新疆塔縣地區(qū)片麻巖凍融劣化機理與規(guī)律試驗研究

呂文韜，楊 龍，魏云杰，張 明

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(自然資源部地質(zhì)災害技術(shù)指導中心)，北京 100081)

新疆喀什塔什庫爾干塔吉克自治縣(簡稱塔縣)地處帕米爾高原東南部，塔里木盆地西南緣。塔縣地區(qū)位于喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)段，由于印度板塊的西北角向北大幅度運移，并強烈扦入歐亞板塊內(nèi)部，且與西天山造山帶接觸、頂撞，導致帕米爾地帶活動強烈、隆升急劇，是我國內(nèi)陸新構(gòu)造運動最活躍、變形最強烈地區(qū)之一[1]。強烈的構(gòu)造活動使得塔縣地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，褶皺斷裂發(fā)育，巖漿活動頻繁，侵入巖及其變質(zhì)巖廣泛出露。

受帕米爾高原急劇隆升的影響，塔縣地區(qū)地形起伏強烈，風化剝蝕速度快。同時，該區(qū)域?qū)俑咴吆珊?半干旱氣候，晝夜溫差大。因此，區(qū)內(nèi)斜坡表層巖體受到區(qū)域性節(jié)理和強烈的凍融風化作用，小規(guī)模崩塌廣泛分布(主要發(fā)生在侵入巖及其變質(zhì)巖組成的斜坡中，巖性包括花崗巖、片麻巖、構(gòu)造巖和混合巖，以片麻巖為主[2])。崩塌在坡腳和溝谷兩側(cè)形成數(shù)百方至數(shù)萬方的碎屑顆粒堆積物，為泥石流提供物源，在春夏兩季融雪和降雨形成的暫時性洪流作用下易形成泥石流，因此該區(qū)域泥石流災害頻發(fā)。例如2016年7月6日發(fā)生在與塔縣相鄰的葉城縣柯克亞鄉(xiāng)玉賽斯(六村)的泥石流災害，造成36人死亡、6人失蹤、7戶民房被完全毀壞，其余數(shù)十間房屋和大量基礎(chǔ)設(shè)施不同程度受損[3]。目前，高寒山區(qū)巖體凍融風化研究主要關(guān)注已有重大線路工程沿線地區(qū)或礦區(qū)的人工邊坡[4-6]，塔縣地區(qū)相關(guān)研究幾近沒有。塔縣作為喀喇昆侖公路的最后一站，處于“一帶一路”中巴經(jīng)濟走廊建設(shè)的第一線，研究凍融循環(huán)作用下巖石劣化以及巖質(zhì)崩塌的機理具有重要意義，有利于該地區(qū)防災減災工作。關(guān)于巖石凍融劣化機理與規(guī)律的研究較多，如：Nicholson等[7]研究了巖性對巖石凍融損傷劣化程度的影響；Matsuoka[8]對火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖進行凍融試驗，發(fā)現(xiàn)其損傷破壞主要是由于巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的凍脹聯(lián)合作用；Mutlutuk等[9]研究了巖體完整性和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；徐光苗等[10]對江西紅砂巖和湖北頁巖進行凍融循環(huán)試驗，總結(jié)出片落和裂紋2種巖石凍融破壞模式；黃勇[11]對花崗巖和相對軟弱的千枚巖進行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗，分別提出了裂隙擴展和顆粒析出兩種劣化模式；劉傳正[12]、楊艷霞等[13]對冰雪凍融引發(fā)崩塌災害的特點與形成機理進行了研究。

目前的研究主要關(guān)注飽和狀態(tài)巖石在凍脹作用下物理力學性質(zhì)的變化，而針對干燥狀態(tài)下巖石凍融劣化機理與規(guī)律的研究較少。本文選取塔縣地區(qū)崩塌巖體中巖性比例最高的片麻巖，分別在干燥和飽和條件下進行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗，通過SEM電鏡掃描和吸水率、大開空隙率以及質(zhì)量損失率測試，研究片麻巖樣微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理特性的變化。揭示了干燥和飽和條件下凍融作用及其循環(huán)次數(shù)對片麻巖微觀結(jié)構(gòu)劣化機理與規(guī)律，并進一步探討了塔縣地區(qū)巖質(zhì)崩塌的形成機理，為該地區(qū)泥石流預測預報提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗工況

