水巖作用下露天礦坑蝕變巖三軸壓縮試驗分析

馮佰研，付厚利，秦 哲，牛傳星，亓偉林

(1.山東科技大學(xué)，山東青島 266590；2.臨沂大學(xué)，山東臨沂 276000；3.山東省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266590)

水巖作用下露天礦坑蝕變巖三軸壓縮試驗分析

馮佰研1，3，付厚利1，2，秦 哲1，3，牛傳星1，3，亓偉林1，3

(1.山東科技大學(xué)，山東青島 266590；2.臨沂大學(xué)，山東臨沂 276000；3.山東省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266590)

本文研究水位升降對邊坡穩(wěn)定的影響。選取萊州倉上露天礦坑邊坡蝕變巖樣，對不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的蝕變巖進行了三軸壓縮試驗。對SγJH粘聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系、內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系做了回歸分析，考慮到粘聚力受水巖作用影響較大，構(gòu)建粘聚力與應(yīng)變軟化參數(shù)聯(lián)系方程，描述峰后粘聚力變化。進一步分析飽水-失水溶液成分，討論飽水-失水循環(huán)對蝕變巖力學(xué)性質(zhì)損傷機理。結(jié)果表明，隨循環(huán)次數(shù)增加，SγJH內(nèi)摩擦角呈指數(shù)形式減小，粘聚力呈二次多項式形式降低；峰后粘聚力隨軸向應(yīng)變變化規(guī)律可用雙曲函數(shù)描述。關(guān)于蝕變巖受水巖作用影響機理，從水物理角度看，SγJH內(nèi)部的微缺陷進一步發(fā)展，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)的改變；從水化學(xué)角度，SγJH中由蝕變產(chǎn)生的黃鐵礦及碳酸鹽成分發(fā)生水解或離子交換，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。水位升降時蝕變巖粘聚力變化明顯，對邊坡穩(wěn)定性有較大影響。

水巖作用 蝕變巖 三軸壓縮試驗 巖石損傷規(guī)律

Feng Bai-yan, Fu Hou-li, Qin Zhe, Niu Chuan-xing, Qi Wei-lin. Triaxial compression tests on altered rock at an open pit under water-rock interaction[J]. Geology and Exploration, 2016,52(3):0564-0569.

0 引言

蝕變巖是近礦圍巖與熱液發(fā)生反應(yīng)時，一系列新物質(zhì)通過交代作用替代舊物質(zhì)而形成巖石。蝕變巖相對其他巖石有著明顯區(qū)別，經(jīng)歷水巖作用后其力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著改變。常規(guī)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中以普通巖石為研究對象，很難得出水位升降對巖質(zhì)礦坑邊坡穩(wěn)定性影響。

王旭東等(2007)、楊燕等(2009)、魏偉等(2012)、苗朝等(2014)對自然狀態(tài)及飽水狀態(tài)下蝕變巖的力學(xué)特性進行研究，通過三軸壓縮試驗探明水巖作用對其力學(xué)性質(zhì)損傷以粘聚力降低及內(nèi)摩擦角減小為主。王永新(2006)、劉新榮等(2009)、王新剛(2014)對水巖作用影響下的邊坡穩(wěn)定性進行探索，提出了水位升降是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。曹平等(2010)、姜永東等(2011)、鄧華峰等(2012)、劉業(yè)科(2012)、郭宏云等(2013)、朱敏(2013)、宋勇軍等(2014)通過試驗對經(jīng)過飽水-失水循環(huán)的巖石力學(xué)性質(zhì)進行研究，得出了水巖作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)損傷規(guī)律。楊慶等(2003)、付金偉等(2013)、張明等(2013)、張巍等(2013)、楊逾等(2014)、柴肇云等(2015)在探索巖石損傷規(guī)律的基礎(chǔ)上進一步進行了巖石的損傷機理分析。

