0 引言

汶川地震不仅触发了多处滑坡、崩塌、泥石流等次生震害^[1]，而且引起大量斜坡岩体的震裂和松动，即形成所谓的“震裂岩体”^[2]。震裂岩体在后期余震、降雨及人类活动的影响下会再次发生崩塌和滑坡等灾害，这给震后工程建设及其安全运营带来巨大的挑战。在建的汶川—马尔康高速公路(汶马高速)总长约174.37 km，是通往西藏、青海等地区的重要交通动脉，对促进西部经济发展、维护藏区稳定、增强路网抗灾防灾能力具有十分重要的意义。汶马高速位于龙门山中央断裂带西北侧，地形起伏较大。受汶川地震的影响，公路两侧震裂岩体发育，岩体切割强烈呈板裂状，这使得公路沿线崩塌灾害和危岩体普遍发育，尤其是汶川—理县段崩塌和危岩体更加集中(图 1)。野外调研表明，除受地形等条件影响外，边坡中普遍发育的板裂千枚岩对于诱发崩塌等灾害起着至关重要的作用。

岩石的力学性质是影响边坡稳定性的重要因素，有关千枚岩的力学性质前人做了相关的研究^[3-14]。但板裂千枚岩与前人研究的千枚岩有所不同，高烈度区板裂千枚岩是应力调整和动力触发引起岩体进一步劣化损伤的结果^[15]，岩石内部各种缺陷和损伤直接影响其宏观破裂模式和力学性质^[16]。然而，关于板裂千枚岩的研究并不多见，仅刘云鹏等^{[15, 17]}分析了板裂千枚岩的单轴压缩强度特征，但其研究明显不足以满足现实工程的需求；并且不同地区板裂原岩的岩性及相应的矿物成分有所差异，板裂结构面又改变了边坡岩体结构类型和潜在失稳方式。研究板裂千枚岩，对于岩质崩塌和滑坡等地质灾害的防治具有重要意义。

1 试验设计及过程 1.1 试验设计

试验所用的样品取自于汶马高速公路东段理县卡子村崩塌，该崩塌距汶川县城约19 km(图 2)，为志留系茂县群的千枚岩(图 1d)。所取岩石样品处于微风化状态、有少量裂隙，其结构面基本没有破坏，局部有铁质渲染(图 3a)。根据现场板裂结构岩体的调查情况，确定板裂面方向并进行标定。通过分析国内外有关千枚岩以及其他具有各向异性岩石的研究成果，并考虑板裂千枚岩试样制备的难度，我们将对岩石样品分别做平行板裂结构面(β=0°)、斜交板裂结构面(β=30°)和垂直板裂结构面(β=90°)的单轴、三轴压缩试验(图 3b)，并通过粉晶X衍射和LEICA-DM2500P显微镜分析、测定试样矿物成分和微观结构。

1.2 试验过程

试验前先将事先标定好方位的板裂岩块采用水钻法分别平行板裂结构面、斜交板裂结构面和垂直板裂结构面钻取岩心来制备试样，试样两端用切割机加工平整；然后再用金刚砂进行研磨，制成50 mm×100 mm的标准圆柱样；再用超声波测得试件的纵波波速进行筛选，将相同板裂面夹角中离散性较大的试件剔除。本次试验是在武汉岩土所研制的RMT-150C型岩石力学系统(图 3c)上进行的。单轴试验以0.50 MPa/s的速率施加轴向应力，直至试样破坏，测定应力和应变的关系；三轴试验以0.05 MPa/s的加载速度同时施加侧压力和轴向压力至预定围压值，然后以0.50 MPa/s的加载速度施加轴向荷载，直至试样破坏。

2 试验结果及分析 2.1 板裂千枚岩矿物成分和微观结构

通过粉晶X衍射试验测定了岩石试样的矿物成分(表 1)。由表 1可知，板裂千枚岩矿物成分以绿泥石、白云母和石英为主，夹有斜长石和少量钾长石，石英和斜长石分布不均匀。亲水性矿物较多，两个样品中绿泥石和白云母质量分数总和分别为74%和63%，极易受降雨的影响。