現(xiàn)有研究表明，片麻巖凍融損傷劣化主要受含水率、凍融溫度范圍、凍融循環(huán)時間及次數(shù)等因素的影響[14]。塔縣地區(qū)年均降水量雖然只有68.1 mm，但春夏兩季的融雪和相對集中的降水可以使斜坡表層一定厚度的巖體飽和[2]。塔縣地區(qū)多年平均最高溫度和最低溫度約為±30 ℃。依據(jù)《工程巖體試驗方法標準(GB/T 50266—2013)》，單次凍融循環(huán)的時間為8 h。本次試驗工況如表1所示，主要研究在干燥和飽和條件下片麻巖受±30 ℃溫度循環(huán)作用0，10，20和30次后微觀結(jié)構(gòu)的劣化機理及規(guī)律。

表1 凍融循環(huán)試驗工況

1.2 巖樣制備

試驗巖樣取自現(xiàn)場新鮮完整片麻巖塊。為滿足電鏡掃描測試要求，先制成直徑5 cm、厚0.5 cm的圓形薄片樣2件(編號為1，2號)，分別用于干燥和飽和狀態(tài)下的SEM電鏡掃描測試(圖1a)。由于凍融循環(huán)過程中巖樣吸水率、大開空隙率以及質(zhì)量損失率的變化往往很小，采用直徑5 cm、高7.5 cm的圓柱樣，制成2件(編號為3，4號)，分別用于干燥和飽和狀態(tài)下吸水率、大開空隙率以及質(zhì)量損失率測試(圖1b)。為確保試驗結(jié)果的一致性，巖樣取自同一片麻巖塊，取樣方向垂直于其片麻理。

1.3 試驗儀器與步驟

試驗中使用的主要儀器有：XUTEP CD3192恒溫控制器、日立SU8010高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡、電熱鼓風干燥箱、電爐、電子天平等。

(1)將所有巖樣置于烘箱內(nèi)，在105～110 ℃溫度下烘24 h后，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。在1，2號巖樣表面圈定一定范圍進行SEM電鏡掃描，觀察其微觀結(jié)構(gòu)。記錄3，4號巖樣質(zhì)量和體積，采用自由吸水法測其吸水率，并計算其大開空隙率。

圖1 片麻巖樣品Fig.1 Specimens of gneisses

(2)采用煮沸法飽和2，3，4號巖樣。待其冷卻至室溫后，取出沾去表面水分后記錄3，4號巖樣的飽和質(zhì)量，并將3號巖樣再次置于烘箱干燥。

(3)將所有巖樣置于恒溫控制器中，在-30 ℃中冷凍4 h后，立即在+30 ℃中融解4 h，即為1個凍融循環(huán)。在10，20，30次凍融循環(huán)后，對1，2號巖樣進行電鏡掃描；并測試3，4號巖樣的吸水率、大開空隙率和干燥及飽和狀態(tài)下的質(zhì)量損失率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

3號、4號巖樣吸水率(ω)、大開空隙率(n)的計算如下[15]，計算結(jié)果精確至0.01。

(1)

(2)

式中：m1——凍融后巖樣自由吸水48 h后的質(zhì)量/g；

ms——凍融后巖樣烘干后質(zhì)量/g；

Vs——凍融后巖樣烘干后體積/cm3。

3，4號巖樣干燥(M1)與飽和(M2)質(zhì)量損失率的計算如下[15]，計算結(jié)果精確至0.01。

(3)

