱化作用， 同时， 层理面也是工程岩体失稳的控制弱面， 因此， 开展含 层理岩石力学特性试验研究具有重要的理论意义和 实际的工程应用价值。 目前， 国内外学者在层理对岩石物理力学参数 的影响方面开展了大量的理论与实验方面的研究工 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 522 December2019 34 ChaoXing 作 ［2-12］。邓华锋等［3］开展了不同层理倾角砂岩的巴西 劈裂试验， 发现层理倾角对各种层状岩石抗拉强度 的影响规律基本一致； 衡帅等 ［4-5］对页岩开展了直剪 试验、 单轴和三轴压缩条件下各向异性特征的试验 研究， 揭示了页岩破坏机制的各向异性； 唐欣薇等 ［6］ 对层状岩石微观结构表征及劈裂受载各向异性行为 开展了系统的研究工作， 发现层状岩石的破裂模式 和力学性能均存在明显的各向异性特征； 潘睿等 ［7］基 于能量分析方法， 对层状岩石断裂能各向异性开展 了相关的研究， 发现垂直层理和平行层理方向上断 裂能差异显著； Debecker等 ［8］的研究成果表明， 层理、 片理等结构面对岩石各向异性特征具有重要影响； Tavallali等 ［9］发现层理方向和微观组构对砂岩强度和 破坏模式具有重要影响； Walter ［10］的研究成果表明， 在层状岩石中， 应力与波速存在一定的对应关系； Vervoort等 ［11］研究发现， 岩石的破坏模式、 抗拉强度 等参数与岩石的层理倾角呈一定的对应关系； 腾俊 洋等 ［12］系统地研究了层理和水耦合作用对页岩抗拉 强度的影响规律， 发现抗拉强度受控于层理面与加 载方向。 上述研究成果表明， 层理倾角对岩石抗拉、 抗 压、 抗剪强度及波速等物理力学参数均具有显著影 响。对于含层理的岩体， 岩体各向异性在岩体工程 稳定性分析计算中不可忽视。为了系统地研究层理 倾角对岩石力学特性、 纵波波速的影响规律， 本项目 以研山铁矿东帮边坡层状黑云变粒岩为研究对象， 分别对层理角度为0、 15、 30、 45、 60、 75和90的 岩样进行单轴抗压强度试验、 劈裂试验、 直剪试验和 纵波波速测试试验， 研究单轴抗压强度、 抗剪强度、 抗拉强度、 纵波波速与倾角的对应关系， 以期为后继 顺倾边坡稳定性分析提供基础数据。 1试样制备及试验方法 1. 1试样制备 试验所用岩样均取自研山铁矿东帮边坡， 该边 坡为顺倾边坡， 岩体倾角对边坡稳定性产生不良影 响， 取样点位置如图1所示。 将工程现场选取的含层理的大块岩样运抵华北 理工大学矿业工程学院岩石力学实验室后， 进行试 验岩样的加工工作， 取样示意图及钻取的代表性岩 样如图2所示。 用于单轴抗压、 抗剪强度的岩样为直径50 mm、 高100 mm的标准圆柱体试件， 层理倾角与水平面的 夹角分别为0、 15、 30、 45、 60、 75和90 （如图3所 示） ； 用于抗拉强度的岩样为高50 mm、 直径25 mm的 圆盘状试件 （如图4所示） 。 1. 2微观结构分析 岩石产生各向异性的根本原因是岩石内部存在 层理， 每个层理边界为弱面边界。为了解黑云变粒 岩中层理面的分布情况， 采用徕卡DM4000型显微镜 对岩石光片样本进行观察， 以便了解岩石内部矿物 颗粒的分布情况。岩石光片样本和不同放大倍数的 观察结果分别如图5和图6所示。 由图5和图6可见， 含铁矿物与石英等脉石矿物 相对集中分布， 构成黑白相间的条带， 条带间含铁矿 物与石英夹杂出现， 初步观察到的条带宽度约 0.5 mm～2 mm不等。由图6可见， 样本中主要为粒状变 晶矿物， 含云母矿物成分， 该成分主要沿条带边界分 梁冰等 层理倾角对黑云变粒岩强度与纵波波速影响的试验研究2019年第12期 35 ChaoXing 布， 含量约为10。 2试验结果及分析 2. 1单轴抗压强度试验结果与分析 对层理倾角为0、 15、 30、 45、 60、 75和90的 岩样进行单轴压缩试验， 每组岩样不少于5个， 试验 过程中， 采用位移控制加载的方式加载， 加载速率为 0.18 mm/min。不同层理倾角岩样的单轴抗压强度试 验结果如图7所示。 由图7可见， 层理倾角对岩样单轴抗压强度具有 显著影响。层理方向与施加载荷方向垂直时， 岩样 单轴抗压强度的平均值最大， 层理方向与载荷方向 呈30角时， 即岩样的层理倾角为60时， 岩样单轴抗 压强度的平均值最小。