某水電站蝕變巖遇水強度軟化三軸壓縮試驗研究

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(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610095)

在不同的壓力環(huán)境和溫度的條件下，地殼深處不同成分的熱液流體沿著一定的通道進入到巖石(體)體系后，與之發(fā)生相應的化學反應，使其礦物化學成分、結構構造發(fā)生改變，形成的新巖石即為蝕變巖[1-2]。蝕變巖與其他巖石有著明顯的區(qū)別，但類似于軟巖。蝕變巖經(jīng)過水巖作用后，不僅導致巖石微觀結構發(fā)生改變，而且導致化學元素在巖石(體)與水之間發(fā)生交代作用。水與巖石(體)的相互作用造成巖石(體)的軟化、崩解，導致了非常明顯工程性質(zhì)劣化效應。

楊根蘭[3]對小灣水電站蝕變巖進行了三軸壓縮試驗等物理力學和水理性質(zhì)試驗，結果說明研究區(qū)蝕變巖隨著風化蝕變程度的增強，其抗壓、抗拉強度逐漸降低。郭健、許模[4]采用點荷載試驗和回彈強度試驗研究了熱液蝕變花崗巖相關的物理力學性質(zhì)，結果表明綠泥石化蝕變巖石(體)相較未蝕變巖石(體)其強度降幅較大。臧軍昌[5]對青石嶺水電站熱液蝕變巖帶進行了相關研究，結果表明隨著蝕變程度增強，蝕變巖石(體)孔隙率逐漸增大，抗壓強度逐漸降低。賈偉杰和孔繁輝[6]對研究區(qū)蝕變巖進行了抗壓強度試驗，認為其抗壓強度較低。于新華[7]等對蝕變巖塊在不同風化程度下進行了有關力學強度試驗，結果表明蝕變巖塊的抗剪強度、變形模量和飽和單軸抗壓強度遠遠低于微風化和弱風化巖，其相關力學性質(zhì)和強風化巖程度相當。楊燕和付小敏[8]對蝕變巖進行了直剪試驗等物理水理性質(zhì)試驗，研究結果表明巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均與孔隙度、含水率有著一定關系。張衛(wèi)中[9]對不同風化程度的砂巖進行了單軸、三軸強度試驗，認為砂巖的力學強度隨著風化程度的增加而逐漸降低。

前人研究內(nèi)容主要是針對蝕變巖的力學強度特性的研究，對于蝕變巖遇水的軟化效應，尤其是三向應力狀態(tài)下蝕變巖遇水后力學參數(shù)變化規(guī)律的研究較少。本文通過三軸壓縮試驗對蝕變巖的水巖軟化作用進行分析研究，對比分析天然試樣和飽水試樣在不同圍壓等級下的強度軟化效應，為工程設計和穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗巖樣制備

試驗所需蝕變巖采用西南某水電站右岸壩肩發(fā)生絹云母化蝕變和高嶺土化蝕變的糜棱化英安巖。在出露地表或近地表，受地表水和地下水的強烈影響，形成大量黏土類礦物，呈灰白色或淺黃色，局部呈褐黃色，強度較低，結構松散，遇水易膨脹并發(fā)生崩解，手捏易碎,見圖1、2。對遇水不崩解的巖樣采用鉆機制備成φ50 mm×100 mm的標準圓柱試樣，篩選出無明顯裂痕和層理的巖樣，并通過聲波儀選取具有代表性的巖樣作為試驗巖樣。

從研究區(qū)天然狀態(tài)下糜棱巖化英安巖的掃描電鏡試驗得到的1 000倍掃描圖片可以看出其結構為斑狀結構，塊狀構造。石英斑晶主要呈眼球狀結構，渾圓形狀，大小約為0.75 mm,定向分布；斜長石斑晶主要為半自形板狀晶體結構，大小約為0.8 mm，大多發(fā)生了顯著的高嶺土化蝕變。絹云母都圍繞著斑晶分布，巖石發(fā)生了明顯的定向變形，裂隙及孔洞比較發(fā)育，為蝕變巖吸水軟化提供了有力條件，糜棱巖化英安巖發(fā)生強烈絹云母化蝕變，斑晶僅可見碎斑石英，見圖3。

1.2 試驗準備

本文利用美國產(chǎn)MTS 815程控伺服剛性試驗系統(tǒng)進行三軸壓縮試驗(圖4)，采用軸向位移控制，加載速率為0.1 mm/min,直至試樣破壞。根據(jù)研究區(qū)地應力條件和取樣點的位置設置圍壓級別分別為2、4、6、8 MPa。將野外取回的試樣密封保存，保持了原狀試樣的含水率。在原狀和飽水兩種狀態(tài)下進行試驗。進行飽水試驗時，先將原狀試樣放入抽真空飽和裝置內(nèi)抽氣，使整個飽水裝置處于完全真空的狀態(tài)，再向飽和缸內(nèi)緩慢注水并靜置24 h，使巖樣吸水飽和充分。在標準試樣外部套上熱縮管，以避免油液影響試驗結果。利用三軸壓縮試驗獲得了巖樣在原狀狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的應力～應變曲線，分析試樣遇水的軟化規(guī)律。

