柱狀節(jié)理玄武巖表觀塊度與變形模量差異原因分析

荀曉慧，謝立香，聶德新

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059;2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610072)

1 引言

巖體的塊度是劃分巖體完整性的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的重要依據(jù)。塊度及其形狀,主要由巖體中的不連續(xù)面的幾何結(jié)構(gòu)所控制。其中不連續(xù)面的組數(shù)、間距等是主要的控制因素。許多學(xué)者對(duì)巖體塊度的劃分方法、工程應(yīng)用等開展過研究[1-3]。揭示的通常規(guī)律是，堅(jiān)硬巖體中，巖體的塊度越大，完整性越好，巖體質(zhì)量等級(jí)越高，巖體的抗變形能力越強(qiáng)，變形模量就越高。這一規(guī)律在柱狀節(jié)理玄武巖中出現(xiàn)了異常。研究區(qū)域——金沙江下游某水電站壩址區(qū)的柱狀節(jié)理玄武巖，其塊度很小，但同時(shí)具有很高的變形模量，與以往的認(rèn)識(shí)有很大的不同。

關(guān)于柱狀節(jié)理玄武巖，王毅[4]，Shi Anchi[5]等研究過這類巖體的力學(xué)特性，獲得了其變形模量量值范圍、變形各項(xiàng)異性特征、尺度特征等成果。但總體而言，對(duì)于柱狀節(jié)理玄武巖塊度特征與變形模量量值不對(duì)應(yīng)的特性，沒有學(xué)者開展過研究。本文在現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入分析了柱狀節(jié)理玄武巖巖體塊度小，但縱波波速高、變形模量大的原因。

2 柱狀節(jié)理玄武巖塊度特征及變形參數(shù)

2.1 柱狀節(jié)理玄武巖巖體結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)平洞內(nèi)揭露的柱狀節(jié)理玄武巖開展結(jié)構(gòu)面精測(cè)工作，獲得洞壁巖體內(nèi)所有結(jié)構(gòu)面的空間發(fā)育情況，根據(jù)其裂隙條數(shù)、產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、分組特征等，利用切割軟件，獲得巖體不同洞段的塊度特征，見表1。根據(jù)表中實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，不同洞段的柱狀節(jié)理玄武巖巖體塊度多在0.2～0.3 m之間，僅個(gè)別洞段塊度達(dá)到0.4～0.5 m，整體而言，巖體塊度較小。

表1 壩址區(qū)玄武巖塊度特征

2.2 柱狀節(jié)理玄武巖變形參數(shù)量值

在前面開展巖體塊度測(cè)量的平洞中進(jìn)行變形試驗(yàn)和聲波測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 壩址區(qū)玄武巖變形模量及波速試驗(yàn)成果

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)點(diǎn)位處的柱狀節(jié)理玄武巖，盡管塊度多在0.2～0.3 m之間，但其波速值均在4 000 m/s以上，變形模量除了2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的結(jié)果在10 GPa左右，其余均在20 GPa以上，巖體體現(xiàn)了較高的抗變形能力，柱狀節(jié)理玄武巖塊度小，但同時(shí)具有高變形模量、高縱波波速的特點(diǎn)。這與通常見到的塊度越高，則波速和模量也越高的常規(guī)規(guī)律相反，同時(shí)，這一現(xiàn)象也沒有學(xué)者開展過研究。了解柱狀節(jié)理玄武巖這一特性的內(nèi)在影響因素及本質(zhì)原因，對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖的可利用程度、未來建基面開挖柱狀節(jié)理玄武巖暴露后表現(xiàn)的松弛特征、工程建設(shè)中的施工方法或注意事項(xiàng)等方面的研究有著至關(guān)重要的作用。

