南华系南沱组冰碛砾岩上部冰湖相岩组力学与变形特性试验研究

张 洪，李 毅，陈映江

南华系南沱组冰碛砾岩上部冰湖相岩组力学与变形特性试验研究

张 洪，李 毅，陈映江

（四川省核工业地质局二八三大队，四川 达州 635000）

采用力学试验方法，对贵州瓮福磷矿英坪矿区南华系南沱组冰碛砾岩上部冰湖相岩组力学与变形特性进行了研究。试验表明：含水状态：遇水后迅速崩解破坏，强度急剧降低；
干燥状态下：①剪切变形破坏含四个阶段：压密变形阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰值后变形阶段；
②单轴压缩变形破坏含三个阶段：弹性变形阶段、抗变形能力提升阶段、峰值后变形阶段；
③蠕变破坏含四个阶段：瞬时变形阶段、减速蠕变或衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段、加速蠕变阶段。

冰碛砾岩；
力学试验；
力学特性；
变形特性

贵州省南华系主要出露于东部地区，其属于华南地层大区；
可划分为江南地层分区与扬子地层分区。扬子地层分区包含贵阳-遵义小区，瓮福磷矿英坪矿区内的南华系就属贵阳-遵义小区（林树基等，2018；
）马义波等，2015；
刘军等，2019）。

冰碛砾岩作为南华系上统南沱组中最典型的一种岩石，世界上比较稀少。前人对南沱组冰碛砾岩研究主要集中于沉积相、沉积环境及岩石组分等方面；
针对其力学性质研究鲜有报道。研究南沱组冰碛砾岩的力学性质具有重要意义，为冰碛砾岩积累力学参数与变形特性；
可为针对南沱组冰碛砾岩试验研究提供基础性成果。本文对贵州瓮福磷矿英坪矿区南沱组冰碛砾岩开展力学试验基础上，对英坪矿区南沱组冰碛砾岩的变形特性进行分析、研究及初步总结。

图1 室内岩石力学试验试件

贵州瓮福磷矿分为白岩矿区与高坪矿区。英坪矿区位于高坪矿区最南端，此次试验岩样为现场取自英坪矿区小坝矿段小坝滑坡区，矿区内自下而上出露地层为青白口系清水江组、南华系上统南沱组、震旦系下统陡山沱组及上统灯影组、寒武系牛蹄塘组、明心寺组与金顶山组，第四系不整合覆于各时代地层之上。

矿区南沱组以紫红、灰紫、灰绿、灰紫红色冰碛砾岩为主；
上部砾石减少，略显层理，为冰湖相沉积；
厚度0～9.4m，一般厚9.0m。

2.1 试件及试验设备

试验采用贵州瓮福磷矿英坪矿区小坝矿段小坝滑坡冰碛砾岩，为降低因岩石试件个体差异所造成试验结果的离散性及提高试验结果准确性，用于制备试件岩块取自岩层相同部位的大块完整岩体上。

针对南沱组冰碛砾岩开展抗剪强度试验、单轴压缩强度和变形试验、单轴压缩蠕变试验。抗剪强度试验采用立方体试件，试件边长50mm。单轴压缩强度和变形试验、单轴压缩蠕变试验均采用圆柱体标准试件，试件直径50mm，高度100m。制备好的试件如图1所示。

抗剪强度试验采用携带式岩石力学多功能试验仪，单轴压缩强度和变形试验采用MTS815型伺服控制刚性试验机，单轴压缩蠕变试验采用YSR-05岩石三轴蠕变试验系统。

2.2 试验方案

南沱组冰碛砾岩力学性质受含水状态影响较大，遇水后极易崩解破坏，为保证试验成功与结果准确性，三类试验试件在干燥状态下进行。

抗剪强度试验采用1组试件，试件个数为6个，施加正应力按照等差级数、级差为2.5MPa分为6级，依次为5.0MPa、7.5MPa、10.0MPa、12.5MPa、15MPa、17.5MPa。每级正应力作用下，施加剪切应力直至试件破坏，最大剪切应力即为该级正应力作用下的峰值抗剪强度。

