在长期的地质构造作用、赋存条件等自然因素作用下，岩石内部会产生不同程度的裂隙、缺陷，这些微观上的非匀质性特征导致了岩石宏观上的各向异性，相较于匀质性的各向同性体，其力学性质更加复杂。为了保证岩石工程的安全性，有必要针对非均质性对岩石力学特性的影响开展深入研究。

Yue等[1-2]结合数字图像技术和数值计算的研究方法，分别从非匀质性岩石的微观结构和宏观力学特性两方面分析了岩石内部构造特征对材料力学性质的影响；谭鑫等[3]通过巴西劈裂试验研究了含层理构造特征的片麻岩的破裂形态，并结合离散元方法分析了层状片麻岩的力学性质；Yao等[4]依托巴陕高速米仓山隧道工程，结合岩石剪切试验和数值计算研究了含节理构造特征花岗岩的力学性质，进一步对比分析了完整花岗岩和节理花岗岩的岩爆特点；刘恺德等[5]、刘运思等[6-7]借助岩石力学试验分别对层状板岩、层状煤岩等软质岩开展了研究，结果均表明，岩石的层理倾角对岩石的力学参数影响较大；崔大顺[8]对不同贯穿程度下的节理岩石的力学特性开展了研究，研究发现随着节理贯穿深度的增加，岩石抗压强度呈指数形式降低；许珂等[9]借助离散元软件PFC构建了节理岩石的三维数值计算模型，模拟了单轴数值仿真压缩试验，总结了不同层理倾角下岩石的单轴强度分布特征规律，并基于断裂力学理论，构建了节理岩石的强度预测模型。

综上，国内外大多学者借助数值计算、室内试验等多种手段对岩石力学性质方面展开了大量研究，并取得了显著成果。本文通过对非均质白云岩进行单轴压缩试验，并借助高清摄影相机记录了层状白云岩的整个压裂演化过程，揭示了白云岩在层理倾角、层理组数影响下的破坏机制。

1、试件制取

某隧道地层岩性以微风化白云岩为主，围岩等级主要为III级，据现场揭露，白云岩成层性构造特征显著，层理倾角范围为0～10°,层厚约50 cm, 层理走向平行于隧道走向。据工程现场揭露，白云岩为中厚～厚层沉积岩，而单轴标准试件高度为0.1 m, 通过垂直层理方向钻孔取芯只能制作出仅含一组层理试件。为了进一步探究层理组数对岩石破裂特性及力学性质的影响，需要采取人工制样的方式。对于粘结剂的选择一般有云石胶、石膏、环氧树脂等，由于白云岩属于硬质岩，具备较高的弹性模量，云石胶硬化后弹模可达到2～3 GPa, 同时，相较于环氧树脂，软塑状态下的云石胶能起到更好的粘结作用，常用于层理结构面的制取[10-11]。为减小粘结剂对层状白云岩力学参数的影响，粘结剂尽量薄而均匀，并采用注射器注射的方式确保每一层理面粘结剂用量相同。现场取芯后分别制取完整白云岩标准试件和倾角为0°、30°、60°、90°的白云岩层理试件，圆柱形试件直径50 mm、高100 mm。其中标准白云岩试件记为D1、D2、D3,层状白云岩试件根据层理倾角、组数分为4组。不同层理倾角试件编号如图1所示、参数信息见表1所示。

2、试验设备及方法

如图2所示，白云岩单轴压缩试验采用美国GCTS公司制造的RTR-1000型液压伺服力学系统进行，该设备轴向力最大可施加1 500 kN,围压最大可施加140 MPa, 加载时可通过电脑端控制自动加压和数据自动采集，整套加载系统操作简单、精度高，广泛用于岩石力学试验中。试验过程中借助声发射系统记录试件加载过程中声发射特征参数的时程曲线，用于分析外荷载持续作用下试件内部的损伤情况，为进一步探究层理弱面对岩石的影响，在层理弱面附近贴上局部应变片，记录加载过程中层理弱面及周围矿物基质形变特征，试验采用0.05 mm/min的速度施加轴向荷载直至试件破坏。

