烏東德水電站庫區(qū)板巖遇水軟化微觀機理及強度模型研究

念紅芬 張春華

(攀枝花學(xué)院 土木工程學(xué)院， 四川 攀枝花 617000)

天然形成的巖石作為一種包含眾多孔隙、膠結(jié)物、礦物顆粒以及其他成分的非均質(zhì)混合體，在形成過程中，受到地質(zhì)構(gòu)造運動、環(huán)境侵蝕等的作用，其物理力學(xué)特性將發(fā)生巨大變化[1]．其中水的侵蝕作用最為明顯[2-3]．在烏東德水電站中，高水位作用下，巖石邊坡受到高壓水的侵蝕作用，若侵蝕嚴(yán)重，可能發(fā)生較大破壞，危及巖質(zhì)邊坡安全和穩(wěn)定．從巖石工程角度來看，這種影響稱為“水巖相互作用”，最早由蘇聯(lián)地球化學(xué)家A.M.O.Bynhhnkob提出．國內(nèi)學(xué)者也較早的進(jìn)行了跟蹤研究．陳鋼林等[3]為了探究巖石在水的作用下表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)效應(yīng)，設(shè)計了砂巖、灰?guī)r、大理巖以及花崗巖在不同飽和度下的單軸壓縮試驗．周翠英等[4-5]為探究軟巖遇水軟化的機制，對3種不同類型巖石在飽水狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)行為測試．馮夏庭等[6]采用不同種類的化學(xué)溶液對含裂紋的試件進(jìn)行腐蝕，并通過細(xì)觀力學(xué)試驗系統(tǒng)監(jiān)測了試件的裂紋擴展過程，研究表明試件的裂紋排列次序及擴展與化學(xué)腐蝕作用關(guān)聯(lián)度較大．姚華彥等[7-8]實時觀測了含預(yù)制裂紋灰?guī)r在化學(xué)溶液作用下的壓縮破裂過程，并分析了化學(xué)溶液使巖石劣化的機理．吳平[9]通過三軸加、卸載試驗分析應(yīng)力路徑下水對砂巖的影響，發(fā)現(xiàn)砂巖在卸荷狀態(tài)下較之加載狀態(tài)下內(nèi)摩擦角降低而黏聚力增加．鄭曉卿等[10]通過微觀和宏觀試驗，探討了鄂西北頁巖的軟化機理，認(rèn)為飽水時間影響了巖石的抗壓強度和彈性模量．本文針對水巖相互作用現(xiàn)象，采用宏觀試驗和微觀(XRD、SEM)分析，揭示了水對板巖軟化的微觀機制，并且依據(jù)多孔介質(zhì)力學(xué)理論，提出板巖遇水軟化模型，以期為巖質(zhì)高邊坡蓄水穩(wěn)定性評價提供參考．

1 試 驗

1.1 試樣準(zhǔn)備

采用鉆孔法在烏東德水電站工程施工區(qū)域鉆取板巖，加工成直徑50 mm，長度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣．

選取加工完成的12個板巖試樣，一共分成4組，每組3個．第1組試樣(A1～A3)置于箱內(nèi)溫度為105℃的干燥箱內(nèi)干燥48 h；第2組試樣(A4～A6)置于真空飽和儀中加水飽和7 d，飽水壓力為0.5 MPa；第3組試樣(A7～A9)置于真空飽和儀中飽和7 d，飽水壓力為1.0 MPa；第4組試樣(A10～A12)置于真空飽和儀中飽和7 d，飽水壓力為1.5 MPa．在加壓飽水過程中，要求每隔5 h檢查壓力表讀數(shù)，確保壓力表讀數(shù)始終保持預(yù)設(shè)壓力，如發(fā)現(xiàn)有壓力泄露，應(yīng)及時進(jìn)行壓力補充．待飽和結(jié)束后，取出巖石試樣用橡膠套套住，防止水分蒸發(fā)．

1.2 試驗方法

試驗主要為了探究不同飽水壓力下板巖宏觀特性的變化規(guī)律和微觀軟化機理．主要測試方法如下．

1)使用利曼APD2000PRO型X射線衍射儀對巖石試樣進(jìn)行X射線衍射試驗，獲得巖石礦物成分．其測角儀精度為0.000 1度，重現(xiàn)性接近0.000 1度[11]．

2)利用美國MTS巖石力學(xué)伺服試驗機，按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行單軸壓縮試驗，獲得試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗壓強度，據(jù)此分析巖石宏觀力學(xué)特性．

