圍巖微觀結構力學特性研究

張 迪

(西南交通大學， 四川成都 611756)

1 巖石薄片分析

本文研究對象是盆因拉隧道巖體樣本，拉日鐵路盆因拉隧道有明顯的地應力重分布現(xiàn)象，隧道施工過程中易發(fā)生巖爆[1]。本文以巖樣薄片入手，結合應力試驗，得出應力應變指標。初步階段主要對巖石薄片進行微觀鑒定，將取回的巖芯制作成薄片，利用顯微鏡觀察，分析礦物組成成分，礦物相關特性，進行微觀分析。

1.1 盆因拉隧道二號橫洞巖樣1

樣品編號：2#-1，2#-2：具有中-粗粒結構，塊狀構造及不明顯的片理構造。礦物主要有半自形鉀長石、他形石英、半自形-他形板條狀斜長石和暗色礦物(半自形-他形黑云母和嵌晶狀角閃石)組成。副礦物主要有綠泥石、榍石、綠簾石、方解石、磷灰石、鋯石、赤鐵礦等。其中半自形鉀長石含量為25 %～35 %，他形石英含量為25 %，半自形-他形板條狀斜長石含量為25 %～28 %，半自形-他形黑云母含量為12 %，嵌晶狀角閃石含量為6 %，零星分布的其他礦物含量大致為1 %。礦物粒徑大小石英為0.3～1.2 mm，鉀長石為0.5～3 mm，斜長石為0.5～3 mm，黑云母為0.5～3 mm，角閃石為0.2～1.9 mm，綠簾石為 0.2～0.8 mm，榍石為0.2～0.7 mm，赤鐵礦0.05～0.1 mm。其中石英無解理，正突起低，單偏光下無色透明，正交偏光下波狀消光，干涉色一級灰。鉀長石主要為正長石和微斜長石，其中正長石半自形，板狀，負突起低，常見一組不完全發(fā)育的解理，單偏光下無色透明，表面渾濁，糙面明顯，正交偏光下干涉色一級灰，部分見不規(guī)則裂紋，部分已蝕變?yōu)榛尹S色，長石因表面渾濁呈褐色而清晰的區(qū)別于石英。斜長石中主要是自形的更長石，由于高嶺土化，表面顯示為污濁，正突起低，單偏光下無色，正交偏光下具有聚片雙晶紋，干涉色一級灰。石英-斜長石的共生物有很好的蠕蟲結構。黑云母呈紅褐色，有時候呈綠色，褐色，為半自形-他形鱗片狀，正突起中，無解理或見一組較發(fā)育的波狀解理，單偏光下呈綠色或褐色，正交偏光下呈淺綠、褐綠、褐紅、黃綠、藍等多種干涉色，黑云母似堆狀或斷續(xù)似波痕狀分布，部分顯定向排列，局部輕綠泥石化、綠簾石化，另在晶體解理面間可見赤鐵礦。角閃石也已部分綠泥石化，在原晶體界面發(fā)育較好的針狀晶體。綠簾石呈棱狀結晶體，主要產生在黑云母的破裂處。磷灰石被包裹在長石和黑云母中。鋯石晶體以多色暈出現(xiàn)[2]?？梢妶D1顯微鏡下所示。

(a)樣品編號：2#-1

(b)樣品編號：2#-2

1.2 盆因拉隧道DK138+020巖樣2

1.2.1 樣品編號S020-1(巖脈)

具中粒結構，塊狀構造。礦物以鉀長石(微斜長石、正長石、條紋長石)、斜長石(鈉長石)為主，含少量石英。正長石含量為25 %，半自形，板狀，負突起低，常見一組不完全發(fā)育的解理，單偏光下無色透明，表面渾濁，糙面明顯，正交偏光下干涉色一級灰，部分見不規(guī)則裂紋被方解石交代，表面絹云母化。微斜長石含量為30 %，板狀，負突起低，無色透明，正交偏光干涉色一級灰，格字雙晶紋陰暗相間分布。斜長石含量為25 %，他形粒狀～半自形長條狀，粒徑最大達3.5 mm，表面渾濁，有蝕變現(xiàn)象，呈絹云母化。正突起低，單偏光下無色，正交偏光下具有聚片雙晶紋，干涉色一級灰，斜長石斑晶有彎曲現(xiàn)象，說明巖石曾處于強烈的區(qū)域應力條件。半自形-他形石英含量為10 %，他形粒狀、港灣狀，粒徑大小為2～3 mm，無解理，正突起低，單偏光下無色透明，正交偏光下波狀消光，干涉色一級灰，石英常以包含物的形式出現(xiàn)在兩個長石之間，另外石英與白云母可在正長石和斜長石中見到。鉀長石不等粒均勻分布，粒徑大小2～5 mm，表面渾濁，已蝕變?yōu)楦邘X土、綠簾石、白云母和高嶺石，含量大致為5 %，另零星分布綠泥石、黑云母、黃鐵礦、方解石等約占5 %，斑晶和基質成分相同，3～5 mm大小的斑晶分布在細小-中等基質之間[3]。