图1试件编号

表1层理白云岩材料参数

图2GCTS RTR-1000液压伺服力学系统

3、层理效应对岩石破裂特征的影响

3.1 破裂演化历程分析

3.1.1 完整白云岩

如图3所示，在完整白云岩的单向压缩过程中，岩石的起裂时间为T=817 s, 伴随微小的撕裂声，可以看到一条细小的竖向主裂隙于试件顶端形成，并向试件底端垂直延伸；随着荷载的逐渐增大，在T=820 s时，试件底部起裂，萌生出一条新的竖向微裂隙，此时第一主裂隙已然扩张为宽约0.5 mm的明显张拉裂隙；在外荷载持续作用下，竖向拉裂隙迅速扩张，直至T=823 s, 伴随剧烈响声，积聚在岩石内部的弹性应变能急剧释放，宏观主裂隙贯通，宽约2 mm, 岩石破碎彻底，试件发生明显的张拉劈裂破坏。完整岩石从裂隙开始萌生到最终破坏历程时间短，表现出明显的脆性破裂特征，但整个加载总时间长、岩石强度大。

3.1.2 0°层状白云岩

如图4所示，在水平层状白云岩的单向压缩过程中，含2组层理面试件的起裂时间为T=564 s, 伴随微小的撕裂声，一条细小的张拉微裂隙于试件底端形成并沿层理面竖向延伸；在T=575 s时，在荷载的持续作用下，又一条微裂隙萌生于试件底端，并沿层理弱面斜向发展；在T=579 s时，斜向裂隙进一步扩张并穿透层理弱面；2 s后，伴随剧烈的响声，积聚在岩石内部的弹性应变能急剧释放，第一条竖向拉裂隙贯穿两组层理面，同时试件两端出现多条局部张拉剪切裂隙，试件在多条竖向张拉裂隙和斜向剪切裂隙的共同作用下发生破坏，整个宏观破坏历程共持续17 s。含4组层理面试件的起裂时间为T=652 s, 微裂隙萌生于试件顶端并沿层理面竖向发育；在T=664 s时，多条竖向和斜向微裂隙萌生于层理弱面附近；随着荷载的进一步增加，在T=668 s时，层理面附近出现明显横向破裂；几秒后，岩石发生多裂隙诱导的张拉剪切复合破坏，整个宏观破坏历程共持续19 s。随着层理组数的增加，试件破坏时存在的张拉剪切裂隙更多，宏观破坏历程更长，破坏特征更复杂。

3.1.3 30°层状白云岩

图3完整白云岩破裂历程

图4 0°层状白云岩破裂历程

如图5所示，在30°层状白云岩的单向压缩过程中，含1组层理试件的破坏始于T=332 s, 层理弱面内部裂隙被进一步挤压紧密，试件上部矿物基质沿层理面发生微小的竖向错动；在T=345 s时，一条肉眼可见的沿层理方向的斜向剪切裂隙萌生发育；随着荷载的持续增加，破坏面沿此裂隙缓慢发展，直至T=351 s时，斜向剪切裂隙贯穿整个层理面，上部矿物基质沿层理面发生剪切滑移破坏，整个宏观破坏历程共持续19 s。含3组层理试件的破坏始于T=353 s, 中间层理弱面附近出现沿层理方向斜向发展的微裂隙，与此同时，试件底端萌生出竖向拉裂隙；随着荷载的增加，拉裂隙贯穿层理面并在层间继续扩张，在T=368 s时，试件顶端又萌生出一条新的竖向拉裂隙并穿透层理面朝试件底端竖向延伸；6 s后，斜向剪切裂隙贯穿层理面，试件在剪切滑移和张拉劈裂作用下发生脆性破坏，整个宏观破坏历程共持续21 s。随着层理组数的增加，试件破坏时存在的张拉剪切裂隙更多，岩石宏观破坏历程更长，同时破坏模式由斜向剪切滑移破坏逐渐向张拉劈裂和斜向剪切共同存在的复合破坏过渡。

