Differences between reverse and normal shear in failure characteristics of layered rocks
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摘要:
层状岩石层理效应的研究对深部岩体稳定性分析具有重要意义，而天然层状岩石逆倾向与顺倾向剪切力学行为差异性仍认识不清。为此，开展了0°≤ψ≤180°（ψ为剪切面顺时针旋转至层理面的滑动倾向角）的页岩全角度剪切试验，详细地研究了逆倾向与顺倾向下剪切力学特性和破坏模式的差异性，并结合离散元模拟进行了补充分析与验证。研究结果表明：顺层面剪切时抗剪强度取得最小值，ψ=30°时取得最大值，90°与135°时取得局部极大值，逆倾向抗剪强度相对更高，ψ>30°时随滑动倾向角增加抗剪强度总体呈减小趋势；根据不同滑动倾向角下剪切力学行为的差异性，按滑动倾向角将层状岩石分为三组，即层面张拉与基质剪切组（15°～60°）、基质剪切组（75°～120°）、基质与层面剪切组（135°～180°）；基质剪切组在剪切应力−位移曲线峰前均存在应力降现象，层面张拉与基质剪切组在峰后呈“阶梯”状应力降低；张拉破坏与剪切破坏同时存在且以剪切破坏为主；顺层面剪切时层面的剪切裂纹数目占优，ψ=90°时基质体的剪切裂纹数目最多，ψ=30°时层面的张拉裂纹数目最多，其次是基质体的剪切裂纹，ψ=150°时以层面、基质体的剪切裂纹为主。研究揭示了层状岩石逆倾向与顺倾向剪切的各向异性特征及差异性根源，可为各向异性力学模型完善、灾变机制及围岩稳定性分析提供科学依据。
Abstract:The study of the bedding plane effect has important implications for stability analysis of deep rock masses. However, the differences in shear mechanical behavior between natural layered rocks under reverse and normal dip conditions are still not well understood. For this , a full-angle shear test of shale with 0°≤ψ≤180° (ψis the bedding plane inclination angle, defined as the angle of clockwise rotation from the shear surface to the laminar surface) was carried out. The shear mechanical properties and differences in failure modes of shale under different bedding plane inclination angles were extensively analyzed. Additionally, the analysis results were supplemented and verified with discrete element simulations. The results are as follows. Firstly, the minimum shear strength is achieved when shearing parallel to the bedding plane. The strength reaches a maximum atψ=30° and local peaks at 90° and 135°. The shear strength is relatively higher when shearing in the reverse direction. Forψ>30°, the shear strength generally decreases withψ. Secondly, according to the differences in the shear mechanical behavior under variousψ, the layered rocks are divided into three groups: bedding tension and matrix shear group (ψ=15°-60°), matrix shear group (ψ=75°-120°), matrix and bedding shear group (135°-180°). Thirdly, In the pre-peak stage, stress drop phenomenon only exists in the matrix shear group. In the post-peak stage, stress drops in a “step-like” manner for bedding tension and matrix shear group. Fourthly, tension and shear failures coexist, with shear failure being predominant. Lastly, the number of shear cracks of layer is dominant when shearing parallel to the bedding plane. The number of shear cracks in the matrix is the highest at 90°. Atψ= 30°, the maximum number of tensile cracks is observed in the bedding plane, followed by shear cracks in the matrix. The shear cracks are mainly observed in the bedding and matrix atψ= 150°. The study reveals the anisotropic characteristics and differences in reverse and normal dip shear of layered rocks. The results provide a scientific basis for improving anisotropic mechanical models and analyzing disaster mechanisms and surrounding rock stability.