國內(nèi)外在有關(guān)水對蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)影響研究及水巖作用下巖石力學(xué)性質(zhì)變化機理研究方面已有很多成果，但仍然很難定性定量描述蝕變巖受水巖作用影響規(guī)律，同時飽水-失水循環(huán)作用下的蝕變巖力學(xué)性質(zhì)變化機理尚未探明，不能滿足水位升降工程條件下的露天礦坑邊坡穩(wěn)定性研究的需要。

本文依托《三山島倉上露天坑尾礦庫邊坡安全狀態(tài)監(jiān)測、分析及預(yù)警技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究》科研項目，倉上露天坑于2013年開始作為三山島選礦廠尾礦庫使用，坑內(nèi)水位不斷升降對邊坡穩(wěn)定性的影響日益突出。故選取倉上露天坑尾礦庫邊坡3#蝕變帶處黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJH)制成標準巖樣，將經(jīng)歷不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的巖樣進行巖石三軸壓縮試驗。分析巖樣的粘聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系，內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系，對SγJH力學(xué)參數(shù)進行回歸分析，構(gòu)建回歸函數(shù)對水巖作用下蝕變巖力學(xué)參數(shù)變化進行描述；選定受水巖作用影響較大的力學(xué)參數(shù)，進一步探究力學(xué)參數(shù)與應(yīng)變軟化參數(shù)關(guān)系；結(jié)合不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)溶液成分比較，討論水巖作用對蝕變巖力學(xué)性質(zhì)損傷機理，探究水巖作用對蝕變巖石的影響。

1 三軸壓縮試驗

1.1 巖樣制作與試驗準備

現(xiàn)場采取鉆孔取芯的方法對蝕變巖SγJH進行巖樣采集，SγJH工程地質(zhì)特征如表1所示。

根據(jù)含水率試驗結(jié)果：SγJH巖樣在浸水48小時狀態(tài)下和浸水24小時相比含水率僅提高0.04%，綜合考慮確定試驗飽水-失水循環(huán)模擬時間為浸水24小時后烘干12小時。

加工巖樣成標準巖樣(高為100mm，直徑50mm)，剔除外觀上有明顯層理和裂痕的巖樣，再通過聲波儀測定巖樣波速，選取有代表性的巖樣作為試驗巖樣。將巖樣在水中浸泡24小時后取出，置于烘箱內(nèi)12小時至恒重，為一次飽水-失水循環(huán)模擬；根據(jù)飽水-失水循環(huán)模擬方法制作不同循環(huán)次數(shù)的巖樣試件(1次，5次，15次)。

表1 巖石工程地質(zhì)特征一覽表

1.2 試驗方案

三軸壓縮試驗均采用山東科技大學(xué)自行研發(fā)的TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗機。由于現(xiàn)場試驗條件的局限性，三軸壓縮試驗運用假三軸試驗方法(σ2=σ3)測定巖石的抗剪強度。

將經(jīng)歷不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)(1次，5次，15次)的巖樣，分別進行三軸壓縮試驗(圍壓分別為2MPa，5MPa，9MPa)。對試件的軸向進行緩慢加載并直到巖塊發(fā)生破壞，記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變變化，并對破壞狀態(tài)進行詳細描述；注意在試件的破壞面比較完整的情況下，應(yīng)當(dāng)測定最大軸向力作用面與破壞面兩者間的角度值，以校核由試驗數(shù)據(jù)計算得到的內(nèi)摩擦角。

1.3 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，利用摩爾圓求得巖樣粘聚力C、內(nèi)摩控角φ，三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 飽水-失水循環(huán)作用下三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)

2 力學(xué)參數(shù)回歸分析

2.1 內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系

內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線見圖1。

圖1 內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of inner-friction angle and cycle times

φ=7.934exp(-n/2.67)+42.197(n=0,1,5,15)