1.2.2 樣品編號S020-5-1

具細粒-中粒變晶結構，片麻狀構造。礦物有石英、鉀長石、斜長石、綠泥石、白云母、少量黑云母、綠簾石、方解石、白云石、菱鐵礦、赤鐵礦、磷灰石等。微斜長石、正長石，次要礦物主要有綠泥石、絹云母、方解石。赤鐵礦、鋯石、磷灰石、菱鐵礦、白云石是副礦物。其中石英含量為40 %，他形粒狀、港灣狀，無解理，正突起低，單偏光下無色透明，正交偏光下波狀消光，干涉色一級灰，部分粒狀石英條帶狀分布，顆粒大小不同，從非常細小到1 mm，石英呈他形細粒狀集合體分布于長石間，顆粒邊緣略顯縫合線狀接觸。斜長石含量為30 %，他形粒狀～半自形長條狀，粒徑大小從0.3～1.2 mm，有蝕變現(xiàn)象，部分或全部蝕變?yōu)榻佋颇?、高嶺石和綠泥石，正突起低，單偏光下無色，正交偏光下具有聚片雙晶紋，干涉色一級灰。正長石含量為20 %，半自形，板狀，粒徑大小從0.3～1.2 mm，負突起低，常見一組不完全發(fā)育的解理，單偏光下無色透明，表面渾濁，糙面明顯，正交偏光下干涉色一級灰，部分見不規(guī)則裂紋被方解石交代，表面絹云母化。微斜長石含量為3%，板狀，負突起低，無色透明，正交偏光干涉色一級灰，格字雙晶紋陰暗相間分布。黑云母含量為1 %，半自形，薄片狀，正突起中，無解理或見一組較發(fā)育的波狀解理，單偏光下呈綠色或褐色，正交偏光下呈淺綠、褐綠、褐紅、黃綠、藍等多種干涉色。綠泥石、絹云母、微斜長石及絹云母約占4 %。從薄片得出該巖石以脆性變形為特征，受到應力斷裂的石英和呈線理定向排列的黑云母(長達1.3 mm)，說明此巖石曾處于較高的應力狀態(tài)[4]?？梢妶D2顯微鏡下所示。

(a)樣品編號S020-1

(b)樣品編號：S020-5-1

2 力學實驗部分

2.1 環(huán)境掃描電鏡分析

試驗采用美國Quanta450型號的環(huán)境掃描電子顯微鏡，斷口背面磨平，厚度0.5 cm左右，斷口面積取2 cm2左右，將試樣用導電膠粘于樣品臺上，置于真空噴涂儀中，噴涂金膜后上鏡。

張裂、剪切及張剪復合型斷口是依據(jù)在室內單軸抗壓試驗所獲得的巖石斷裂面在掃描電鏡下的性質及其所表現(xiàn)的形貌，參照金屬斷口分析圖譜分析[5]。本次試驗巖樣破壞形式均為拉裂破壞和拉裂剪切復合型破壞。

2.1.1 張裂斷口

(1)在張應力的作用下，如果結晶顆粒的結合力大，則晶間膠結作用減弱或解理面脆化，晶間和解理面被拉開。結晶角明顯。晶體上沒有巖石和碎片的堆積。弱化的材料有時是破碎的，分布在晶體顆粒之間。