通过LEICA-DM2500P显微镜，测定了试样的微观结构(图 4)。结果表明：板裂千枚岩为不等粒变晶结构，矿物定向排列形成片理面，片理面上有较强丝绢光泽；绿泥石和白云母呈针状、片状，定向排列，显微变晶，颗粒较小，其长轴长40~100 μm；石英和长石等矿物分布不均匀，粒间主要被云母、绿泥石以及胶结物质穿插或充填；石英颗粒大小不一，粒径介于30~200 μm，个别石英颗粒长轴可达到0.4 mm，发育有亚晶粒重结晶形成的多晶石英条带，新晶粒边界不规则、呈拉长状，定向排列明显，并且石英颗粒中发育有晶间及穿晶张裂隙，部分斜长石发育共轭X型双晶纹。以上结果表明，板裂千枚岩矿物定向显著、片理发育，微观结构比较复杂，岩石内部发生明显的脆、塑性变形和裂隙，结构稳定性差。

2.2 板裂千枚岩三轴压缩应力-应变曲线

不同围压条件下，典型板裂千枚岩试样三轴压缩应力-应变曲线如图 5所示。从图 5可以看出：

1) 不同围压和结构面夹角的岩样在加载过程中其应力-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。随着围压的增大，其破坏时对应的峰值应力逐渐增大。随着结构面夹角从0°增大到90°，其峰值应力呈先减小后增大的变化趋势。

2) 结构面夹角为0°和30°时，应力-应变曲线的压密阶段不明显；随着夹角的增加，压密阶段逐渐变长，应力-应变曲线逐渐变缓，峰值应变也逐渐增大。

3) 在围压较小时，试样应力-应变曲线的压密阶段所占比例较大，屈服阶段不明显，达到峰值应力后，应力-应变曲线迅速跌落，脆性破坏特征明显；随着围压增大，压密阶段所占比例变小，塑性变形阶段比例明显增加，峰值应力处的脆性破坏特征逐渐减弱，残余强度也逐渐增大。

2.3 板裂千枚岩强度和变形参数

为了分析结构面夹角对试样弹性模量、抗压强度、抗剪强度参数的影响规律，特进行了统计分析，具体如表 2所示。

由表 2得到不同结构面角度板裂千枚岩在不同围压下弹性模量的变化规律(图 6)。

随着结构面夹角的增大，岩样的弹性模量呈现出先迅速降低后缓慢增加的变化规律(图 6a)；0°板裂千枚岩的弹性模量最大、90°次之、30°最小(图 6b)。当结构面夹角为0°时，岩样的结构弱面和结构面之间的层状块体与加载方向平行，层状块体的刚度大，在轴向荷载作用下，层状块体承担绝大部分的荷载，岩样轴向压缩变形较小，从而使得弹性模量最大；结构面夹角为90°时，岩样的结构弱面和层状块体与加载方向垂直，经过压密阶段后，结构弱面虽然已经压密，但是其刚度与层状块体相比依然很小，岩样轴充满向压缩变形较大，从而导致弹性模量小于0°试样；结构面夹角为30°时，岩样所受应力可以分解为垂直结构面方向的正应力和平行结构面方向的剪应力，无论哪个方向，刚度都受到结构弱面的影响，因此30°时板裂千枚岩试样的弹性模量最小。随着围压的增加，板裂千枚岩的弹性模量逐渐增大，这主要是由于围压对结构弱面的孔隙、裂隙具有较好的压密效应；各结构面角度的板裂千枚岩的弹性模量随围压的增加速率基本相同，并没有太大的差异(图 6b)。

由图 7可知：压缩试验时，板裂千枚岩的峰值应力在0°和90°夹角时明显偏高，30°夹角时最低，且呈现出两边高、中间低的V型变化规律；随着围压的不断升高，0°板裂千枚岩的峰值强度增加速率最快，90°次之，30°为最小。围压在2，4，6，8 MPa时，30°岩样的峰值应力与90°岩样的峰值应力相差分别为63.71%，60.54%，57.75%，57.28%，相比较而言，随着围压增大，结构面夹角对岩样抗压强度的影响在逐渐减小。

对表 2中三轴压缩峰值强度与围压进行线性回归(回归公式：σ_s=M+Nσ₃，其中M，N为强度回归参数；σ_s，σ₃分别为峰值强度和围压)，并利用Coulomb强度准则进行计算，其结果列于表 3，根据计算得出的黏聚力和内摩擦角见图 8。从图 8可以看出：随着结构面夹角的增大，岩样的黏聚力和内摩擦角呈现出相同的变化规律，即结构面夹角为0°和90°时黏聚力和内摩擦角均较大，夹角为30°时，黏聚力和摩擦角明显较小；夹角30°和90°岩样的黏聚力相差59.44%，夹角30°和0°岩样的内摩擦角相差26.77%。这种显著的差异主要与岩样的破坏模式密切相关：30°岩样主要发生顺结构弱面的剪切滑移破坏，抗剪强度参数自然较低；而其他夹角情况下，主要发生贯穿结构面和层状块体的复合剪切破坏，其抗剪强度参数较大，具体的破坏模式将在下文进行分析。