单轴压缩强度和变形试验采用1组试件，试件个数为2个，采用位移传感器法进行试验。通过试验获得岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线，求取相关力学参数。

单轴压缩蠕变试验采用1组试件，试件个数为1个，采用陈氏加载法，利用包尔兹曼叠加原理获得岩石蠕变曲线；
分析岩石蠕变特性、求取岩石的极限强度和粘滞系数。

图2 剪应力-剪位移关系曲线

3.1 抗剪强度试验

岩石抗剪强度一般可采用库伦公式：

式中：c和φ为岩石试件的内聚力和内摩擦角。

根据试验所记录的各个试件剪切应力与相应剪切位移，得到剪切应力-剪切位移关系曲线，如图2所示，通过该曲线分析岩石的剪切变形特性、求取相关力学参数。

根据剪应力-剪位移关系曲线，抗剪强度试验中6个试件对应的曲线变形规律基本相似，其变形破坏过程可划分为4个阶段（周罕等，2014；
张桂民等，2012）。第一阶段为压密变形阶段，曲线微呈上凹形；
第二阶段为弹性变形阶段，曲线近呈直线，剪切应力与剪切位移二者近呈线性关系；
第三阶段为塑性变形阶段，曲线由近呈直线转换为呈下凹形曲线，且曲线由近呈直线形转换为呈下凹形的转换点所对应剪应力为某级正应力作用下的屈服剪应力，塑性变形阶段以剪应力达到峰值剪应力、试件剪断破坏为终点；
第四阶段为峰值后变形阶段，试件剪断破坏后，剪应力迅速跌落，剪切位移增大，剪应力最终基本保持为某一恒定值，该恒定值即为某级正应力作用下的残余剪应力。

图3 抗剪强度曲线

根据剪应力-剪位移关系曲线，获得各个试件在不同正应力作用下的屈服剪应力、峰值剪应力及残余剪应力。再依据试验中作用于各个试件的正应力与屈服剪应力、峰值剪应力、残余剪应力绘制出正应力-屈服剪应力曲线、正应力-峰值剪应力曲线、正应力-残余剪应力曲线，得屈服抗剪前度曲线、峰值抗剪强度曲线、残余抗剪强度曲线，如图3所示。

根据抗剪强度曲线求解岩石抗剪强度参数c和φ的方法有点群中心法、模糊回归法、优定斜率法和随机-模糊法，鉴于本组试验的6个试件所得试验数据离散性较小，本文采用最小二乘法对试验数据进行线性拟合，通过拟合得到的直线求得南沱组冰碛砾岩峰值抗剪强度参数cc和φc、屈服抗剪强度参数cp和φp、残余抗剪强度参数cr和φr。抗剪强度数据如表1～3所示。

表1 峰值抗剪强度数据

表2 屈服抗剪强度数据

3.2 单轴压缩强度和变形试验

针对南沱组冰碛砾岩的单轴压缩强度和变形试验，获得单轴压缩条件下岩石的应力-应变过程曲线，分析单轴压缩条件下变形特性，求取力学参数。本试验1组2个试件：1#、2#单轴压缩试件试验结果绘制出应力-应变曲线，如图4～5所示。表3 残余抗剪强度数据

表3 残余抗剪强度数据

根据1#、2#单轴压缩试件应力-应变曲线，分析南沱组冰碛砾岩在单轴压缩条件下的变形破坏过程可分为3个阶段（秦广鹏等，2011；
藏德胜和李安琴，2003；
杨海清和周小平，2010；
刘传孝等，2008）。第一阶段为弹性变形阶段，轴向应力-轴向应变曲线近呈直线，试件体积应变由增加转化为减小，岩石试件体积由压缩转化为膨胀；
第二阶段为抗变形能力提升阶段，轴向应力-轴向应变曲线近直线，曲线斜率较第一阶段变陡，抗变形能力提升阶段以轴向应力达到峰值强度或单轴极限抗压强度、试件压缩破坏为终点；
第三阶段为峰值后变形阶段，试件压缩破坏后，轴向应力迅速跌落基本保持为某一定值不变，轴向应变持续增大，当轴向应变增大至某一值后轴向应力又再次跌落至某一恒定值且基本保持不变，峰值后变形阶段的轴向应力-轴向应变曲线呈阶梯形。

