不同岩相页岩孔隙结构特征（页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究）
不同岩相页岩孔隙结构特征（页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究）国家自然科学基金项目(51469007);基金：作者简介：莫云川(1996—) 男，硕士研究生，研究方向为地质工程。E-mail:1813784471@qq.com;*左双英(1977—) 女，教授，博士，主要从事地质工程方面的教学和科研工作。E-mail:syzuo@gzu.edu.cn;
摘 要：
针对次生断裂构造挤压形成倾角差异的外倾单斜页岩，通过原位直接剪切试验，研究页岩结构面抗剪强度特性与裂缝扩展模式。试验结果表明：页岩结构面剪切应力与剪切位移曲线具有明显的阶段性，当结构面倾角处于24°～30°时，岩体存在峰值强度与残余强度阶段，当结构面倾角处于30°～38°时，岩体处于无残余强度阶段；页岩压剪裂缝扩展形态主要有4种，即沿单一层面开启的单裂缝、沿多个层面开启的裂缝网、贯穿基质体的转向裂缝，以及沿天然裂缝尖端开启的裂缝；胶结较弱的结构面易形成裂缝，岩层薄弱处易发生裂缝方向转向并形成贯穿多个层面的“台阶状”裂缝网，在主裂缝周边会产生定向排列的“雁列式”裂缝，进一步扩展与结构面贯通，使得岩体形成多条贯通性裂缝；页岩结构面压剪试验裂缝贯通模式为结构面剪切贯通裂缝、基质体张拉贯通裂缝、天然裂缝处张拉贯通裂缝、拉剪复合型贯通裂缝。研究成果有利于进一步认识倾斜岩层层面剪切力学特性，为顺层岩质边坡稳定性评价提供参数。
关键词：
层状页岩;现场直接剪切试验;强度特性;裂缝扩展模式;
作者简介：
莫云川(1996—) 男，硕士研究生，研究方向为地质工程。E-mail:1813784471@qq.com;
*左双英(1977—) 女，教授，博士，主要从事地质工程方面的教学和科研工作。E-mail:syzuo@gzu.edu.cn;
基金：
国家自然科学基金项目(51469007);
贵州省科学技术基金重点项目(黔科合基础[2020]1Z052);
引用：
莫云川，左双英，吴占廷，等． 页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 3) : 134-143.
MO Yunchuan，ZUO Shuangying，WU Zhanting，et al． Experiment study on in-situ shearing characteristics and crack propagation of shale structural plane ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 3) : 134-143.
0 引 言
结构面的存在往往会削弱岩体的强度，对岩体结构面强度特征与裂纹扩展形态的研究可以促进对岩体破坏模式的认识。为研究层状岩体的强度和变形特性，许多学者进行了大量的研究工作。何沛田等开展层理页岩单轴抗压强度试验，表明岩体各向异性十分明显，其强度和变形受该岩块的层理结构面控制。李芷、衡帅等基于水力压裂作用对层理页岩裂缝形成规律与机制进行了研究，指出层理方位对页岩水力裂缝形成过程有较大影响。彭光忠研究单轴压应力下页岩岩块的结构面方向与其力学特性的关系，得出岩体结构面方向与其力学特性有着密切的关系。NIANDOU等研究了Tournemire页岩的力学各向异性，并将其破裂模式分为剪切破坏和张拉破坏。