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Keywords:
- layered rock /
- anisotropy /
- mechanical character /
- failure mode /
- discrete element
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0. 引 言
成层分布的沉积岩在煤岩体中普遍存在，层理的分布方位与发育程度对煤岩体的力学性质及破坏模式会产生极大的影响。通常沿着与层面形成的不同方向，层状岩石的矿物赋存情况与力学特性明显变化，表现出较强的各向异性。现有工程实践表明，层状岩体中不同赋存方向的层面影响了地下煤层开采工作面前方应力场演化情况、覆岩变形和损伤演化等。在岩石力学中，通常将层状岩体中层面赋存方向的影响归为层理效应。因此，系统地研究层理效应影响下层状岩体力学行为，可为地下岩体灾变机制及围岩稳定性分析提供科学依据。
层理效应影响下煤岩体的力学特性表现出明显的各向异性，对于煤的层理效应研究方面，郝宪杰等[1]研究了煤层理对冲击倾向性的影响，并指出含层理煤样进行冲击倾向测试时应考虑层理效应的影响；张国宁等[2]对不同层理角度的煤样进行单轴压缩试验，研究含层理煤变形破坏过程中能量演化及红外辐射响应特征；姜琳婧等[3]对浸水前后的层理煤岩进行单轴压缩试验，研究层理效应及浸水对煤岩力学性质的影响。对于层状岩石的层理效应研究方面，层状岩石抗压和抗拉强度的研究十分普遍，多从声发射信息、能量演化规律等角度进行综合分析，也有考虑层状岩石赋存条件，如将层理效应与含水率进行耦合研究[4-6]。
在层状岩石剪切力学行为方面，通常采用三轴压缩试验[7-9]或直剪试验进行研究。需要注意的是，层状岩石剪切破裂存在剪切方向的差异性，即有逆倾向剪切（0°≤ψ≤90°）与顺倾向剪切（90°≤ψ≤180°）之分。其中，ψ为滑动倾向角，定义为自剪切面顺时针旋转至层理面的夹角。三轴试验中剪切破裂产生具有一定的随机性，无法精确研究逆倾向或顺倾向下不同滑动倾向角对岩石剪切破坏特征的影响，因此，学者们进行了层状岩石剪切试验及其各向异性的研究，但多关注剪切面与层面的夹角的影响，忽略了逆倾向与顺倾向剪切的差异性。逆倾向剪切方面，衡帅等[10-11]对圆柱形页岩试样，以30°的滑动倾向角间隔进行了直剪试验。顺倾向剪切方面，LU等[12]对立方体页岩试样，以30°的滑动倾向角间隔开展了直剪试验；WANG等[13]对圆柱体麻粒岩试样以15°的滑动倾向角间隔进行了直剪切试验。或许受到成本限制或忽视了剪切方向影响，目前很少见到层状岩石全角度（0°≤ψ≤180°，涵盖逆倾向与顺倾向条件）剪切试验相关的研究。另外在非岩石材料全角度直剪试验方面，FU等[14-15]对无黏结力且固有各向异性的砂土进行了滑动倾向角间隔15°的全角度直剪数值模拟及室内试验；刘伟等[16]用石膏与粘结剂制成滑动倾向角间隔为15°的类层状岩石，并进行全角度直剪试验，对比分析了顺倾向与逆倾向剪切破坏特征的差异性。上述砂土或类岩石材料全角度剪切强调了逆倾向与顺倾向剪切的差异性，这足以体现进行全角度直剪试验的重要性。然而，天然层状岩石是在地质作用下生成的，这与砂土或类岩石材料的逐层铺实过程不同，由此导致天然层状岩石（特别是层间）力学强度较高，因此，天然层状岩石在剪切力学特征、破坏机制与破坏模式等方面必然与砂土或类岩石材料存在本质区别，天然层状岩石逆倾向与顺倾向条件下剪切各向异性与破坏特征仍亟待深入研究。
综上所述，目前天然层状岩石直剪试验研究中常关注剪切面与层面的夹角（≤90°）的影响，忽视了剪切方向与层面方位关系引起的顺倾向剪切与逆倾向剪切的差异性，且选取的滑动倾向角间隔较大（多数≥30°），小间隔滑动倾向角下天然层状岩石全角度剪切力学试验仍有待开展；另一方面，与天然层状岩石全角度剪切试验相关的数值模拟与破裂特征研究工作较少，相关研究的展开可以对宏观各向异性力学行为研究形成有益补充。因此，本文开展了不同法向应力和小滑动倾向角间隔（15°）条件下层状页岩全角度直剪试验，分析了顺倾向与逆倾向条件下，剪切方向对层状页岩剪切力学特性和破坏特征的影响，并通过离散元模拟对细观裂纹演化规律进行了研究。为深入研究层理效应影响下各向异性力学行为及解决与层状岩体稳定性相关的工程问题提供了科学依据。