根据1#与2#单轴压缩试件的应力-应变曲线，求得南沱组冰碛包括单轴抗压强度、弹性模量、变形模量及泊松比在内的一系列力学参数，如表4所示。

表4 单轴压缩强度和变形试验数据

图4 1#单轴压缩试件应力-应变曲线

由表4可知，干燥状态，南沱组冰碛砾岩单轴抗压强度均值为17.32MPa，弹性模量值为2.12GPa，泊松比均值0.23，变形模量均值为1.84。冰碛砾岩在干燥状态下单轴抗压强度较高，具有较好的力学性质；
遇水饱和后短时间内迅速发生崩解，强度急剧降低，力学性质严重弱化，单轴饱和抗压强度为5～15MPa，属于软岩。

图5 2#单轴压缩试件应力-应变曲线

3.3 单轴压缩蠕变试验

南沱组冰碛砾岩属软岩，其在矿区内下伏于震旦系陡山沱组与灯影组硬质岩组，对区内边坡稳定性尤其露天矿坑边坡稳定性具重要影响作用，因此研究其在单轴向应力作用下的力学与变形特性具有重要工程价值。

针对南沱组冰碛砾岩的单轴压缩蠕变试验，采用陈氏加载法，即对同一试件分级逐布加载（李化敏等，2004；
刘保国和崔少东，2010；
姜永东等，2005；
丁秀丽等，2005）。以干燥状态下南沱组冰碛为基础，结合岩石极限长期强度与瞬时强度之间的关系，确定荷载级数预设为5级、级差为5KN，荷载分别为5KN、10KN、15KN、20KN、25KN，各级荷载的加载历时均保持一致。

根据单轴压缩蠕变试验成果，荷载加至20KN后试件最终发生了破坏。根据各级荷载作用下，岩石试件随时间变化的轴向位移值，运用包尔滋曼叠加原理，得到各级荷载作用下的轴向应变-时间关系曲线，即蠕变曲线，如图6所示。

在荷载5KN、10KN、15KN作用下，岩石试件蠕变经历三个阶段：①瞬时变形阶段：荷载一加上后发生的变形；
②减速蠕变或衰减蠕变阶段：轴向应变随时间逐渐增大，但轴向应变速率则相反，逐渐减小且接近第三阶段时轴向应变近似为0；
③等速蠕变阶段：轴向应变随时间近于等速增长，轴向应变速率近似为0，在恒定不变荷载作用下，轴向位移或轴向应变基本无变化，不会经蠕变而破坏。在荷载20KN作用下，岩石试件蠕变过程经历了四个蠕变阶段：①瞬时变形阶段：荷载一加上后发生的变形；
②减速蠕变或衰减蠕变阶段：轴向应变随时间逐渐增大，但轴向应变速率则逐渐减小，接近蠕变第三阶段时轴向应变减小至大于0常值，其值较前三级荷载作用下的速率显著增大；
③等速蠕变阶段：轴向应变逐渐增大，轴向应变速率在此阶段基本无变化，保持为某一常值；
④加速蠕变阶段：轴向应变速率增大、变形加速，轴向应变显著增大，试件最终经蠕变而破坏。

图6 蠕变曲线（横轴：时间/s，纵轴：轴向应变）

在5KN、10KN、15KN作用下，冰碛砾岩试件发生趋稳蠕变即稳定型蠕变，在20KN作用下，冰碛砾岩试件发生非趋稳蠕变即典型蠕变；
在各级荷载作用下，岩石变形呈随时间逐渐增长趋势。存在某一长期应力临界值，即极限长期强度，当岩石所受长期应力小于该临界值时，其发生趋稳蠕变，不会经蠕变而破坏；
当岩石所受长期应力大于临界值时，其发生非趋稳蠕变，经蠕变而破坏（李星星等，2011；
杨彩红和李剑光，2006；
李栋伟等，2011）。根据图6，试件在20KN荷载即10.42MPa轴向应力作用下，发生蠕变破坏，分析其极限长期强度不超过10.42MPa。