从试验结果可以看出， 即便 是同一层理倾角的岩石， 其单轴抗压强度的离散性 也较大， 这就要求每组岩样不少于5个， 以便降低试 验结果离散性对整个试验规律的影响。层理倾角除 对岩样单轴抗压强度产生显著的影响外， 对其破坏 模式同样产生重要影响， 层理倾角为0时， 岩样以单 斜面剪切破坏为主， 发生剪切破坏后， 裂纹沿个别水 平层理继续扩展而形成贯通裂纹； 层理倾角为15、 30时， 岩样的破坏模式仍以单斜面剪切破坏为主， 在 产生贯通性裂纹的同时， 岩样端部沿层理方向出现 数量不等的局部裂纹， 但此处裂纹仅有少量贯通； 层 理倾角为45、 60和75时， 岩样的破坏模式以沿层理 面发生滑动破坏为主； 层理倾角为90时， 即层理方 向与受荷方向平行时， 岩样以沿节理面发生张拉破 坏为主。 为分析层理倾角对弹性模量的影响规律， 在进 行单轴抗压强度试验的同时， 测试了岩样的弹性模 量， 不同层理倾角岩样的弹性模量如图8所示。 由图8可见， 层理倾角对黑云变粒岩弹性模量影 响显著， 不用层理倾角岩样弹性模量均值的变化范 围为10.1～15.2 GPa。层理倾角由0增加到45时， 弹 性模量随层理倾角的增大而减小， 层理倾角由45增 加到90时， 弹性模量总体呈增大趋势。45时岩样的 弹性模量最小， 0时岩样的弹性模量最大。 为分析层理倾角对黑云变粒岩泊松比的影响规 律， 在进行单轴抗压强度的同时， 测试了岩样的泊松 比， 不同层理倾角岩样的泊松比如图9所示。 由图9可见， 层理倾角由0增加到60时， 泊松比 金属矿山2019年第12期总第522期 36 ChaoXing 随倾角的增大而增加， 层理倾角由60增加到90时， 泊松比随倾角的增大而减小， 层理倾角为60时， 泊 松比最大， 倾角为15时， 泊松比最小， 最大值与最小 值比值为1.4。 2. 2抗拉强度试验结果与分析 采用巴西劈裂试验测试层理倾角为0、 15、 30， 45、 60、 75和90岩样的抗拉强度， 试验时， 加载方 向与层理的夹角分别为0、 15、 30、 45、 60、 75和 90。试验时采用位移控制的加载方式加载， 加载速 率为0.18 mm/min， 圆盘加载直至破裂为止。不同层 理倾角岩样的抗拉强度如图10所示。 由图10可见， 层理倾角对岩样抗拉强度具有显 著影响， 随层理倾角的增加， 岩样的抗拉强度值逐渐 减小； 层理倾角与加载方向垂直时， 岩样的抗拉强度 最大， 而层理倾角与加载方向平行时， 抗拉强度最 小， 从巴西盘的破裂模式来看， 0与90两种倾角下圆 盘的破坏模式相似， 即主裂纹沿加载方向扩展， 而0 情况下， 裂纹主要沿着强度较高的岩石材料扩展， 在 此情况下， 可视为岩石基质的抗拉强度， 其均值为 11.7 MPa， 而90情况下， 裂纹沿着强度较弱的层理面 张拉、 扩展， 可以视为层理面的抗拉强度， 巴西盘强 度均值仅4.4 MPa， 前者为后者2.7倍。当层理倾角为 0、 30时， 主裂纹主要沿加载方向扩展， 同时出现了 一些沿层理方向的裂纹； 当层理倾角为45、 60、 75 时， 裂纹扩展主要表现为沿加载方向和层理面方向 组合扩展， 尤其60与75最为明显， 分析原因是， 巴 西盘端部承受压剪作用， 层理面是弱层面， 当剪应力 超过层理面强度后， 发生局部剪切破坏。综合分析 不同层理角度黑云变粒岩的劈裂破坏模式可知， 当 层理倾角小于45时， 主裂纹主要沿加载方向由圆盘 中心扩展； 当层理倾角超过45后， 裂纹一方面沿加 载方向由圆盘中心扩展， 并出现明显的沿层理面扩 展裂纹。 2. 3抗剪强度试验结果与分析 为研究层理倾角对岩样抗剪强度的影响规律， 采用YAW-300微机控制电液伺服岩石直剪试验机， 对层理倾角为0、 15、 30、 45、 60、 75和90的黑云 变粒岩标准岩样进行抗剪强度试验。根据取样位置 的工程压力， 将法向载荷按等差级数分为 5 kN、 10 kN、 15 kN、 20 kN、 25 kN， 以10 kN/min施加剪切载荷 直至试样破坏。试验过程中， 保持法向应力为设定 的恒定值， 法向应力和剪应力的加载速率均为 10 kN/min。试验机构造及剪切盒原理如图11所示。 