1. 试验方案
1.1 试样制备与放置
层状页岩作为沉积岩的一种，具有发育的天然层理面。因此，选取重庆石柱的页岩地层作为研究对象，用以研究剪切方向对层状岩石剪切力学行为的影响，按照不同的切割角度制备层理面与剪切面呈一定夹角（0°、15°、30°、45°、60°、75°）的6种立方体页岩试样，并进行打磨处理使两对面间的平行度±0.02 mm，加工好的立方体页岩试样的边长为50 mm，如图1a所示。
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图 1 标准页岩试样及滑动倾向角定义Figure 1. Standard shale specimen and sliding tendency angle definition为了便于描述剪切方向与层面赋存的相对关系，定义滑动倾向角ψ为自剪切面顺时针转动至层理面的夹角（图1b）。为全面测试不同滑动倾向角下剪切力学行为，同时考虑试样加工精确度与试验工作量，根据剪切方向与层理面的相对方位，将试样的摆放位置分为12种情况（ψ=0°或180°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°）。文中不特别说明的角度均指滑动倾向角ψ。另外，ψ=0°与180°的剪切条件相同，均为顺层面剪切。
1.2 试验设备
本试验采用课题组自主研发的岩石剪切多轴试验系统进行不同滑动倾向角下的直剪试验，该系统主要由加载系统、伺服控制系统、数据采集系统等组成，如图2所示。法向力、剪切力、剪切位移等均通过试验系统自动采集获取，法向位移由外置高精度位移计获取。
1.3 加载方法
根据滑动倾向角的不同（ψ=0°或180°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°），按前述试样放置方案将试样分为12种情况；按法向应力的不同（10 MPa、20 MPa），再将各滑动倾向角下的试样分为2组。首先，以0.3 kN/s的加载速率一次性加载至法向应力后保持法向应力恒定，在位移控制模式下以0.005 mm/s的速率加载剪切应力，直至剪切应力达到残余阶段时终止试验。
2. 试验结果及分析
2.1 抗剪强度各向异性
图3展示了法向应力10 MPa和20 MPa时抗剪强度随滑动倾向角的演化规律。可以注意到：虽然滑动倾向角30°与150°、60°与120°试样的剪切面与层面夹角分别相等，但前者均为逆倾向剪切、后者均为顺倾向剪切，当法向应力相同时，前者对应的抗剪强度均比后者高许多，说明剪切方向的不同会导致剪切破坏机制与剪切破坏模式发生改变，进而使顺倾向剪切与逆倾向剪切的抗剪强度差异明显。
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图 3 抗剪强度随滑动倾向角演化规律Figure 3. Distribution of shear strength with sliding tendency angle不同法向应力条件下，剪切强度随滑动倾向角的变化特征较为相似，具体表现为：①均在顺层面剪切时取得抗剪强度最小值；②随着滑动倾向角的增加，抗剪强度有所提高，在30°时取得抗剪强度的最大值，这与现有研究成果一致[10]；③在30°至75°区间时，抗剪强度整体上呈下降趋势，在75°达到局部极小值；④在90°时抗剪强度稍有回升，为抗剪强度的局部极大值；⑤随着滑动倾向角ψ的继续增加，90°至180°区间内抗剪强度整体呈下降趋势，但可以明显地看到在135°时抗剪强度存在局部极大值，这是由于135°时大主应力与层面近于垂直，使层面密实，强度有所提高。然而，现有文献在120°时取得局部极大值[12]，这应与本文滑动倾向角的间距选取较为密集有关，若将本试验结果换成滑动倾向角间距较大情况时（如滑动倾向角间距为30°），也存在与现有文献相同的结果。
为了进一步地探究法向应力对抗剪强度各向异性的影响，这里定义抗剪强度各向异性度Rd，计算公式为：