NIMA等进行剪切试验，研究节理面剪切破坏形态特征及规律。MENG等研究深埋隧道结构面剪切破坏特征，对各正应力状态下闭合花岗岩节理进行剪切试验，并基于声发射b值预测结构面剪切破坏。WANG等开展了分层花岗岩的直剪试验，得出法向应力与结构面倾角的剪切强度关系，并最终运用数值模拟进行对比分析得出剪切强度与破坏模式。CAREY等研究Utica页岩的裂缝渗透行为，运用X射线断层扫描观测层状页岩室内直剪条件下裂缝网络。FRASH通过三轴直剪法与X射线成像相结合方法，进行硬石膏和页岩的剪切试验，分析了剪切破坏后所形成的裂缝形态与受力状态。MICHAEL等通过研究断层面随拉伸破坏向剪切破坏的变化，总结出拉伸实验显示裂缝为张开断裂；拉剪实验表现出张开断裂与剪切性断裂；而剪切破坏实验几乎只显示剪切性断裂。杨征对层理页岩进行拉伸与压缩剪切破坏试验，通过微观分析得出页岩破裂过程是由微裂隙的张开、扩展和连通组成，在裂纹尖端出现的应力集中现象引发新的裂纹扩展，而页岩基质颗粒在裂纹扩展的过程中扮演着诱导和牵引的作用。衡帅等开展不同法向应力下室内直剪试验，探讨页岩各层理角度下裂缝扩展演化机制，指出剪应力诱导张拉作用使剪切面形成雁列状微裂缝，并最终相互贯通后形成锯齿状破裂面。冉耀等对直立岩质边坡硬岩、较硬岩和软岩进行现场原位直剪试验，得出硬岩剪切过程出现“台阶”型破裂面，较硬岩出现“波浪”型破坏面，软岩剪切面则较为平整。由此可知，以往研究主要集中在页岩各向异性及剪切破坏模式的室内试验上，而对页岩天然结构面现场大尺度力学试验及裂缝扩展演化机制研究较少。因此，有必要结合实际工程场地条件进行页岩结构面现场试验研究，进一步认识其力学性质及破坏模式。
本文拟针对次生断裂小构造挤压变形形成的有倾角差异的外倾单斜含层理页岩，通过现场原位剪切试验，设计不同法向力和水平力加载，研究页岩结构面抗剪强度特性与裂缝扩展模式，探讨页岩结构面与基质体剪切、扩张、贯通等受力特征，指出裂缝形成与破坏规律，为进一步认识页岩顺层高边坡变形及失稳机制提供理论依据。
1 试样制备1.1 工程地质概况
贵州省黔东南州剑河县某房开项目北侧开挖边坡为下寒武系九门冲组薄层状黑色碳质页岩，方解石脉发育，小构造挤压造成岩体破碎，岩层单斜产出倾向坡外，倾角在20°～40°之间变化(见图1)。对于此类高边坡，结构面的存在对边坡稳定性具有重要的影响。考虑到层状页岩取样较为困难，且易扰动破坏试样原始状态，为获取更加符合工程实际情况的力学参数，决定开展原位剪切试验。
图 1 原位剪切试验现场
1.2 试样制备
岩体结构面对强度、变形、破坏机制及破坏裂缝扩展形态等起着重要作用。根据前人研究表明，岩石裂缝扩展主要有张拉作用、剪切作用及张拉-剪切复合作用3种破坏模式。本文欲采用现场原位大型剪切试验进一步探讨原位剪切试验条件下页岩结构面力学性质及裂缝的扩展演化规律。
为减少扰动，在中心间隔3 m的位置采用切割机分段切割，形成50 cm×50 cm×70 cm立方体试样7个。试样表面局部脱落部位采用低强度水泥浆进行填补。部分加工完成试样如图2所示，岩层层理与倾角明显，试样局部有天然裂缝存在，部分层面张开且未胶结。根据勘察报告，岩体基本物理力学参数为：密度2.66 g/cm3 单轴抗压强度13.68 MPa 弹性模量1.06×104 MPa 泊松比0.26。
图 2 部分加工完成试样 图 2 部分加工完成试样
2 试验方案2.1 试验设备