蝕變巖試件的內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)形式減小，振幅A1=7.934；經(jīng)歷15次飽水-失水循環(huán)后，SγJH內(nèi)摩擦角減小至自然狀態(tài)的84.6%。

水巖作用下SγJH內(nèi)摩擦角變化規(guī)律與未蝕變花崗巖相似(王永新，2006)，振幅A1與普通巖石較為接近，損傷程度也與普通巖石基本相同。

2.2 粘聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系

粘聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線見圖2。

圖2 粘聚力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.2 Relation carve of cohesion and cycle times

C=3.927-0.326×n+0.010×n2(n=0,1,5,15)

由圖2可知，SγJH試件的粘聚力隨循環(huán)次數(shù)的增加呈二次多項式形式降低，15次飽水-失水循環(huán)作用下SγJH的粘聚力明顯低于其他試件，損傷率可達到70%。

與花崗巖等未蝕變巖石不同，SγJH巖石內(nèi)部由于蝕變作用產(chǎn)生較多微缺陷，且在水巖作用下微缺陷發(fā)育迅速，巖石損傷效應(yīng)遠大于硬化效應(yīng)；SγJH經(jīng)歷水巖作用后，黃鐵礦、絹云母及長石等礦物成分發(fā)生水解反應(yīng)或離子交換，導(dǎo)致巖石礦物成分發(fā)生改變，巖石損傷效應(yīng)進一步增強。故蝕變巖SγJH粘聚力損傷極為明顯。

2.3 粘聚力與應(yīng)變軟化參數(shù)關(guān)系

邊坡巖石在承受超過其承載能力的荷載后，將發(fā)生破壞，而破壞巖體力學(xué)性質(zhì)隨應(yīng)變增加而變化的規(guī)律研究，對邊坡安全評價有極為重要的作用。從力學(xué)性質(zhì)損傷角度來看，水巖作用對蝕變巖力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在粘聚力降低方面。故蝕變巖達到峰值應(yīng)變后，其粘聚力隨應(yīng)變變化規(guī)律對露天礦坑穩(wěn)定性分析有著重要意義。

圖3 粘聚力隨軸向應(yīng)變演化曲線Fig.3 Evolution curve of cohesion with axial strain

3 蝕變巖經(jīng)歷水巖作用機制分析

從水物理角度分析：蝕變作用下巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別在水巖作用下蝕變巖內(nèi)部的微缺陷進一步發(fā)育，進而導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)的改變。

SγJH相對于花崗巖等未蝕變巖石有著更多的微缺陷或不均勻性，在飽水-失水循環(huán)作用下SγJH的微裂紋、無膠結(jié)空洞等進一步發(fā)育。具體表現(xiàn)為：經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)后，蝕變巖內(nèi)摩擦角呈指數(shù)形式減小及粘聚力呈二次多項式形式下降。

從水化學(xué)角度分析：蝕變作用改變了巖石礦物組成，相較未蝕變花崗巖，SγJH中增加了黃鐵礦、絹云母等礦物成分，主要陽離子有Fe2+、Fe3+、Al3+、K+等，主要陰離子有SO42-、CO32-、SiO32-等。

為探究水化學(xué)作用對蝕變巖影響，對飽水-失水循環(huán)后的溶液進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3。

表3 試件浸泡溶液化學(xué)分析

在經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)后，SγJH礦物成分發(fā)生水解反應(yīng)及離子交換。根據(jù)溶液化學(xué)成分分析，溶液中Fe3+、K+、SO42-及CO32-成分增加明顯，即SγJH中黃鐵礦及碳酸鹽成分發(fā)生水解或離子交換。

在水化學(xué)作用下，巖體礦物成分及膠結(jié)物等由于水解反應(yīng)或離子交換而溶解，從而使巖石微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變巖石性狀。蝕變巖在蝕變作用下，礦物組成發(fā)生改變，新產(chǎn)生的礦物成分對水更加敏感，水化學(xué)作用下?lián)p傷更加明顯。具體表現(xiàn)為：SγJH內(nèi)摩擦角減小程度與普通巖石相似，但粘聚力降低極為明顯，損傷率接近70%。