3 塊度與變形參數(shù)不匹配的原因

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，柱狀節(jié)理玄武巖具有如下典型特性：

(1) 介質(zhì)本身特性

巖石介質(zhì)本身的特性是決定巖體力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，而介質(zhì)本身的特性可以通過物理指標(biāo)來反映。表3是收集的研究區(qū)玄武巖物理力學(xué)指標(biāo)，從表中可以看出，柱狀節(jié)理玄武巖巖石的比重、容重均高于斜斑玄武巖、杏仁玄武巖等其它玄武巖，同時(shí)在孔隙率和吸水率上低于其它巖石，巖石介質(zhì)的這些特性決定了柱狀節(jié)理玄武巖巖石的力學(xué)性質(zhì)要優(yōu)于研究區(qū)其它巖性的巖石，從表中抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)上也有清晰反映。因此，巖石介質(zhì)本身的特性，是柱狀節(jié)理玄武巖具備高波速、高模量的先決條件。

(2) 結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域柱狀節(jié)理玄武巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育有如下特點(diǎn)：

① 在弱下-微新無卸荷巖體中，結(jié)構(gòu)面色澤光鮮，嵌合緊密。

表3 研究區(qū)玄武巖物理力學(xué)指標(biāo)

② 柱體中原生微裂紋發(fā)育，但裂紋尚未發(fā)展成裂隙，未受爆破等外界擾動(dòng)情況下，微裂紋肉眼不可見，呈包封狀封閉于柱體之中，僅在洞室開挖過程中爆破使柱體被炸開，微裂紋出露并發(fā)展形成小裂隙，且其跡長(zhǎng)一般不超過10 cm。如圖1為平洞洞壁揭露的巖體，上部巖體距離炮孔近，受爆破影響大，微裂紋多有出露，巖體顯破碎，而同一柱體的下部巖體受爆破影響小，觀察不到微裂紋，巖體相對(duì)于上部要完整。其它部位勘探平洞揭露的柱狀節(jié)理玄武巖也有這一特點(diǎn)(圖2)。

圖1 柱狀節(jié)理玄武巖微裂紋出露特征1

圖2 柱狀節(jié)理玄武巖微裂紋出露特征2

根據(jù)地質(zhì)體規(guī)律，同一柱體中相鄰部位原生微裂紋的發(fā)育程度應(yīng)一致或接近，而圖1和圖2揭示了同一柱體中洞壁上部巖體短小裂隙多、巖體破碎，而下部巖體卻能保持裂隙少、巖體完整的現(xiàn)象。這一特殊現(xiàn)象表明：柱狀節(jié)理玄武巖中的微裂紋本身在柱體中并未發(fā)展形成裂隙，在開挖、爆破等外界因素?cái)_動(dòng)后才以短小裂隙的形式出現(xiàn)。這表明柱狀節(jié)理玄武巖中的隱裂紋受爆破和洞壁二次應(yīng)力變化的影響，出現(xiàn)松弛開裂而成為顯式裂紋，在少受干擾的條件下緊密閉合，使得柱狀節(jié)理玄武巖有高的波速和高的變形模量。

上述幾點(diǎn)特性是柱狀節(jié)理玄武巖塊度小但巖體縱波波速高、變形模量大的根本原因所在。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)及分析成果可知，巖體的塊度大小，并不是決定巖體抗變形能力的唯一因素，結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征等因素也發(fā)揮著重要影響。柱狀節(jié)理玄武巖，盡管巖體的塊度很小，但因巖石介質(zhì)本身力學(xué)性質(zhì)好，以及巖體中的結(jié)構(gòu)面剛性接觸、緊密閉合，因此具有高的變形模量和縱波波速。

[1] 杜時(shí)貴,王思敬.巖石質(zhì)量定量描述研究現(xiàn)狀及趨向[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),1998,6(3):230-237.

[2] 徐健,王駒.利用巖石質(zhì)量指標(biāo)和巖體塊度指數(shù)進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究——以高放廢物地質(zhì)處置庫預(yù)選場(chǎng)址甘肅北山1號(hào)鉆孔為例[J].鈾礦地質(zhì),2006,22(5):295-299.

[3] 張世殊.壩基巖體塊度特征研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2001,9(4):353-356.

[4] 王毅,楊建宏.玄武巖的巖體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性狀研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(9):1307-1310.

[5] Shi Anchi，Tang Mingfa，Zhou Qijian. Research of deformation characteristics of columnar jointer basalt at Baihetan hydropower station on Jinsha river. Chinese ournal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(10):2079-2086.