根据现场实际情况，本次原位剪切试验所采用的试验系统为现场组装完成，所用试验器材如表1所列，试验装置如图3所示。采用2台千斤顶加载，反力架采用两根工字钢组合并与地锚连接，采用两个位移传感器对水平与垂向位移进行采集，数据记录仪为YY-8型岩土数据采集仪。先安装垂向承压板，然后安放垂向千斤顶，调整好千斤顶位置，确保其正好处于试样中心。安装反力架，将工字钢的高度调整到将要接触垂向千斤顶以便将反力架固定。最后安放水平千斤顶，将两位移传感器安放到指定位置。仪器组装完成后，应对试验系统进行调试。试样结构面方位、剪切方向及受力情况如图4所示，在进行7组不同结构面倾角页岩试样剪切时，应保证在水平力逐渐增加时，结构面上的正应力保持不变。
图 3 剪切试验加载系统 图 3 剪切试验加载系统
图 4 页岩受力及结构面方位示意 图 4 页岩受力及结构面方位示意
2.2 加载方案设计
现场原位剪切试验相比于室内直剪试验，其加载方式需做调整。本次试验采用平推法，结合试验现场岩体结构面特征，岩体试样的试验步骤如下：
步骤1 根据结构面倾角与加载方向计算出结构面所受法向应力与切向应力，即
式中，F为承压板面积；α为结构面倾角。
为保证结构面所受正应力σ法不变，根据结构面倾角关系，设定正应力大小如表2所列。施加正应力采用4～6级逐级施加，记录每级荷载下位移变化，待其稳定之后进行水平推力加载。由式(3)可知，当σh逐渐增大时，要想控制σ法为一常数，需同时增加σv应力。水平荷载初始施加油压表0.5 MPa 垂直荷载施加可根据式(3)换算得出，水平与垂直荷载应同时施加，待位移稳定记录数据。
步骤2 以油压表1.5 MPa的大小逐级施加水平荷载，并由式(3)换算之后施加垂直荷载，每级荷载下位移稳定后进行数据记录，直至千斤顶表盘数据急剧下降或岩体出现明显的结构破坏。
步骤3 待岩体试样发生破坏后停止试验，并进行岩体试样宏观破裂现象采集。
3 试验结果分析3.1 剪切应力-剪切位移-法向位移曲线
根据现场试验结果，绘制出剪切应力-剪切位移-法向位移曲线如图5所示，页岩的剪切破坏呈现出明显的阶段性，主要表现为：(1)加载初期，试样剪切应力-剪切位移曲线斜率较小，而剪切位移-法向位移曲线斜率较大，分析可知页岩结构面受到外力作用压密，故法向位移增加较快，而剪切应力增加缓慢；(2)随着页岩结构面达到完全闭合状态，结构面法向位移增加量逐渐减小，此时结构面受剪切应力作用，剪切位移随之增加；(3)当结构面倾角较小(24°～30°)时，峰值强度之后，剪切应力不再增加，随着结构面法向位移与剪切位移的增加剪切应力不断下降，岩体进入残余强度阶段，剪切应力达到一个稳定值，当结构面倾角较大(30°～38°)时，剪切应力-剪切位移曲线变化平缓，无残余强度，法向位移增加迅速。
图5 剪切应力－剪切位移－法向位移关系 图5 剪切应力－剪切位移－法向位移关系
续图5 剪切应力－剪切位移－法向位移关系 续图5 剪切应力－剪切位移－法向位移关系
综合图5可知，曲线存在法向位移与剪切位移变化小而剪切应力快速增加的阶段。由此可知，当岩体未形成裂缝时岩体位移变化量较小，且随着外力的作用，结构面所受剪切应力快速增加；当形成裂缝之后岩体发生较大位移变化，且剪切应力增加缓慢。
3.2 结构面剪切强度
根据数据整理结果，试验峰值强度与残余强度如表3所列。根据Coulomb定律，其实质是岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，即抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的黏结力和剪切面上法向应力产生的摩擦力，用公式表示为