$$ {R_{\text{d}}} = \frac{{{\tau _{\max }} - {\tau _{\min }}}}{{{\tau _{\max }} + {\tau _{\min }}}} $$ (1) 式中：τmax、τmin分别为同一法向应力下抗剪强度的最大值与最小值，Rd为抗剪强度各向异性度（无量纲）。抗剪强度各向异性度越大，不同滑动倾向角下抗剪强度最大值与最小值差别越明显。经计算得出法向应力10 MPa、20 MPa时对应的抗剪强度各向异性度分别为0.206、0.090，这说明低法向应力时抗剪强度各向异性程度较高，法向应力的增加显著抑制了抗剪强度的各向异性程度。
2.2 剪切应力-位移曲线特征
由抗剪强度各向异性度Rd可知，法向应力较低时各向异性特征更为明显，为了突出剪切方向差异引起的剪切变形各向异性特征，这里选取法向应力10 MPa对应的剪切应力−位移曲线为例，分析不同剪切方向下页岩的变形各向异性特征。根据剪切应力−位移曲线特征，同时考虑后文中得到的不同滑动倾向角下剪切力学行为的差异性，按滑动倾向角将层状岩石分为3组，即层面张拉与基质剪切组（15°～60°）、基质剪切组（75°～120°）、基质与层面剪切组（135°～180°），试验结果如图4所示。
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图 4 法向应力10 MPa时剪切应力−剪切位移曲线Figure 4. Shear stress-shear displacement curve at 10 MPa normal stress可以发现三组试样均存在压密阶段与弹性阶段，在压密阶段，随着剪切位移的增加，剪切应力增加得较为缓慢，这是由于初始阶段剪切压头与试样间的间隙并未完全压密，且沿着剪切方向试样内部存在微孔隙或微裂纹。在该阶段可以明显发现，90°剪切位移持续较长，其次是顺层面剪切。这是由于90°剪切方向与层面垂直，使得层面间的微空隙可以得以充分压实；而顺层面剪切时剪切方向沿层面方向，在上下剪压头作用下沿层面的错动较为容易。
随着剪切位移的施加，曲线逐渐由剪切压密阶段向弹性阶段过渡。在弹性阶段，由于岩石内部的微裂纹及孔隙已被压密，试样近似弹性体，力学行为较稳定，因此，剪切应力随着剪切位移的施加近似呈线性变化，且此阶段在4个阶段中持续的剪切位移最大。
弹性阶段之后仅75°～120°组存在裂纹扩展阶段，且峰前应力降现象明显。值得注意的是，15°～60°组中15°时也存在峰前应力降现象；30°时峰值附近存在应力波动，说明剪切过程中剪切微裂纹的扩展并不连续，从而导致应力升降交替，除此外不存在其他明显的裂纹扩展特征。
峰后阶段，75°～120°组、135°～180°组剪切应力骤降，破坏在瞬间即完成；15°～60°组中30°、45°峰后应力降呈“阶梯”状，说明张拉与剪切交替明显，张拉后凸起被再次剪切。
2.3 法向应力对剪胀性的影响
图5显示了不同法向应力下各滑动倾向角对应的法向位移−剪切位移曲线。其中，法向位移为正值表示剪缩，为负值表示剪胀。随着法向应力的提高试样整体上由剪胀向剪缩过渡，这说明法向应力的提高抑制了剪胀效应的发生。与其他滑动倾向角不同的是，180°与30°时法向应力越大剪胀性反而越明显。对于180°，法向应力与层面垂直，法向应力越大，剪切前的法向压密越显著，后期剪切过程中不易被进一步压缩，剪胀效应显现。对于滑动倾向角30°情况，此角度下层面张拉更明显，高法向应力促进了垂直于层面方向的张拉裂纹产生。
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图 5 不同法向应力下法向位移—剪切位移曲线Figure 5. Normal displacement-shear displacement curves under different normal stresses2.4 全角度剪切破坏模式划分
各组试样的全剪切应力−位移曲线特征存在一定的相似性，这种相似性是剪切破坏机制相似的反映，更是划分剪切破坏模式的有力依据。下文对各组的剪切破坏形态进行对比，以验证按剪切力学性能异同划分剪切破坏模式的合理性，并探究法向应力对剪切破坏形态的影响。
2.4.1 层面张拉与基质剪切组