式中：m0——凍融前巖樣干燥質(zhì)量/g；

mp,mfm——凍融前后巖樣飽水質(zhì)量/g。

2 結(jié)果分析

2.1 SEM電鏡掃描

圖2是1號巖樣0，10，20和30次凍融循環(huán)后電鏡掃描結(jié)果。由圖2可知，10次凍融循環(huán)后，巖樣表面破碎巖石顆粒增多，部分巖石顆粒呈片狀剝落；20次凍融循環(huán)后，巖石顆粒破碎和片狀剝落現(xiàn)象明顯加?。?0次凍融循環(huán)后，巖樣微觀結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，但相較20次凍融循環(huán)后變化較小，表明20次凍融循環(huán)后，1號巖樣微觀結(jié)構(gòu)的變化趨于平緩。

圖2 1號巖樣不同次數(shù)凍融循環(huán)下的SEMFig.2 Microscopic structure of the NO.1 specimen indifferent times of freezing-thawing

圖3是2號巖樣0，10，20和30次凍融循環(huán)后電鏡掃描的結(jié)果(由于儀器原因，2號樣品0次凍融電鏡掃描位置與10，20，30次不同)。凍融循環(huán)作用后，2號巖樣表面同樣出現(xiàn)了巖石顆粒破碎并呈片狀剝落現(xiàn)象，但較1號巖樣更為明顯；同時，30次凍融循環(huán)后，破碎和剝落現(xiàn)象加重，不同于1號干燥巖樣，在20次凍融循環(huán)后，2號飽和巖樣微觀結(jié)構(gòu)的變化仍然十分明顯。

圖3 2號巖樣不同次數(shù)凍融循環(huán)下的SEMFig.3 Microscopic structure of the NO.2 specimen indifferent times of freezing-thawing

2.2 吸水率、大開空隙率和質(zhì)量損失率測試

圖4是3，4號巖樣吸水率和大開空隙率測試的結(jié)果。總體上3，4號巖樣吸水率和大開空隙率的變化趨勢相同，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，呈上升趨勢，并且在20次凍融循環(huán)后，變化趨于平穩(wěn)。不同之處在于，相較于3號巖樣，4號巖樣的吸水率和大開空隙率增長更快。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下3，4號巖樣吸水率和大開空隙率變化曲線Fig.4 Changes of rate in water absorption and air voids of theNO.3 and NO.4 specimens after freezing-thawingcycles of different times

圖5是3，4號巖樣質(zhì)量損失率測試的結(jié)果。總體上3，4號巖樣的質(zhì)量損失率變化趨勢相同，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，呈上升趨勢；并且在經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，兩者質(zhì)量損失率相差很小。同時，可以看出，同一巖樣測得的干燥與飽和2種質(zhì)量損失率大致相同。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下3，4號巖樣質(zhì)量損失率變化曲線Fig.5 Changes in quality of the NO.3 and NO.4 specimensafter freezing-thawing cycles of different times

3 討論

1，2號巖樣電鏡掃描結(jié)果顯示，凍融循環(huán)過程中，其微觀結(jié)構(gòu)的劣化主要表現(xiàn)為巖石顆粒的破碎和剝落，且3，4號巖樣的吸水率、大開空隙率呈上升趨勢，表明其內(nèi)部微觀裂隙的擴展。因此，片麻巖微觀結(jié)構(gòu)的劣化分為內(nèi)部巖石顆粒的破碎、剝落和微觀裂隙的擴展這兩種模式。巖石顆粒的破碎、剝落會使得巖樣固體物質(zhì)損失，質(zhì)量減小，質(zhì)量損失率隨之增大；而微觀裂隙的擴展則會導致巖樣吸水率增大，含水量升高，質(zhì)量增大，質(zhì)量損失率隨之減小[4，11]。因此，飽和狀態(tài)下，測得的質(zhì)量損失率受到兩種劣化模式的共同影響；而在干燥狀態(tài)下，測得的質(zhì)量損失率主要受第一種劣化模式影響。在試驗中，對3，4號巖樣的干燥、飽和質(zhì)量損失率均進行了測試，結(jié)果顯示，無論在干燥還是飽和狀態(tài)下測得的質(zhì)量損失率均呈上升趨勢，且同一巖樣的兩種質(zhì)量損失率相差很小，說明質(zhì)量損失率主要受巖石顆粒的破碎、剝落影響。因此，內(nèi)部巖石顆粒的破碎、剝落是片麻巖主要的凍融劣化模式。