式中，c为结构面的黏聚力；φ为结构面内摩擦角。
如图6所示，两条拟合直线分别表示峰值强度和残余强度参数，其中残余强度采用24°～30°四组残余数据拟合。根据拟合可得岩体结构面抗剪强度参数如表4所列，页岩结构面峰值黏聚力186.0 kPa 峰值内摩擦角42.30° 且结构面倾角为24°～30°存在残余黏聚力172.29 kPa 残余内摩擦角25.50°。
图 6 页岩抗剪强度曲线 图 6 页岩抗剪强度曲线
图 7 抗剪强度与结构面倾角曲线关系
考虑7组结构面倾角及所受正应力不同，可得到结构面峰值强度、残余强度与结构面倾角关系曲线。如图7所示，结构面倾角在24°～30°范围内时，岩体峰值强度较大，且残余强度跟随峰值强度波动，有增大趋势。当结构面倾角过了30°之后，岩体峰值强度迅速下降，且不存在残余强度阶段。由此可知，对于顺层临空高边坡，其结构面倾角对岩体强度具有较大影响。
图 7 抗剪强度与结构面倾角曲线关系 图 7 抗剪强度与结构面倾角曲线关系
3.3 裂缝扩展演化规律
现场原位剪切试验相较于室内直剪试验克服了试样结构面扰动小，对含结构面试样难以取样等困难，还原试样真实情况，其破坏形态更能真实反映工程实际情况。
如图8(a)和图8(b)所示，当结构面倾角为28°与24°时，受压剪作用裂缝主要贯穿页岩基质体，其中部分结构面张开。裂缝形成的方向并非沿单一方向扩展，当遇到结构面时裂缝扩展方向发生偏转，结构面的存在影响裂缝在页岩基质体中的扩展。对于形成的主裂缝，其张开度较大，且试样局部基质体表面出现微裂缝。
图8 裂缝扩展模式 图8 裂缝扩展模式
如图8(c)所示，结构面倾角为37°时，裂缝沿结构面扩展，岩体发生剪切滑移，且试样表面并未出现其余新裂缝，可以知道试样剪切强度受控于单一结构面强度，且在剪切滑面上存在层面岩石受拉而发生的断裂。
从图8(d)可看出，当结构面倾角为38°时，裂缝受结构面倾角影响沿多个结构面扩展，且存在结构面之间较薄基质体被剪断贯通，形成类似于“台阶状”的裂缝形态，裂缝扩展方向也由此发生不断转向。结合基质体厚度考虑，对于较厚的基质体则很难形成“台阶”状裂缝，表明基质体强度较高，相较于薄层更难形成裂缝。主裂缝受压剪作用呈张开状态，表明裂缝形成时受到张拉作用。裂缝周围存在许多微裂缝贯穿结构面，并沿层面方向与垂直于层面方向分布。
通过描绘页岩结构面剪切时裂缝的扩展、连接、贯通形态特征(见图9)可见，含不同倾角结构面页岩剪切破坏形态表现出明显的各向异性特征。裂缝扩展形态与加载方式、结构面倾角、岩层厚度及天然裂缝等因素有关。分析页岩剪切时的裂缝形态与结构面倾角及加载方向的关系可以发现，页岩结构面剪切破坏机制主要为：岩体层面为裂缝扩展的主要方式，其次是薄层的基质体被贯穿，部分较厚基质体在压剪作用下形成裂缝贯穿岩体，沿天然裂缝继续扩展。当结构面倾角较小时，即为24°～30°时，剪切强度主要由页岩基质体与结构面控制，试样剪切破坏主要沿基质体发生，部分裂缝沿结构面扩展；结构面倾角较大时，即为30°～38°时，剪切强度主要由页岩结构面控制，其破坏模式沿结构面裂缝扩展，部分沿基质体发生张拉破坏。
图9 岩体结构面剪切破坏形态 图9 岩体结构面剪切破坏形态
当基质体或结构面中存在天然裂缝时，受到压剪作用天然裂缝尖端裂缝继续扩展，并与结构面贯通形成转向裂隙网络(见图10)。根据其剪切破坏形式，对其细观方面进行受力分析，得出基质体剪断受力情况。如图11(a)所示，在形成裂缝之前，基质体受到拉压作用，形成的裂缝并非完全闭合，而是张开状态，由于基质体受到张拉作用及产生相对滑移，导致裂缝形成之后呈现张开状态。由图11(b)可看出，当岩体中存在天然裂缝时，受外力作用裂缝由尖端继续扩张，并最终与已存在的层面贯通，裂缝扩展受到裂缝尖端应力集中影响，从而形成张拉裂缝。