如表1所示，不同法向应力作用下，页岩的最终剪切破坏形态基本一致。15°时自剪切带端部起裂纹大致沿层面扩展，裂纹向剪切带中部扩展过程中也存在穿透基质体的剪切破坏，破坏面与层理面大致平行。30°时端部张拉效果显著，裂纹自剪切带两端起裂且与层理面大致平行，但越向剪切带中心扩展这种平行趋势逐渐减弱，基质体的剪切破坏越显著。裂纹相互交错，剪切带附近出现大量塑性区，形成了与层理面大致平行的雁列状裂纹。45°时在剪切带端部产生少量沿层理面扩展的张拉裂纹，层面的张拉效果明显减弱。60°时页岩的剪切断面均与剪切面呈微小角度，张拉作用进一步减弱，基质体的剪切作用增强。
表 1 层面张拉与基质剪切组破坏形态与破坏模式Table 1. Damage morphology and damage pattern of layer tension and matrix shear group条件 ψ = 15° ψ = 30° ψ = 45° ψ = 60° 法向 
应力 10 MPa 法向 
应力 20 MPa 破坏模式 垂直层面的张拉与基质的剪切破坏 由页岩的剪切破坏形态随滑动倾向角的演化规律可知：沿层面端部的张拉破坏由弱变强再变弱，30°时层面的张拉效应最强；基质体的剪切破坏随滑动倾向角增大由弱变强。因此，层面张拉及基质剪切组（15°～60°）的破坏模式是层面的张拉破坏以及基质体的剪切破坏，且法向应力对剪切破坏形态的影响不大。
2.4.2 基质剪切组
如表2所示，法向应力20 MPa条件下页岩的剪切破坏形态较法向应力10 MPa时更复杂一些，但两种法向应力条件下，裂纹的扩展规律存在明显的一致性，即该组试样剪切面端部均存在与剪切面成一定夹角的裂纹。这是由于剪切面与层理面最接近于垂直关系且基质体的剪切强度相对较强，裂纹倾向于斜穿层理弱面且与剪切面呈一定的夹角扩展。需要注意的是，剪切带两端向中部扩展的裂纹并未在剪切带中部相连，且随着剪切面端部的应力愈发集中，与层理面接近垂直的新裂纹在剪切面附近瞬间贯通形成破坏面，这也解释了该组的剪切应力−剪切位移曲线在峰前均存在明显应力降现象的原因。
表 2 基质剪切组破坏形态与破坏模式Table 2. Damage morphology and damage pattern of matrix shear group条件 ψ = 75° ψ = 90° ψ = 105° ψ = 120° 法向 
应力 10 MPa 法向 
应力 20 MPa 破坏模式 斜穿层理面基质的剪切破坏 由页岩的剪切破坏形态可知，该组试样主要发生斜穿层理弱面基质体的剪切破坏，且法向应力对试样的最终破坏形态影响较大。
2.4.3 基质与层面剪切组
如表3所示，该组试样在不同法向应力条件下的剪切破坏形态表现出非常强的一致性，说明法向应力的改变对基质与层面剪切组的剪切破坏形态的影响十分微小。135°时小主应力与层理面大致平行，大主应力垂直于层理面，使层理面压密，不易产生平行于层理面的剪切裂纹，穿透基质体的剪切裂纹也较难扩展，这也解释了滑动倾向角135°时取得局部抗剪强度极大值的原因。相较于135°，150°、165°时层理面与剪切面夹角较小且为顺倾向剪切，较易沿层理面发生剪切破坏，剪切断面呈锯齿状分布。180°时主要沿层理面发生剪切破坏，剪切诱导的张拉裂纹极难穿基质体，且层理面作为弱面，因此抗剪强度较低且剪切面较平整，剪切带较窄，无雁列状张拉裂纹出现。
表 3 基质与层面剪切组破坏形态与破坏模式Table 3. Damage morphology and damage pattern of shear group of matrix and layer条件 ψ = 135° ψ = 150° ψ = 165° ψ = 180° 法向 
应力 10 MPa 法向 
应力 20 MPa 破坏模式 基质与层理面的剪切破坏 该组试样主要发生基质体的剪切破坏与层理弱面的剪切滑移破坏，剪切破坏形态较为简单且法向应力对试样的最终破坏形态影响十分微小。
3. 裂纹演化与破坏模式的数值分析