3.1.4 60°层状白云岩

如图6所示，在60°层状白云岩的单向压缩过程中，含1组层理面试件的宏观破裂历程相对较短，在T=295 s之前，试件表面看不到任何宏观破裂痕迹；直至T=295 s时，外荷载诱导的层面剪切应力超过层理面抗剪强度，伴随清脆响声，两条明显的宏观裂隙分别于试件顶端和底端萌生并沿层理弱面方向扩展；2 s后，宏观裂隙贯通，上部矿物基质沿层理面发生剪切滑移破坏。含3组层理试件的破坏始于T=256 s, 中间层理弱面附近出现沿层理面方向斜向发展的微裂隙；在T=259 s时，层间剪切裂隙与底部萌生的新裂隙贯通；2 s后，伴随清脆响声，试件上下部矿物基质沿层理弱面发生明显的滑移错动，试件破坏，整个宏观破坏历程共持续5 s。层理组数的增加，岩石宏观破坏历程更长，60°层状白云岩的破坏模式均以沿层理面发生明显错动的剪切滑移破坏为主。

图5 30°层状白云岩破裂历程

3.1.5 90°层状白云岩

图6 60°层状白云岩破裂历程

如图7所示，在90°层状白云岩的单向压缩过程中，含3组层理试件的破坏始于T=439 s, 伴随微小的撕裂声，中间层理结构先被挤压开裂；张拉裂隙沿层理面向试件顶底两端竖向扩张，在T=444 s时，底部纵向微裂隙在右侧层理面附近萌生并沿顶端延伸；在T=448 s时，又一微裂隙在左侧层理面中部萌生并沿顶底两端竖向延伸；在外荷载的持续作用下，层间裂隙发育并贯穿层理面，伴随一声剧烈声响，试件发生张拉剪切复合破坏，局部岩块破裂弹射，整个宏观破坏历程共持续13 s。含4组层理试件的破裂演化历程与3组层理试件相似，试件的破坏始于层理结构的挤压开裂，试件被切割为独立的薄层岩板，在持续挤压作用下，层间裂隙萌生，薄层岩板发生弯折破坏，区别在于3组层理试件被张拉切割后到薄层岩板的弯折破坏用时4 s, 而4组层理试件用时2 s, 层理组数越多，劈裂形成的岩板越薄，受水平挤压时更容易发生折断破坏。

3.2 应力-应变曲线分析

图7 90°层状白云岩破裂历程

为深入研究层状白云岩压裂破坏全过程，借助声发射系统记录试件在加载过程中的声发射特征参数，以反映在外荷载持续作用下试件内部的损伤情况[12],其部分应力-应变曲线如图8所示。

结合白云岩应力-应变曲线、声发射特征参数时程曲线及破裂演化历程，可将白云岩在单向应力状态下的变形过程分为五个阶段。

3.2.1 矿物基质及层理结构面压密阶段

在此阶段，随着荷载的增加，岩石矿物基质及层理构造弱面中的微裂隙被压密，岩石应力与应变基本呈指数关系，应力-应变曲线相对较缓；随着层理组数的增加，同一荷载下岩石轴向应变更大，这是由于相较于完整矿物基质，层理弱面的微裂隙更多，力学性质更差，在外荷载作用下，层理弱面先于完整矿物基质产生形变被挤压紧密。此阶段外荷载做功转化为岩石内部裂隙的压密，无新生裂隙的萌生扩展，产生的声发射事件极少。

3.2.2 线弹性变形阶段

在此阶段，由于岩石内部缺陷已被挤压紧密，层状白云岩层间黏结力更强，完整性更高，外荷载作用下矿物基质和层理面的变形协调性更好，岩石应力与应变曲线表现为曲率更大的直线型；随外荷载的增加，轴向应变线性递增，但随着层理组数的增加，递增速率降低，应力-应变曲线由陡转缓，这是由于层理组数的增加，岩石各向异性特征增强，尽管层间弱面被挤压紧密，力学性质有所提高[12],但还是弱于完整矿物基质。此阶段无新生裂隙的萌生扩展，外荷载做功基本全部转化为储存在岩石内部的可逆弹性应变能，此时卸载轴力，岩石变形复原，弹性应变能原路退回。在此阶段，完整白云岩和层状白云岩产生的振铃计数和能量释放数均不足总量的1%,在图中基本无显示。