3)掃描電鏡(SEM)試驗采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Teneo型，其加速電壓為200～30 000 V，放大倍數(shù)可達(dá)20～200 000倍，分辨率達(dá)到3.0 nm[11]．

2 微觀機理分析

2.1 礦物成分分析

通過XRD圖譜，獲得板巖內(nèi)部成分．各礦物含量從高到低依次為2M1型白云母(42.53%)、斜綠泥石(27.30%)、石英(20.02%)、鎂方解石(6.87%)以及白云石(3.28%)．這些礦物遇水穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)致密，說明板巖遇水后，其軟化機制并不是由于礦物遇水溶解造成的．

2.2 電鏡掃描分析

試驗采用電子顯微鏡分別對經(jīng)過干燥、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa水壓力真空飽和處理后的4種板巖試樣的表面形貌進(jìn)行微觀掃描．試驗選擇放大倍數(shù)為1 000倍的SEM圖像進(jìn)行對比分析，具體如圖1所示．

圖1 不同飽水壓力下板巖SEM圖像(×1000)

由圖1(a)可知，板巖在干燥狀態(tài)下，基質(zhì)呈薄片層狀，整體完整，表面風(fēng)化程度較低，薄片結(jié)構(gòu)緊密，邊緣形狀不規(guī)則，以面與面接觸形式為主，呈有序定向排列方式，僅有少量細(xì)微孔隙；與圖1(a)對比，圖1(b)中開始有顆粒從基質(zhì)中脫離出來，薄片邊緣開始模糊，結(jié)構(gòu)變得松散；當(dāng)增加飽水壓力至1.0 MPa后，如圖1(c)所示，基質(zhì)表面風(fēng)化加劇，大量顆粒脫離基質(zhì)，少許顆粒掉落入孔隙中，部分薄片結(jié)構(gòu)破碎松散，孔隙附近的薄片結(jié)構(gòu)邊緣磨圓程度加重；在經(jīng)歷1.5 MPa水壓力真空飽水后，板巖基質(zhì)表面風(fēng)化程度進(jìn)一步加劇，表面粗糙程度增強，不僅有大量散碎顆粒脫離基質(zhì)，更有許多較大塊體剝離，片狀結(jié)構(gòu)邊緣基本被磨圓，孔隙明顯增多．

將不同飽水壓力下的SEM圖像導(dǎo)入Image J軟件[12]，可提取板巖試件的孔隙率φ．同時，繪制孔隙率和飽水壓力的關(guān)系圖，如圖2所示．由圖可知，隨著飽和壓力的增大，孔隙率不斷增大，含水率也在不斷增加，與SEM分析結(jié)果一致．

圖2 板巖孔隙率與飽水壓力關(guān)系

綜合試驗結(jié)果和前人研究[12]，板巖在不同飽水壓力作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化可概括為：從微觀結(jié)構(gòu)來說，巖石是礦物顆粒由一定的規(guī)律積聚而成的含有孔隙、裂隙等缺陷的非均質(zhì)性固體．在水的潤滑侵蝕作用下，連接巖石礦物顆粒的膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生溶解，進(jìn)而內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，當(dāng)飽水壓力持續(xù)增大時，開始有部分礦物顆粒甚至塊體剝落．這使得原有巖石內(nèi)部微小空隙增大，同時又產(chǎn)生次生空隙．因此孔隙率隨著飽和壓力的增加逐漸增加．這種微觀結(jié)構(gòu)的變化可導(dǎo)致宏觀強度的軟化．

3 板巖遇水軟化理論模型

由上述微觀分析可知，板巖遇水后，水的侵蝕造成了內(nèi)部孔隙不斷增加．因此，借鑒多孔介質(zhì)理論，從孔隙率角度出發(fā)，建立板巖遇水強度軟化模型．

1)孔隙率與飽和壓力關(guān)系

擬合表1中孔隙率與飽水壓力的關(guān)系可知，孔隙率與飽水壓力之間滿足一次線性函數(shù)關(guān)系，見式(1)，擬合系數(shù)為0.955，擬合曲線如圖2所示．

φ=0.197P+0.182 (1)

2)孔隙率與彈性模量關(guān)系

由多孔介質(zhì)力學(xué)理論Walsh公式(2)[13]可知，

(2)

式中，K為多孔介質(zhì)體積模量，Km為基質(zhì)的體積模量，V為巖石的體積，Vc為巖石孔隙的體積，Δp為作用在巖石外表面壓力．

假設(shè)孔隙為球體，內(nèi)徑為b1，外徑為b2，如圖3所示．在孔隙率φ較小，Δp作用下，孔隙的半徑方向上變化量Δb1為：

式中，λ和μ為拉梅常數(shù)．假設(shè)板巖為各向同性，則存在一等效半徑c，使板巖的彈性性質(zhì)與所有的孔隙都被半徑為c的球所代替的巖石的彈性性質(zhì)相同，則每個孔隙球體體積變化為：

