粉砂質(zhì)板巖各向異性特性研究

吳 章 雷

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

近年來(lái)，由于工程建設(shè)的需要，板巖被廣泛用作建筑物的基礎(chǔ)、隧洞或地下洞室圍巖、建筑材料等，人們對(duì)板巖的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入，開(kāi)展了大量的研究工作，尤其在板巖的物理力學(xué)特性方面。在雅礱江中游大范圍內(nèi)發(fā)育一套三疊紀(jì)(T3)濁積相碎屑建造巖，經(jīng)后期變質(zhì)后，形成淺變質(zhì)的砂板巖。砂巖一般因其堅(jiān)硬、抗風(fēng)化能力強(qiáng)，具有較高的物理力學(xué)指標(biāo)，在工程建設(shè)中成為較理想、可利用的巖體和建筑材料。板巖因其堅(jiān)硬性較差，抗風(fēng)化能力較弱，物理力學(xué)指標(biāo)較低，需進(jìn)行改造后方可利用。

雅礱江中游發(fā)育的該套變質(zhì)板巖，組成礦物主要有黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等，膠結(jié)物主要為泥質(zhì)膠結(jié)，該板巖具有板理發(fā)育、各向異性明顯、變質(zhì)淺等特點(diǎn)。雅礱江中游某水電站修建于這套淺變質(zhì)砂板巖出露地區(qū)，工程建設(shè)需大量的利用板巖，才能滿足樞紐布置和工程建設(shè)要求。因此，對(duì)該淺變質(zhì)板巖開(kāi)展了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)其各向異性特性進(jìn)行研究，為板巖的利用和改造提供科學(xué)依據(jù)。

本文依托該水電工程開(kāi)展的大量板巖室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，分析整理了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，梳理出板巖各向異性特性的一般規(guī)律，為今后類似工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 板巖的礦物成分分析

巖石是礦物的集合體，礦物的類型和膠結(jié)物是巖體物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)，因此對(duì)板巖物理力學(xué)特性的研究，首先應(yīng)對(duì)其礦物成分進(jìn)行分析研究。在地表及探洞內(nèi)取樣，開(kāi)展板巖的礦物成分分析工作，巖石磨片礦物鑒定采用偏光顯微鏡進(jìn)行，在偏光顯微鏡下觀察組成巖石的各種礦物，以及它們的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及含量等。具體成果見(jiàn)表1。

巖石磨片礦物鑒定成果表明板巖為淺變質(zhì)巖，板狀構(gòu)造，變余結(jié)構(gòu)，由黏土巖或黏土質(zhì)粉砂巖淺變質(zhì)而形成。主要礦物成分為黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等。在變質(zhì)不均勻的情況下，局部將可能部分顯現(xiàn)原巖的礦物成分、構(gòu)造及結(jié)構(gòu)狀態(tài)。組成板巖的礦物除石英的硬度較高外，其余硬度均較低。

在沉積過(guò)程中，由于環(huán)境的動(dòng)蕩，板巖中各種礦物及砂質(zhì)的含量不均一?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)板巖因其砂質(zhì)的含量不同，新鮮斷口的表現(xiàn)不同。砂質(zhì)和石英含量較高板巖，斷口呈淺灰色，斷面較粗糙，強(qiáng)光下可見(jiàn)砂質(zhì)光澤，反之，斷口巖石呈深灰色，染手，斷面較光滑。

2 板巖的物理特性

為了研究板巖的物理力學(xué)性能，依托勘測(cè)設(shè)計(jì)的水電項(xiàng)目開(kāi)展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，共完成了72組室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。下面重點(diǎn)介紹工程中常用的幾個(gè)物理指標(biāo)的試驗(yàn)成果。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)表明：板巖干密度范圍值2.62～2.78 g/cm3，多數(shù)集中在2.72～2.78 g/cm3區(qū)間內(nèi)(見(jiàn)圖1)；比重范圍值2.69～2.80，大多數(shù)集中2.76～2.80區(qū)間內(nèi)(見(jiàn)圖2)。

表1 巖石磨片礦物鑒定成果

圖1 板巖干密度統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

圖2 板巖比重統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

板巖的飽和吸水率較低，范圍值0.1%～1.2%，大部分不大于0.9%(見(jiàn)圖3)；軟化系數(shù)范圍值0.6～0.8，主要集中在0.7～0.8之間(見(jiàn)圖4)。

經(jīng)分析研究，板巖的物理特性與礦物組成及成分密切相關(guān)，當(dāng)巖石中石英、砂質(zhì)碎屑含量較高時(shí)，干密度、比重、彈模、軟化系數(shù)，抗壓強(qiáng)度等數(shù)值也會(huì)較高；當(dāng)巖石中黏土礦物、泥質(zhì)、云母等含量較高時(shí)，上述值則較低，基本呈線性關(guān)系。大量的試驗(yàn)值表明粉砂質(zhì)板巖干密度2.72～2.78 g/cm3，比重2.76～2.80，飽和吸水率不大于0.9%，軟化系數(shù)0.7～0.8。