3.2.3 裂隙萌生发育阶段

在此阶段，随着外荷载的逐渐增加，岩石应力随应变增加速率降低，岩石应力-应变曲线由陡逐渐转缓，岩石局部应力超过岩石本身强度极限，裂隙萌生并发育。对于完整白云岩，裂隙于加载两端附近萌生并沿竖向延伸；对于层状白云岩，当外荷载产生的局部应力超过层间弱黏结力时，裂隙先于层理弱面附近萌生并沿层理弱面方向延伸，随着层理组数的增加，试件延性增强，张拉剪切裂隙于试件局部多处萌生，外荷载做功大部分仍用于岩石内部弹性应变能的增加，少部分用于新生裂隙的萌生发育，岩石产生的变形部分绝大部分为可逆变形，少部分为塑性变形。在此阶段，完整白云岩和层状白云岩产生的声发射事件相较前两阶段有所增加，但总量仍旧较少，加载过程中产生的振铃计数值和能量释放数值均不足总量的5%。

图8各试件应力-应变曲线

3.2.4 裂隙非稳定扩张阶段

在此阶段，随着外荷载的逐渐增加，岩石应力随应变增加速率骤减，岩石应力-应变曲线迅速转缓，在较小的轴向变形下，岩石局部裂隙快速扩张发展。对于完整白云岩，竖向拉裂隙笔直纵向延伸并径向扩张，裂隙宽度超过1 mm; 对于层状白云岩，局部拉裂隙贯穿层理面并继续延伸，局部剪裂隙沿层理弱面继续扩张，同时新生局部多条裂隙，外荷载做功一部分用于岩石内部弹性应变能的增加，一部分用于裂隙的扩张延伸，岩石产生的变形基本为塑性变形。在此阶段，随着应力-应变曲线斜率的逐渐减小，完整白云岩和层状白云岩产生的声发射事件增加速度逐渐变快，相较于完整白云岩，层状白云岩增长幅度更大，产生的振铃计数值和能量释放数值更多，说明层状白云岩试件内裂纹的扩展发育程度相较于完整白云岩大，加载过程中产生的振铃计数值和能量释放数值约为总量的10%～20%。

3.2.5 破坏阶段

随着外荷载的持续增加，岩石内部裂隙进一步扩张贯通，伴随剧烈的清脆响声，应力-应变曲线陡降，岩石内部弹性应变能急剧释放，岩石破坏。相较之下，完整岩石整体加载时间长，岩石峰值强度大，基本没有屈服平台，岩石张拉劈裂的脆性破坏特征显著，破坏时发出的响声更清脆，岩石破碎更充分；层状白云岩加载时长相对更短，且随着层理组数的增加，岩石峰值强度更小，但岩石屈服平台更明显，破坏时的响声更沉闷，脆性破坏特征减弱。该阶段相比于其他阶段历程最短，但振铃计数和能量释放却是最剧烈的，当岩石达到峰值强度时，应力-应变曲线陡降，岩石声发射事件急剧陡增，振铃计数和记录的能量特征参数瞬间达到峰值，其量值远大于其他阶段产生的声发射特征参数值，说明岩样发生了剧烈的宏观破坏。此阶段产生的振铃计数值和能量释放数值约为总量的70%～80%。

3.3 破裂特征分析

相对于层理岩石，完整岩石整个加载历程更长，岩石强度更大，但宏观破坏历程相对更短，破碎更充分，完整白云岩以张拉劈裂破坏为主，破坏时发出的清脆响声更大，表现出明显的脆性破坏特征。层状白云岩试件的加载时长相对更短，岩石强度更低，但试件从裂隙的萌生到完全破坏，整个宏观破裂历程更长，破坏特征更复杂。根据试验结果，可将白云岩的破坏模式分为4类，具体如表2所示，各破坏形态如图9所示。

表2层状白云岩破坏模式

主裂隙诱导的张拉劈裂破坏(形态一)完整白云岩 主裂隙于试件加载端部形成并向另一端笔直延伸，直至贯穿整个试件，整个宏观破裂过程短，岩石破碎彻底，脆性破坏特征明显。

多裂隙诱导的张拉剪切复合破坏(形态二)水平层状白云岩和竖向层状白云岩 试件两端和层理弱面附近衍生多条竖向张拉和局部斜向剪切裂隙，层理组数越多，裂隙越多，试件最终在竖向张拉裂隙和斜向剪切裂隙的共同作用下发生张拉剪切复合破坏。

沿层理面的剪切滑移破坏(形态三)60°层状白云岩 试件两端沿层理面方向萌生斜向主裂隙并贯穿整个层理面，试件上部矿物基质沿层理面发生明显的滑移错动，剪切破坏面光滑。