巖石凍融損傷劣化的機理主要有以下兩種[16]：一是空隙水的凍脹作用；二是凍融過程中巖石各組成礦物膨脹系數(shù)不同以及溫度分布不均勻，產(chǎn)生內(nèi)部應力導致巖石劣化。

3，4號巖樣吸水率、大開空隙率以及質(zhì)量損失率測試表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，且數(shù)值上相近，不同之處僅在于后者吸水率、大開空隙率增長稍快，表明其微觀裂隙的擴展較為明顯。同時，兩者主要的劣化模式也相同，均表現(xiàn)為內(nèi)部巖石顆粒的破碎、剝落，說明干燥和飽和狀態(tài)下片麻巖凍融劣化的規(guī)律與程度十分相似。因此，空隙水的凍脹作用雖然可以加劇片麻巖微觀裂隙的擴展，但并不是其凍融劣化的主要原因。

凍融循環(huán)作用對礦物的物理力學性質(zhì)也會產(chǎn)生影響[17]。由于片麻巖主要組成礦物(長石、石英、角閃石、黑云母等)的體積膨脹系數(shù)不同，以及環(huán)境溫度變化時巖石內(nèi)部溫度分布不均勻，在片麻巖內(nèi)部產(chǎn)生應力，導致礦物間相互擠壓、錯動，造成聯(lián)結(jié)較弱的巖石顆粒破碎并呈片狀剝落。并且，在內(nèi)部應力和礦物定向排列的共同作用下，研究區(qū)片麻巖在凍融作用下呈現(xiàn)出沿片麻理層層風化剝蝕的現(xiàn)象。因此，內(nèi)部應力是片麻巖凍融劣化的主要原因。

研究區(qū)內(nèi)的小規(guī)模崩塌主要受區(qū)域節(jié)理和風化作用控制[2]。在凍融循環(huán)作用下，片麻巖微觀結(jié)構(gòu)的劣化會對其強度產(chǎn)生影響。限于取樣和試驗條件，本文未對片麻巖及其節(jié)理面在凍融循環(huán)過程中的力學變化特征展開研究，但已有研究表明[4]，這種微觀結(jié)構(gòu)的劣化一方面會使巖石單軸抗壓強度降低；另一方面則會降低節(jié)理面的內(nèi)摩擦角與黏聚力，導致其抗剪強度下降。同時，融雪和降水會導致水滲入節(jié)理面，環(huán)境溫度降低結(jié)冰后，體積膨脹產(chǎn)生的凍脹力會使得節(jié)理面膠結(jié)程度降低、張開度增大[5]，也會降低節(jié)理面的強度。在以上兩方面因素的共同作用下，斜坡表層巖體強度降低，抗風化能力下降，受到強烈的風化剝蝕作用。而在凍融循環(huán)作用的長期影響下，斜坡表層巖體沿節(jié)理面破壞，最終形成連續(xù)小規(guī)模崩塌。

4 結(jié)論

(1)在凍融循環(huán)過程中，片麻巖微觀結(jié)構(gòu)的劣化表現(xiàn)為巖石顆粒的破碎、剝落和微觀裂隙的擴展，并以前者為主。

(2)片麻巖微觀結(jié)構(gòu)劣化的主要原因為：凍融作用在巖石內(nèi)部產(chǎn)生應力，使得連接較弱的巖石顆粒破碎、剝落；同時，微觀裂隙也在內(nèi)部應力作用下不斷擴展。

(3)長期的凍融循環(huán)作用導致塔縣地區(qū)斜坡表層巖體微觀結(jié)構(gòu)劣化，強度不斷降低，沿節(jié)理面發(fā)生破壞并形成連續(xù)小規(guī)模崩塌。