对于层状岩石的细观力学行为研究方面，单轴压缩、巴西劈裂较为常见[17-18]，而考虑逆倾向和顺倾向剪切的全角度直剪较为罕见。离散元软件PFC的计算原理主要基于力−位移定律和牛顿第二定律，采用显式有限差分方法进行循环迭代求解，适于分析细观裂纹演化规律。此次采用PFC2D程序对法向应力10 MPa条件下0°、30°、90°、150°试样进行模拟，以研究各剪切破坏模式下层状页岩的细观力学行为，并为试验分析结果提供有益补充。
3.1 离散元数值模型简介
数值模拟中的裂纹是两颗粒间的接触失效后产生的，通过编写程序可将层面与基质体处产生的裂纹进行区分并用不同颜色标记，数值模型及裂纹类型如图6所示。
数值模型的构建过程如下，首先，随机生成
9735 个不同粒径的颗粒（颗粒最大半径与最小半径分别为0.32、0.2 mm），且模型尺寸与试样尺寸一致（边长为50 mm立方体）。接着使用平行黏结接触（BPM）将颗粒进行胶结生成不含层理面的完整岩石（基质体），最后使用光滑节理接触（SJM）替换平行粘结接触便生成层理面，两层理面的间隔为4 mm。由于每一滑动倾向角下试样内部结构特征不同，故使用“试错法”对每一滑动倾向角下的接触参数进行筛选，当模拟与试验对应的剪切应力−位移曲线与最终破坏形态相近时停止试错，经过反复筛选得到的细观接触参数见表4。
表 4 颗粒接触参数Table 4. Particle contact parameters滑动倾向
角/(°)基质有效
模量/Pa基质刚度比 基质黏聚
力/Pa基质拉伸
强度/Pa层理法向
刚度/（Pa·m−1）层理切向
刚度/（Pa·m−1）层理黏聚
力/Pa层理拉伸
强度/Pa0 1.90×109 1.65 4.30×107 0.82×108 4.20×1012 2.50×1012 3.30×107 4.00×107 30 4.00×109 1.65 5.30×107 1.50×108 4.50×1012 2.70×1012 6.30×107 3.30×107 90 2.00×109 1.65 4.20×107 1.50×108 3.50×1012 2.00×1012 3.50×107 2.60×107 150 3.00×109 1.65 3.90×107 1.40×108 3.00×1012 1.50×1012 2.80×107 3.10×107 3.2 各类裂纹随剪切位移的演化特征
图7展示了剪切过程中各类裂纹演化规律及试验与数值结果，需要注意的是，模拟剪切之前必须要对数值模型进行预压、胶结处理，这导致模拟曲线中不存在压密阶段，而试验曲线中存在呈“下凹状”的压密阶段。但从整体上看，模拟与试验的剪切刚度、强度基本一致，这说明颗粒接触参数的选取较为合适，同时保证了数值模拟结果的可靠性。
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图 7 不同剪切方向下各类裂纹数量随剪切位移的演化规律Figure 7. Evolution of number of various types of cracks with shear displacement under different shear directions各滑动倾向角下裂纹数目随剪切位移的演化特征相似，在剪切应力峰值点之前各类裂纹数目均增长缓慢，峰值点之后各类裂纹数目增长迅速，说明裂纹并非完全产生于剪切应力峰值点之前，且达到剪切应力峰值时受损的页岩不能继续承受当前所施加的外力。值得注意的是，不同剪切方向所对应的各类裂纹数目之比均不相同，说明层理效应影响下页岩的剪切破坏机制有所不同。
在残余强度时统计各滑动倾向角对应的各裂纹数目，获得如图8所示裂纹数目柱状图。从图中可以清楚地看出：顺层面剪切时层理面的剪切裂纹占比最多，以层理面的剪切破坏为主；30°时层理面的拉伸裂纹占比最多，其次是基质体的剪切裂纹，30°时为层面的张拉与基质的剪切破坏；90°时基质体的剪切裂纹占比最多，90°以基质的剪切破坏为主；150°时层面的剪切裂纹占比最多，其次是基质体的剪切裂纹，150°时为基质与层面的剪切破坏。
3.3 剪切方向对破坏形态的影响
图9对比了滑动倾向角0°与90°、30°与150°情况下试验与模拟的破坏形态。顺层面剪切时以层理面的剪切破坏为主，剪切断面与层理大致平行。90°时以基质体的剪切破坏为主，同时受到层理弱面的影响在剪切面端部存在剪切面成一定夹角的剪切裂纹；30°时层面的张拉效果显著，该滑动倾向角下发生层理面的张拉及基质体的剪切破坏。150°时为层理面的剪切滑移及剪断基质体的剪切破坏。