代入Walsh公式(2)并簡化得

(6)

(7)

圖3 多孔介質(zhì)受力示意圖

3)抗壓強度與彈性模量關(guān)系

眾多文獻(xiàn)[14]指出，巖石試件的單抽抗壓強度σc與彈性模量E呈線性正相關(guān)，見式(8)：

σc=aE(8)

式中，a為修正參數(shù)，取決于巖石性質(zhì)．

綜上所述，板巖單軸抗壓強度σc與飽水壓力P之間具有以下關(guān)系：

(9)

板巖遇水強度軟化模型是基于多孔介質(zhì)力學(xué)理論和經(jīng)驗公式推導(dǎo)獲得的，參數(shù)簡單明了，物理意義明確，充分反映了板巖浸潤后，孔隙率增加導(dǎo)致的板巖強度軟化特征．

4 板巖軟化模型試驗驗證

4.1 單軸壓縮試驗分析

通過美國MTS巖石力學(xué)伺服試驗機得到板巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線能夠反映巖石宏觀強度和變形特性．試驗采用位移控制加載，軸向位移速率為0.002 mm/s．

圖4是在巖石力學(xué)伺服試驗機上得到的板巖標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣在干燥狀態(tài)以及不同飽水壓力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€．

圖4 板巖的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

干燥狀態(tài)下，板巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了5個階段，分別是裂隙壓密階段(OA段)、彈性變形階段(AB段)、裂隙穩(wěn)定擴展階段(BC段)、裂隙加速擴展階段(CD段)以及峰后段(DE段)，如圖4(a)中B2曲線所示．但在飽和壓力作用下，板巖試樣峰后段變得不明顯，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力后出現(xiàn)驟降，試樣表現(xiàn)出明顯的脆性破裂特征，如圖4(b)～4(d)所示．

圖5給出了不同飽水壓力下板巖峰后破壞形式．由圖5可知，板巖的破壞主要由相鄰礦物顆粒的錯開或分離導(dǎo)致，破壞形式呈兩種破壞特征，當(dāng)飽和水壓力較小時，表現(xiàn)為軸向多劈裂面破壞．當(dāng)飽水壓力大于1.0 MPa時，表現(xiàn)為剪切破壞特征．

圖5 不同飽水壓力下后單軸壓縮試驗破壞形式

在飽和壓力作用下，板巖試樣的峰值強度相比于干燥狀態(tài)下明顯降低．由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到板巖各種狀態(tài)下單軸抗壓強度，彈性模量和泊松比，見表1．由表1可知，隨著飽水壓力的增大，板巖飽水后單軸抗壓強度逐步減小，降低幅度約為10%，彈性模量逐步減小，降低幅度約為30%，而泊松比無明顯變化．

表1 不同飽水壓力板巖單軸抗壓強度

4.2 理論模型驗證

為了驗證所提模型的正確性，將試驗得到的不同飽水壓力巖石強度與理論模型進(jìn)行對比．結(jié)果如圖6所示．由圖6可知，板巖遇水軟化模型與實驗值接近，說明了所提的模型能反映板巖遇水軟化特征．其中a的取值為5.86．

圖6 單軸抗壓強度試驗與提出的理論模型對比

5 結(jié) 論

通過對烏東德水電站庫區(qū)所鉆取的板巖進(jìn)行不同飽水壓力下微觀和宏觀力學(xué)試驗，得到如下結(jié)論：

1)板巖遇水后，礦物成分未發(fā)生改變，但膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生溶解，內(nèi)部原有的致密結(jié)構(gòu)變的松散破碎．隨著飽和水壓力的增加，孔隙率增加，直接影響到宏觀強度特性．

2)隨著板巖浸泡后含水率不斷的增加，單軸抗壓強度降低，降低幅度約為10%左右，彈性模量也逐步減小，降低幅度約為30%左右，而泊松比無明顯變化．板巖破壞特征呈現(xiàn)軸向多劈裂面破壞和剪切破壞形式．

3)結(jié)合多孔介質(zhì)力學(xué)理論，建立了板巖遇水軟化強度模型，該模型參數(shù)簡單，物理意義明確．同時預(yù)測強度與試驗結(jié)果一致，表明所建立的模型能反映板巖遇水軟化特征．