2 結果分析

2.1 應力～應變?nèi)^程曲線分析

本次常規(guī)三軸壓縮試驗共進行了15組，其中天然狀態(tài)5組，飽和狀態(tài)10組。挑選其中典型的應力～應變曲線進行分析。蝕變巖試樣的三軸應力～應變?nèi)^程曲線可被概化為典型的應力～應變?nèi)^程曲線，見圖5、6。該曲線分為5個階段，見圖7。

a) 壓密階段(OA段)：OA段表示蝕變巖在開始壓縮到體積壓密完成時的狀態(tài)。壓縮開始后，隨著軸向壓力的增長，蝕變巖試樣的內(nèi)部原生的孔隙、裂隙和次生裂隙被壓密，逐漸閉合。在此階段中，蝕變巖力學特性的主要影響因素是試樣內(nèi)部的裂隙，相對的軸向應變增長較快，為體積壓密階段。

b) 彈性階段(AB段)：經(jīng)過體積壓密階段后，巖樣的應力～應變曲線基本上呈現(xiàn)為線性增長，巖樣結構沒有明顯變化。此階段蝕變巖的變形可被看作線彈性變形，其本構關系可用彈性體的虎克定律描述，稱為線彈性變形階段。

c) 屈服階段(BC段)：蝕變巖樣在經(jīng)歷壓密和線彈性變形階段后，其內(nèi)部的次生裂隙逐漸積累發(fā)生質(zhì)變，使得更多次生裂隙開始大量的產(chǎn)生和擴張。在該變形階段中，蝕變巖內(nèi)部的裂隙逐漸擴展并伴隨著大量的能量釋放，結構發(fā)生塑性變形，稱之為塑性變形階段。

d) 應變軟化階段(CD段)：巖樣經(jīng)過短暫的塑性變形階段后很快達到峰值,峰值過后隨著應變的持續(xù)增加,應力水平降低。此階段蝕變巖內(nèi)部的微裂隙逐漸貫通，為應變軟化階段。

e) 塑性流動階段(DE段)：蝕變巖樣發(fā)生應變軟化后，巖樣開始破壞，此階段應力開始迅速下降，應變?nèi)栽诶^續(xù)增長。當蝕變巖樣塑性變形開始迅速增長，而軸向應力值不再變化，則蝕變巖樣完全破壞，表現(xiàn)為結構的破碎，此時的強度值為殘余強度。此階段應變快速增加而應力迅速下降直至保持不變，被稱為塑性流動階段。

2.2 蝕變巖樣遇水軟化現(xiàn)象分析

根據(jù)天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)的蝕變巖三軸應力～應變?nèi)^程曲線可以看出蝕變巖樣在經(jīng)過飽水后相較于天然狀態(tài)下的峰值強度有顯著的降低。

a) 從水物理角度分析：與英安巖等未蝕變巖不同，蝕變巖由于蝕變作用導致其內(nèi)部產(chǎn)生大量不均勻的孔隙且相互貫通，水分子通過這些孔隙所形成的通道逐漸滲透到蝕變巖內(nèi)部，削弱其內(nèi)部礦物顆粒的結構強度，使其內(nèi)部結構產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，微裂隙和無膠結空洞進一步發(fā)育，從而導致其力學性質(zhì)發(fā)生改變。

b) 從水化學角度分析：蝕變巖樣內(nèi)部的礦物成分、膠結物等由于水解反應而溶解，使巖樣的微觀結構發(fā)生變化，改變了蝕變巖的性狀。在蝕變作用下，巖樣內(nèi)的礦物成分發(fā)生變化，新產(chǎn)生的礦物對水愈加敏感，在經(jīng)水化學作用后損傷更加明顯[10]。

作者將試驗得到的飽水狀態(tài)下蝕變巖試樣峰值應力與天然狀態(tài)下峰值應力在相同圍壓下的比值作為軟化系數(shù)，研究不同圍壓下蝕變巖樣的軟化程度，軟化系數(shù)越小表示蝕變巖樣的遇水軟化程度越高，軟化系數(shù)結果見表1。不同圍壓對應的蝕變巖強度軟化系數(shù)為：0.268、0.312、0.345和0.373。蝕變巖的軟化系數(shù)隨著圍壓的增大逐漸增加，與圍壓程線性關系：y=0.0174x+0.2375，相關系數(shù)為R2=0.9839，即蝕變巖的軟化程度隨著圍壓的增加表現(xiàn)出一定程度的下降，見圖8。分析其原因是因為圍壓的增長對蝕變巖的強度有一定的提升，在一定程度上間接抵消了由于水分子進入蝕變巖內(nèi)部造成的不利影響。

表1 不同圍壓和狀態(tài)下的峰值強度及軟化系數(shù)

3 結論

本文采用MTS 815程控伺服剛性試驗系統(tǒng)對蝕變巖樣進行三軸壓縮試驗，根據(jù)研究區(qū)地應力條件和取樣點的位置設置圍壓級別分別為2、4、6、8 MPa。對飽水狀態(tài)和天然狀態(tài)的巖樣分別進行試驗后，得到以下結論。

a) 通過試驗獲得多組數(shù)據(jù)，將該蝕變巖樣的三軸壓縮應力～應變?nèi)^程曲線劃分成5個階段。

b) 試驗表明蝕變巖遇水軟化現(xiàn)象顯著，水在蝕變巖內(nèi)部產(chǎn)生的應力集中和改變蝕變巖內(nèi)的礦物組成是其強度減弱的內(nèi)在因素。

c) 分析了蝕變巖軟化系數(shù)隨著圍壓變化的關系，得出了軟化系數(shù)隨圍壓的增大而增加，且呈線性關系。