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图 9 不同剪切方向下破坏形态对比Figure 9. Comparison of damage patterns under different shear directions通过对比0°与90°、30°与150°的剪切破坏形态可知：不同剪切方向下（特别是逆倾向与顺倾向下）页岩的剪切破坏形态存在显著的差异性，说明剪切方向的改变会导致页岩的剪切破坏机制发生改变。不同剪切滑动倾向角下细观裂纹演化规律不同，导致层状页岩宏观剪切力学特征与破坏形态表现出了明显的各向异性。
4. 讨 论
在剪切过程产生张拉裂纹或剪切裂纹时声发射特征值有所不同，即产生张拉裂纹时声发射事件的RA值（上升时间与振幅的比值）较小且AF值（声发射振铃计数与持续时间的比值）较大，产生剪切裂纹时则相反[19]。根据这一规律可以区分试验过程中产生的裂纹类型。然而，剪切裂纹与张拉裂纹的划分方法没有统一的标准，甘一雄等[20]基于花岗岩巴西劈裂试验采集的声发射结果，研究了RA与AF值分布随时间的变化规律，并探讨了剪切裂纹与张拉裂纹的划分标准。王聚贤等[21]讨论了分界线的确定方法，并使用拐点监测Kneedle算法确定分界线方程。
为了进一步地探讨剪切方向对剪切破坏模式的影响，基于声发射特征参数RA与AF值，对法向应力10 MPa条件下0°、30°、90°、150°页岩试样剪切过程中产生的张拉裂纹及剪切裂纹进行声发射特征研究。这里为避免声发射设备及材料属性的影响，将AF、RA参数归一化处理，并取RA-AF平面密度散点图的对角线为划分裂纹类型的边界（图10中白色虚线），边界上侧表示发生张拉裂纹的事件数，下侧表示发生剪切裂纹的事件数。
由图10可知，各滑动倾向角下声发射事件多数聚集地分布于剪切裂纹一侧，而张拉裂纹一侧相对较少，说明各破坏模式下张拉破坏与剪切破坏同时存在且以剪切破坏为主。在张拉裂纹一侧，30°时的声发射事件最多，其次是90°，0°与150时的张拉裂纹最少，这一结果验证了30°时层面张拉效果显著而0°、90°、150°时以剪切破坏为主的破坏现象。
5. 结 论
1）剪切强度自30°起随着滑动倾向角的增加整体上呈逐渐减小趋势，且均在顺层面剪切时取得剪切强度的最小值，30°时取得最大值，90°、135°时取得局部极大值。
2）层状页岩的剪切力学行为表现出明显的各向异性，仅基质剪切组剪切曲线存在峰前应力降现象，在峰后阶段，层面张拉与基质剪切组应力呈“阶梯”状降落，基质剪切组和基质与层面剪切组应力跌落特征明显。
3）剪切破坏模式表现出了各向异性特征，滑动倾向角15°～75°时为层面的张拉破坏与基质体的剪切破坏，90°～120°时为斜穿层理弱面剪断基质体的剪切破坏，135°～180°时为基质体的剪切与沿层理弱面的剪切滑移破坏。
4）滑动倾向角30°时层理面的拉伸裂纹数目最多，其次是基质体的剪切裂纹；90°时基质体的剪切裂纹数目最多；150°时层面的剪切裂纹数目较多，其次是基质体的剪切裂纹；顺层面剪切时层理面的剪切裂纹数量占优。
5）层状页岩直剪破坏过程中张拉破坏与剪切破坏同时存在且以剪切破坏为主，滑动倾向角30°时张拉破坏最为明显，其次是90°，顺层面剪切与150°时张拉破坏特征最弱。
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图 1 标准页岩试样及滑动倾向角定义
Figure 1. Standard shale specimen and sliding tendency angle definition
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图 3 抗剪强度随滑动倾向角演化规律
Figure 3. Distribution of shear strength with sliding tendency angle
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图 4 法向应力10 MPa时剪切应力−剪切位移曲线