层理面剪切和矿物基质张拉复合破坏(形态四)30°层状白云岩 一组层理下为沿层理面滑移的剪切破坏，随着层理组数的增加，试件两端衍生多条张拉裂隙，在张拉裂隙和剪切滑移的共同作用下破坏。

图9各种破坏形态

4、层理效应对岩石力学性质的影响

根据白云岩单轴压缩应力-应变曲线，可求得不同层间距、层理倾角下层状白云岩弹性模量、单轴抗压强度等基本力学参数。如图10所示，当层理间距不变时，随着层理倾角的增加，层状白云岩单轴峰值强度先减小后增大，呈“U”型变化趋势，0°倾角下层状白云岩强度最大，60°倾角下强度最低，0°倾角岩石强度约为60°倾角的2.5～3.0倍。当层理倾角不变时，随着层理间距的增加，层状白云岩峰值强度逐渐增大，这是由于层理组数的增加，完整岩石被切割成多个独立个体，相互之间依靠层间薄弱黏结力共同受力变形，其完整性和力学性质更低。

如图11所示，当层理间距不变时，随着层理倾角的增加，层状白云岩弹性模量先减小后增大，呈“U”型变化趋势，0°倾角下层状白云岩弹模最大，60°倾角下强度最低，0°倾角岩石弹模约为60°倾角的1.3～1.5倍。当层理倾角不变时，随着层理间距的增加，弹模逐渐增大，这是由于在外荷载作用下，层理弱面先于完整矿物基质被挤压紧密，产生大量变形，层间距越小，层理组数越多，累积变形越大，故弹性模量更小。而层理间距对岩石力学参数的影响有限，在层理间距较小时，拟合曲线较陡，岩石力学参数对层理间距的变化越敏感，而当层间距较大时，拟合曲线较缓，当层理间距增加到一定值时，岩石参数几乎不再改变，此时，层理倾角代替层理间距成为层理岩石强度的主要影响因素。

图10白云岩单轴抗压强度分布特征

图11白云岩弹性模量分布特征

5、结论

(1)借助高清摄影相机分析了单轴压缩状态下白云岩裂隙萌生-发育-扩张-破坏的破裂演化历程，揭示了白云岩在层理倾角、层理组数和非均质矿物成分影响下的破坏机制。

(2)水平层状白云岩和竖向层状白云岩主要发生多裂隙诱导的张拉剪切复合破坏；对于30°倾角层状白云岩，当层理组数较少时，以沿层理面的剪切滑移破坏为主，当层理组数较多时，以矿物基质张拉和层理面剪切滑移的复合破坏为主；60°倾角层状白云岩主要以层理面滑移剪切破坏为主。层理组数越多，总加载历程越短，但从裂隙的萌生到完全破坏宏观破裂历程更长，局部衍生多条张拉剪切裂隙，破坏特征更复杂。相较之下，完整白云岩总加载历程长，岩石强度大，但宏观破裂历程短，试件破碎彻底，脆性破坏特征明显。

(3)随着层理倾角的增加，层状白云岩抗压强度及岩石弹性模量先减小后增大，呈“U”型变化趋势，0°倾角下层状白云岩弹模最大，60°倾角下强度最低；随层理组数的增加，岩石单轴强度、弹性模量均逐渐降低。

参考文献:

[3]谭鑫,HEINZ K.含层理构造的非均质片麻岩巴西劈裂试验及离散单元法数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(5):938-946.

[5]刘恺德,刘泉声,朱元广,等.考虑层理方向效应煤岩巴西劈裂及单轴压缩试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(2):308-316.

[6]刘运思,傅鹤林,饶军应,等.不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(4):785-791.

[8]崔大顺.不同贯通度下节理岩石动态力学特性的试验研究[D].淮南:安徽理工大学,2018.

[9]许珂,刘学生,谭云亮,等.不同单节理产状岩石力学性质数值模拟与强度预测模型[J].中国矿业,2024,33(4):158-170.

[10]顾绍发.节理岩石冲击压缩试验与分析[D].淮南:安徽理工大学,2018.

[11]周杰,刘礼标,黄龙生.人工单节理砂岩的三轴试验研究[J].水文地质工程地质,2017,44(4):85-90,97.

文章来源:张彪.层状白云岩破裂演化机制及力学特性研究[J].国防交通工程与技术,2024,22(06):12-19+34.