根据蠕变曲线，得到不同时刻轴向应力-轴向应变速率的等时曲线，如图7所示。等时曲线存在一明显的拐点，拐点以下其近呈直线，拐点以上其逐渐向下弯曲；
通过等时曲线簇获得一系列拐点，其轴向应力值基本一致，由此得到一条平行于横轴的直线；
该直线与纵轴交点的轴向应力值为冰碛砾岩的极限长期强度即为8MPa，极限长期强度与瞬时强度的比值约0.5。

由图6，荷载5KN、10KN、15KN作用下，等速蠕变阶段应变速率近于0，但为大于0的极小常值；
荷载20KN作用下，等速蠕变阶段应变速率显著大于前三级荷载作用，但其值仍极小。根据各级荷载作用下的等速蠕变阶段的轴向应变速率和轴向应力，得轴向应力-轴向应变速率关系曲线，如图8所示。轴向应力-轴向应变速率关系曲线的直线段斜率即为冰碛砾岩的粘滞系数，其值为8×107MPa.s，即8×1013Pa.s。

本文以贵州瓮福磷矿英坪矿区南华系南沱组冰碛砾岩上部冰湖相岩组为研究对象，采用力学试验方法，对其力学与变形特性进行了相关研究，得到以下主要结论：

（1）南沱组冰碛砾岩的力学性质受含水状态影响较大，遇水后短时间内迅速崩解破坏，强度急剧降低。

（2）干燥状态下，南沱组冰碛砾岩的峰值抗剪强度参数cc=21.3MPa，φc=45.3°；
屈服抗剪强度参数cp=17.9MPa，φp=37.3°；
残余抗剪强度参数cr=10.2MPa ，φr=31.5°。岩石的剪切变形破坏过程包含四个阶段：压密变形阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、峰值后变形阶段。

（3）干燥状态下，南沱组冰碛砾岩的单轴抗压强度均值为17.32MPa，弹性模量均值为2.12GPa，泊松比均值为0.23，变形模量均值为1.84。岩石的单轴压缩变形破坏过程包含三个阶段：弹性变形阶段、抗变形能力提升阶段、峰值后变形阶段。

（4）干燥状态下，南沱组冰碛砾岩的极限长期强度为8MPa，粘滞系数为8×1013Pa.s。岩石经蠕变而破坏过程包含四个阶段：瞬时变形阶段、减速蠕变或衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段、加速蠕变阶段。

由于采样原因，试验参数仅代表完整南华系南沱组冰碛砾岩上部冰湖相岩组的力学参数；
用于该冰湖相岩组分布区滑坡相关参数时，应考虑水及滑坡滑动对岩组结构破坏的不利影响。

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Experimental Study of Mechanical and Deformation Characteristics of Glacial-Lacustrine Rock Formation of the Upper Part of Moraine Conglomerate of the Nantuo Formation of the Nanhua System

ZHANG Hong LI Yi CHEN Ying-jiang

(The 283rd Geological Party, Sichuan Bureau of Uranium Geology, Dazhou, Sichuan 635000)

This study has a discussion on mechanical and deformation characteristics of moraine conglomerate of the Nantuo Formation of the Nanhuan System in the Yingping mining area of the Wengfu Phosphate Mine of Guizhou Province on the basis of mechanical test. The test results show as follows: ①mechanical characteristics of the moraine conglomerate are greatly affected by moisture condition; ②in the dry state, the shear deformation and failure process of the moraine conglomerate may be divided into such four stages as compaction deformation stage, elastic deformation stage, plastic deformation stage and post peak deformation stage; ③in the dry state, the uniaxial compression deformation and failure process of the moraine conglomerate may be divided into such three stages as elastic deformation stage, deformation resistance improvement stage and post peak deformation stage; ④in the dry state, the creep failure process of the moraine conglomerate may be divided into such four stages as instantaneous deformation stage, deceleration creep or attenuation creep stage, constant velocity creep stage and accelerated creep stage.

moraine conglomerate; mechanical test; mechanical characteristic; deformation characteristic

P642

A

1006-0995（2022）02-0335-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.030

2021-08-19

达州市科技计划项目（19YYJC0006）

张洪（1989— ），男，四川达州人，工程师，研究方向：岩土工程及地质灾害防治