Figure 4. Shear stress-shear displacement curve at 10 MPa normal stress
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图 5 不同法向应力下法向位移—剪切位移曲线
Figure 5. Normal displacement-shear displacement curves under different normal stresses
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图 7 不同剪切方向下各类裂纹数量随剪切位移的演化规律
Figure 7. Evolution of number of various types of cracks with shear displacement under different shear directions
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图 9 不同剪切方向下破坏形态对比
Figure 9. Comparison of damage patterns under different shear directions
表 1 层面张拉与基质剪切组破坏形态与破坏模式
Table 1 Damage morphology and damage pattern of layer tension and matrix shear group
条件 ψ = 15° ψ = 30° ψ = 45° ψ = 60° 法向 应力 10 MPa 法向 应力 20 MPa 破坏模式 垂直层面的张拉与基质的剪切破坏 
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表 2 基质剪切组破坏形态与破坏模式
Table 2 Damage morphology and damage pattern of matrix shear group
条件 ψ = 75° ψ = 90° ψ = 105° ψ = 120° 法向 应力 10 MPa 法向 应力 20 MPa 破坏模式 斜穿层理面基质的剪切破坏
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表 3 基质与层面剪切组破坏形态与破坏模式
Table 3 Damage morphology and damage pattern of shear group of matrix and layer
条件 ψ = 135° ψ = 150° ψ = 165° ψ = 180° 法向 应力 10 MPa 法向 应力 20 MPa 破坏模式 基质与层理面的剪切破坏
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表 4 颗粒接触参数
Table 4 Particle contact parameters
滑动倾向
角/(°)基质有效
模量/Pa基质刚度比 基质黏聚
力/Pa基质拉伸
强度/Pa层理法向
刚度/（Pa·m−1）层理切向
刚度/（Pa·m−1）层理黏聚
力/Pa层理拉伸
强度/Pa0 1.90×109 1.65 4.30×107 0.82×108 4.20×1012 2.50×1012 3.30×107 4.00×107 30 4.00×109 1.65 5.30×107 1.50×108 4.50×1012 2.70×1012 6.30×107 3.30×107 90 2.00×109 1.65 4.20×107 1.50×108 3.50×1012 2.00×1012 3.50×107 2.60×107 150 3.00×109 1.65 3.90×107 1.40×108 3.00×1012 1.50×1012 2.80×107 3.10×107
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