根据各剪切阶段特征点的剪应力和法向应力 值， 采用最小二乘法计算不同层理倾角岩样的黏聚 力和内摩擦角， 计算公式如下 tanφ N∑ i 1 N σiτi-∑ i 1 N σi∑ i 1 N τi N∑ i 1 N σ2 i - ∑ i 1 N σi2 ,（1） c ∑ i 1 N σ2 i∑ i 1 N τi-∑ i 1 N σi∑ i 1 N σiτi N∑ i 1 N σ2 i - ∑ i 1 N σi2 ,（2） 式中，N为岩样个数；σi为作用于i岩样剪切面上的法 向应力；τi为作用于i岩样剪切面上的剪应力。根据 上式， 可得不同层理倾角黏聚力内摩擦角关系 曲线如图12所示。 梁冰等 层理倾角对黑云变粒岩强度与纵波波速影响的试验研究2019年第12期 37 ChaoXing ［1］ 由图12可见， 层理倾角同样对岩样黏聚力和内 摩擦角产生重要影响， 在0情况下， 黏聚力和内摩擦 角最小， 其值分别为3.4 MPa和34.4， 产生这种现象 的主要原因是当层理方向与剪应力方向相同时， 剪 切裂纹主要沿节理面产生， 岩样基本沿层理发生剪 切破坏； 在 90情况下， 岩样的黏聚力最大， 其值为 10.2 MPa， 这主要是因为岩样剪切破坏垂直于层理， 黏聚力相对较高， 这说明， 由于层理抗剪强度较低， 因此水平分布层理岩样的黏聚力和内摩擦角均低于 垂直层理分布情况。在15的情况下， 岩样的黏聚力 和内摩擦角分别为7.3 MPa和44.4； 在75的情况下， 岩样的黏聚力和内摩擦角分别为 8.1 MPa 和 42.2。 这说明层理倾角为15和75时， 岩样的黏聚力和内 摩擦角接近， 这主要是因为， 岩样在这2个角度情况 下， 剪切裂纹仍沿节理面方向扩展。在 30的情况 下， 岩样的黏聚力和内摩擦角分别为 6.7 MPa 和 49.8； 在60的情况下， 岩样的黏聚力和内摩擦角分 别为6.8 MPa和46.6。层理倾角为30和60时， 岩样 的黏聚力和内摩擦角接近， 这主要是因为当倾角为 30和60时， 破坏面整体上沿剪切方向， 局部出现沿 节理方向的剪切裂纹。层理角度为45时， 岩样的黏 聚力和内摩擦角分别为8.4 MPa和34.8， 该角度下， 岩样首先沿层理面发生张拉破坏， 继而沿剪切面发 生剪切破坏。 2. 4纵波波速试验结果与分析 为研究层理倾角对超声波纵波在岩样内部传播 的影响规律， 采用TICO超声波测试系统， 对层理倾角 为0、 15、 30、 45、 60、 75和90的黑云变粒岩标准 岩样进行纵波波速测试， 测试结果如图13所示。 由图13可见， 层理倾角对纵波在岩样内部的传 播速度具有显著影响， 随层理倾角增加， 纵波在岩样 内部的传播速度呈增大趋势， 层理方向与纵波传播 方向垂直时， 波速最小， 而与层理方向平行时， 波速 最大。由图13还可以发现， 即便岩样的层理倾角相 同， 但纵波波速仍存在较大的差异， 导致这种现象的 原因主要有两方面 一方面是岩样本身存在不均匀 性， 且节理倾角并未完全与预期的一致； 二是岩样内 部存在其他的层理。 3结论 （1）层理倾角对岩样单轴抗压强度、 弹性模量和 泊松比均具有显著影响。单轴抗压强度均值的最大 值和最小值对应的层理倾角为0和60； 层理倾角为 45时岩样的弹性模量最小， 0时最大； 层理倾角为 60时泊松比最大， 15时最小， 泊松比的最大值与最 小值之比为1.4。 （2）层理倾角对岩样的抗拉和抗剪强度具有显 著影响。随着层理倾角增加， 抗拉强度值逐渐减小； 在0时， 岩样黏聚力和内摩擦角最小， 在90时， 岩样 的黏聚力最大； 15和75时， 岩样的黏聚力和内摩擦 角接近， 30和60时， 情况同样如此。 （3）通过声波波速测试， 不同节理倾角下波速存 在一定差异。层理方向与测试方向垂直时波速较 小， 随着倾角增加， 波速逐渐升高； 当层理方向与测 试方向平行时， 波速相对较高。平行层理方向的波 速大于垂直层理方向的波速， 声波在节理试样中波 速与层理倾角呈线性增加关系。 （4）层状岩石受力后的破坏模式各向异性特征 明显。岩样单轴受压破坏过程中， 层理倾角为 0～ 30时， 岩样以单斜面剪切破坏为主， 倾角为45～75 时， 岩样以沿层理面发生滑动破坏为主， 倾角为90 时， 岩样以沿节理面发生张拉破坏为主。 参 考 文 献 杨振琦， 邓文学， 张鹏海， 等.层理倾角对黑云变粒岩声发射特 征的影响 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2016， 33 （3） 521-527. 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