4 結(jié)論

本文以倉上露天礦坑為工程背景，考慮水位升降對礦坑邊坡穩(wěn)定性影響，對該地區(qū)蝕變帶巖樣進行了三軸壓縮試驗。通過探究不同循環(huán)次數(shù)下巖樣的內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系、粘聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系，選定受水巖作用影響較大的力學(xué)參數(shù)，建立力學(xué)參數(shù)與應(yīng)變軟化參數(shù)關(guān)系式，結(jié)合溶液化學(xué)成分分析，討論水巖作用對蝕變巖力學(xué)性質(zhì)損傷機理，得到結(jié)論如下：

(1)SγJH內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)形式減小，振幅A1=7.934；經(jīng)歷15次飽水-失水循環(huán)后，SγJH內(nèi)摩擦角減小至自然狀態(tài)的84.6%。水巖作用下SγJH內(nèi)摩擦角變化規(guī)律與未蝕變花崗巖相似。

(2)SγJH粘聚力隨循環(huán)次數(shù)的增加呈二次多項式形式降低，15次飽水-失水循環(huán)作用下SγJH的粘聚力明顯低于其他試件，損傷率可達到70%。

(4)從水物理角度講：水巖作用下SγJH內(nèi)部的微缺陷進一步發(fā)育，進而導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)的改變，表現(xiàn)為：水巖作用下SγJH內(nèi)摩擦角呈指數(shù)形式減小及粘聚力呈二次多項式形式下降。從水化學(xué)角度講：蝕變巖在蝕變作用下，礦物組成發(fā)生改變，SγJH中蝕變產(chǎn)生的黃鐵礦及碳酸鹽成分發(fā)生水解或離子交換，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為：SγJH內(nèi)摩擦角減小程度與普通巖石相似，但粘聚力降低極為明顯，損傷率接近70%。

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Triaxial Compression Tests on Altered Rock at an Open Pit Under Water-Rock Interaction

FENG Bai-yan1，3，F(xiàn)U Hou-li1，2，QIN Zhe1，3，NIU Chuan-xing1，3，QI Wei-lin1，3

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590；2.LinyiUniversity,Linyi,Shandong276000；3.ShandongProvinceKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigation,Qingdao,Shandong266590)

The objective of this study was to explore the effect of water level variation on slope stability. Samples of altered rock were collected from an open-pit slope in Cangshang, Laizhou of Shandong Province. On these samples, triaxial compression tests were carried out to examine the effect of different saturation-dehydration circulating frequencies. After regressing the variation rules of SγJH cohesion and friction angle with cycle times, the most influential factor under water rock interaction was determined. The influence of post-peak cohesion with strain softening parameter was described using the correlation equation. The solution composition after saturation-dehydration circulating was researched to reveal mechanical damage mechanisms of altered rock under water rock interaction. The results indicate that the friction angle of SγJH decreases exponentially with increasing cycle times and cohesion drops polynomially. The law of post-peak cohesion changing with axial strain can be described by a hyperbolical function. On the mechanism of water -rock interaction affecting altered rock, analysis of hydrophysics suggests that micro-defects in SγJH develops further, leading to the variation of mechanical properties. From hydrochemistry. mineral components from alteration, such as pyrite and carbonate, can cause hydrolyzation or ion exchange, also changing the mechanical properties. Altered rock cohesion changes significantly as water level rises and falls, which poses great influence on the long-term stability of the slope.

water rock interaction, altered rock, triaxial compression test, damage rule of rock

2015-12-26；

2016-04-26；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

馮佰研(1992年-)，男，碩士研究生，研究方向為巖土力學(xué)理論與應(yīng)用。E-mail: 562636552@qq.com。

TU458+.3

A

0495-5331(2016)03-0564-06