2.4 板裂千枚岩各向异性

为了定量分析岩石强度各向异性，Singh等^[18]提出了各向异性度的计算公式：

式中：R_c为强度各向异性度；σ_max、σ_min分别为抗压强度最大值和最小值。

我们采用类似的思路，计算了千枚岩弹性模量的各向异性度R_E。在不同围压条件下，岩样抗压强度的各向异性度R_c和弹性模量的各向异性度R_E如表 4所示。

从表 4可知，抗压强度和弹性模量的各向异性度呈现类似的规律，即随着围压的增大，板裂千枚岩力学参数的各向异性度逐渐减小：单轴压缩时，抗压强度和弹性模量的各向异性度分别为3.78和3.16；4 MPa围压条件下减小为2.53和2.23；8 MPa围压条件下减小为2.33和1.75，可见各向异性度随围压增高而降低的趋势逐渐变缓。这主要是由于围压对结构面具有较好的压密作用，同时岩样沿结构面的易开裂性受到较好抑制，这使得板裂千枚岩整体性增强，结构面对岩样各向异性的影响降低。

2.5 破裂模式及主控因素

板裂千枚岩的变形特征、抗压强度、抗剪强度参数的各向异性与其破裂形态密切相关，其破裂形态受结构面和围压共同影响，呈现出明显不同的破裂模式。图 9展示了不同结构面角度板裂千枚岩在单轴和三轴压缩时的典型破裂形态。

1) β=0°时，单轴压缩条件下，试样沿结构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，这些破裂面基本与结构面重合并将岩样分割成多个独立的“薄板”，在继续加载的过程中，岩板受压而弯曲，甚至发生折断。在三轴压缩条件下，破裂面为沿结构面和贯穿结构面的复合张剪破坏。

2) β=30°时，单轴和三轴压缩条件下岩样都是沿结构面形成剪切滑移破坏。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 =90°时，单轴压缩条件下，岩样形成贯穿结构面的张拉-剪切复合破坏。这是由于岩样端面与试验机压头的摩擦力束缚，抑制了两端部的侧向变形，使端部岩石处于三轴受力状态，在加载过程中会产生拉剪应力。应力首先造成微裂纹先沿结构面萌生和扩展，随着应力的增大，结构面间层状块体内出现剪切裂纹；而后两种裂纹联通，形成Y型的张拉-剪切复合破坏模式。在三轴压缩作用下，岩样为贯穿结构面的剪切破坏。

通过对不同结构面夹角板裂千枚岩在不同围压下的破坏特征的分析，可以得出板裂千枚岩在单轴和三轴压缩条件下的破坏模式及主要控制因素，如表 5所示。

由表 5可知，板裂千枚岩的破裂机制表现出明显的各向异性。随着围压的增大，结构面对破坏机制的影响逐渐减弱；在压缩情况下破裂模式不同的根本原因在于结构面和轴向应力的组合关系，而且其破裂模式的差异性决定了板裂千枚岩试样强度和变形参数的各向异性特征。

3 结论

1) 该板裂千枚岩为不等粒变晶结构，片理发育，微观结构比较复杂，岩石内部发生明显的脆、塑性变形和裂隙，结构稳定性差。

2) 在压缩试验条件下，板裂千枚岩的各向异性特征明显，结构面夹角从0°到90°时板裂千枚岩的弹性模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角先减小后增大，呈V型分布规律。随着围压的增大，不同结构面夹角试样的强度和变形参数差值逐渐减小，其各向异性逐渐减弱。

3) 板裂千枚岩破裂模式与结构面夹角和围压的大小密切相关。单轴压缩时，0°板裂千枚岩为沿结构面的张拉劈裂破坏；30°为顺结构面的双剪切滑移破坏；90°为Y型的张拉-剪切复合破坏。三轴压缩时，0°板裂千枚岩为顺结构面和贯穿结构面的复合张剪破坏；30°为沿结构面的剪切滑移破坏；90°为贯穿结构面的剪切破坏。随着围压的增大，结构面对板裂千枚岩的破裂模式影响效应逐渐减弱。

4) 最大主应力与结构面的组合方式控制着岩石的破裂模式进而控制其力学性质，这是板裂千枚岩显示各向异性的根本原因。在边坡和隧道的稳定性分析中，结构面角度是影响岩体力学特性和破坏模式的一个重要因素。