图 10 天然裂缝尖端 图 10 天然裂缝尖端
图11 裂缝形成演化受力示意 图11 裂缝形成演化受力示意
1957年IRWIN[17]将裂纹分为3种类型：Ⅰ型裂纹(张开型)、Ⅱ型裂纹(滑开型)、Ⅲ型裂纹(撕开型)。本文结合断裂力学理论研究页岩压剪作用下裂缝扩展贯通模式。试验结果显示，页岩结构面压剪试验裂缝贯通主要存在4种模式，即：(1)结构面的剪切贯通裂缝，由于部分结构面力学强度相对较低，当结构面法向应力一定时，随着剪切应力的不断增加裂缝沿着结构弱面不断扩展，直至形成贯通性剪切裂缝[见图12(a)];(2)基质体的张拉贯通裂缝，试样在荷载的作用下，在两结构面之间的基质体受到法向应力的作用，使基质体产生劈裂现象并形成张拉贯通裂缝[见图12(b)];(3)天然裂缝尖端的张拉贯通裂缝，岩体内部存在天然裂缝，其在压剪应力的作用下导致裂缝尖端形成应力集中现象，其结构面受到压剪作用产生相对滑移，并最终在天然裂缝尖端存在张拉作用而使得裂缝进一步扩展开裂[见图12(c)];(4)拉剪复合型贯通裂缝，除单一的拉伸型贯通与剪切型裂缝贯通模式外，压剪作用下往往形成另外一种较为复杂的裂缝贯通模型，此模型为复合型贯通。该模型主要为结构面受剪切作用预先形成裂缝，由此产生相对滑移并在裂缝两端形成张拉作用导致基质体断裂形成张拉裂缝[见图12(d)]。
根据现场边坡岩体实际破坏情况，如图13所示，边坡表层岩体在受自身重力作用情况下，沿下部结构面滑移，岩体裂缝扩展贯通结构面并受到张拉作用导致基质体被拉断，形成宽度30～40 cm的裂缝，与现场剪切试验结果一致。
图12 裂缝扩展贯通示意 图12 裂缝扩展贯通示意
图 13 现场顺层岩质边坡实际破坏形态 图 13 现场顺层岩质边坡实际破坏形态
4 结 论(1)通过对页岩现场结构面进行原位剪切试验，研究得出其强度特性在剪应力作用下具有明显的阶段性。当结构面倾角处于24°～30°时，岩体存在峰值强度与残余强度阶段；当结构面倾角处于30°～38°范围时，页岩的结构面无残余强度阶段。
(2)页岩裂缝扩展形态与结构面胶结强度、岩层厚度、天然裂缝发育等密切相关。结构弱面易形成裂缝，岩层薄弱处易发生基质体断裂且裂缝扩展方向转向，形成“台阶状”裂缝。当结构面倾角较低(24°～30°)时，裂缝主要沿基质体扩展；当结构面倾角较大(30°～38°)时，裂缝主要沿结构面扩展。剪切时，在主裂缝周边会产生许多分支裂缝，分支裂缝进一步与结构弱面贯通。除较为明显的张开性裂缝外，在岩体表面还存在微裂缝，微裂缝沿结构面或基质体扩展。
(3)研究显示，在外力作用下不同结构面倾角页岩裂缝的破坏形态可以归纳为4种：沿单一层面开启的裂缝、沿多个层面开启的裂缝网、贯穿基质体的转向裂缝网、沿天然裂缝尖端开启的裂缝网。其中，岩体内部存在天然裂缝时将会产生应力集中，裂缝会继续沿着裂缝尖端扩展，导致岩体更容易形成跨结构面的裂缝网络。
(4)页岩结构面压剪试验裂缝贯通主要存在4种模式即：结构面剪切贯通裂缝、基质体张拉贯通裂缝、天然裂缝处张拉贯通裂缝、拉剪复合型贯通裂缝。
(5)结合工程实际，顺向边坡开挖导致坡面临空，层状岩体发生滑移-拉断破坏，说明现场结构面剪切试验所获得结果具有一定的工程实际意义。
水利水电技术
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