圖3 板巖飽水率統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

圖4 板巖軟化系數(shù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

3 板巖的各向異性特性

由于板巖在變質(zhì)過(guò)程中，受高溫高壓影響，礦物定向排列形成板理面，因此，在對(duì)板巖開(kāi)展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，加載方向分為(∥)板理面和(⊥)板理面。試驗(yàn)成果表明，(∥)板理面的濕抗壓強(qiáng)度為25～80 GPa，大部分為40～80 MPa(見(jiàn)圖5)；(⊥)板理面濕抗壓強(qiáng)度為40～100 GPa，大部分為60～1 000 MPa(見(jiàn)圖6)。

圖5 (⊥)板理面濕抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

圖6 (∥)板理面濕抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明板巖各向異性明顯，(⊥)板理面方向濕抗壓強(qiáng)度大于(∥)板理面的濕抗壓強(qiáng)度。由于板巖的板理面往往是黏土礦物、云母及絹云母富集，為一軟弱面，平行板理面方向加載時(shí)，試驗(yàn)表明試樣容易沿板理面破壞，強(qiáng)度低，垂直板理面加載，試樣往往是巖體被剪壞，強(qiáng)度高，(⊥)和(∥)板理范圍為1.25～1.5。

統(tǒng)計(jì)表明巖體的泊松比范圍值0.22～0.26，大多數(shù)為0.23～0.24；進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明，垂直板理的泊松比大于平行板理方向的泊松比，最大值可達(dá)0.26，最小值0.23，由此可見(jiàn)泊松比也反映了板巖具有各向異性的特點(diǎn)。但無(wú)論是垂直還是平行板理泊松比值主要集中在0.23～0.24(見(jiàn)圖7)。

圖7 泊松比統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了9組現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明，微新板巖(⊥)板理面E0=11～14 GPa，(∥)板理面E0=30～36 GPa；弱下風(fēng)化板巖(∥)板理面E0=4～5 GPa，(⊥)板理面E0=3 GPa(見(jiàn)表2)。

表2 現(xiàn)場(chǎng)原位變質(zhì)板巖巖體變形試驗(yàn)成果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，平行板理面的板巖模量大于垂直板理面模量，弱風(fēng)化的粉砂質(zhì)板巖為1.5倍，新鮮面可達(dá)2～3倍。由此可見(jiàn)相同的壓力下，垂直板理面方向板理面被壓密實(shí)，變形較大，因而模量較小，平行板理面則反之，反映了板巖各向異性的特點(diǎn)。壓力和變形關(guān)系曲線表明，垂直板理面以直線型或準(zhǔn)直線型為主，平行板理面以下凹型為主(見(jiàn)圖8)。

圖8 垂直和平行板理面壓力～變形關(guān)系曲線

現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了5組巖體強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明，微新板巖f′=0.79～1.38，C′=1.02～1.74 MPa；弱下風(fēng)化板巖f′=0.74，C′=0.66 MPa(見(jiàn)表3)。

表3 現(xiàn)場(chǎng)原位變質(zhì)板巖巖體強(qiáng)度試驗(yàn)成果

4 結(jié) 論

本文依托雅礱江中游某水電站對(duì)淺變質(zhì)粉砂質(zhì)板巖開(kāi)展的大量試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其物理力學(xué)試驗(yàn)值分析，研究粉砂質(zhì)板巖各向異性特征，研究表明：

(1)雅礱江中游大范圍出露的三疊紀(jì)(T3)變質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，礦物成分主要為黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等，板巖變質(zhì)淺。板巖的物理特性與礦物組成及成分密切相關(guān)，石英、砂質(zhì)碎屑含量高時(shí)，巖石的干密度、比重、軟化系數(shù)等值也較高；黏土礦物含量較高時(shí)，上述值則較低。

(2)濕抗壓強(qiáng)度、變形模量等試驗(yàn)成果反映了板巖具有明顯的各向異性特征，究其原因，板巖在變質(zhì)過(guò)程中礦物定向排列，形成了板理面，板理面往往是黏土礦物、云母及絹云母富集，為一弱面。該面力學(xué)強(qiáng)度低，變形較大，因此垂直和平行板理面的濕抗壓強(qiáng)度及變形模量區(qū)別較大。

(3)粉砂質(zhì)板巖具有明顯的各向異性特性，在工程建設(shè)中要充分認(rèn)識(shí)上述特征，趨利避害，盡量利用垂直板理面力學(xué)強(qiáng)度較高的特點(diǎn)來(lái)服務(wù)工程。

(4)本文統(tǒng)計(jì)的粉砂質(zhì)板巖試驗(yàn)值可以作為以后類似巖石上修建工程的參考值。