盆因拉隧道二號橫洞中單軸抗壓試驗樣品的破壞為拉裂破壞，斷口掃描圖片如圖3(a)和圖4(a)，為沿晶拉花。

(2)穿晶拉花，如果結晶顆粒強度小于膠結物時，顆粒本身常被拉斷。石英晶體斷面不規(guī)則，晶體整體形態(tài)不明顯，呈貝殼狀斷口，并有少量碎片散布。如圖3(b)圖4(b)。

(3)在結晶度差、力和方向變化的巖體中，經常出現(xiàn)臺階狀的構造，裂縫呈階梯狀，順序邊緣的邊緣角明顯，臺階上散布較大的巖石，如圖3(c)圖4(c)。在剪切應力作用下也發(fā)現(xiàn)這種臺階斷裂，但巖石粉體大多位于塊體運動的一側。即臺階下堆積。

(a) 沿晶拉花

(b) 穿晶拉花

(c) 臺階下堆積圖3 盆因拉隧道2#橫洞巖樣1單軸抗壓試驗中拉張破壞

2.1.2 剪切斷口

(1)沿晶面擦花，由于相對剪切滑移，晶體表面或解理表面沿運動方向被劃傷，或者沿著相同的一般方向沿著晶體表面發(fā)現(xiàn)錯誤的裂縫。晶間材料被摩擦成巖石粉末并堆積在低洼或交錯的間隙中[6]。

(a) 沿晶拉表

(b) 穿晶拉表

(c) 臺階下堆積

(2)切花，抹花。當晶體表面或解理面與剪切方向有一定的交點時，晶體往往被切斷，角磨損，有的部分也會產生解理表面的擦除。

(3)擦階花樣，巖石被切割錯開，斷裂面呈階梯狀或后退臺階狀，并伴有劃痕。巖石粉主要集中在試塊的前側。

(4)整平斷口花樣，在強烈的剪切應力作用下，斷裂被剝離和平整，晶體不清楚。斷裂面上分布有大量糜棱巖粉末，劃痕和反臺階明顯。

2.1.3 張剪復合型斷口

斷口形貌特征介于張裂斷口與剪切斷口之間，構成復合型形貌花樣。圖中部斷口為剪性，見有明顯擦痕；其余部位分別為穿晶拉花和拉裂巖片。

2.2 應力實驗

力學實驗部分主要是三軸應力實驗，巖石三軸試驗是在三向應力狀態(tài)下，測定和研究巖石變形和強度特性的一種試驗。

根據(jù)應力組合的方式，可分為兩種情況：

(1)橫向等壓三軸壓縮試驗(σ1>σ2、σ2=σ3)；主要研究圍壓(σ2=σ3)對巖石變形、強度和破壞的影響，測量巖石三軸的抗剪強度指標。

(2)三軸不等應力試驗(真三軸，σ1>σ2、σ2>σ3)，重點研究中間應力σ2的影響。通過大量的實驗研究，σ2對巖石的三軸極限強度和變形有影響，但其效果比σ3小得多。但對于各向異性巖石，當弱平面垂直于中間主應力時，σ2對巖石強度的影響可達到約20 %。為了確定巖石的極限應力圓包絡，應同時確定巖石的單軸拉伸強度和單軸抗壓強度[7]。

實驗數(shù)據(jù)記錄如表1～表4所示：

由以上實驗數(shù)據(jù)所得，得出巖樣1和巖樣2在飽和和干燥狀態(tài)下的應力-應變曲線圖，以上數(shù)據(jù)和下圖5應力應變曲線得到巖樣在應力狀態(tài)下應變的發(fā)展情況，得出其彈性模量及破壞的臨界值。

表1 單軸實驗和聲波數(shù)據(jù)記錄

縱波基值/us橫波基值/us實測P值/us實測S值/us縱波時差/(us·m-1)Vp/(m·s-1)橫波時差/(us·m-1)Vs/(m·s-1)彈性模量/MPa泊松比縱橫波比22.48 41.50 10.42 17.20 211.0 4739.9 348.2 2871.5 53604.0 0.210 1.65122.48 41.50 10.42 17.90 198.7 5032.6 341.3 2929.6 57607.6 0.244 1.718 22.48 41.50 10.22 17.80 194.1 5152.6 338.0 2958.4 59389.0 0.254 1.742 22.48 41.50 9.32 17.00 179.1 5583.7 326.7 3061.2 65005.6 0.285 1.824 22.48 41.50 9.12 15.90 171.6 5826.8 299.2 3342.1 75886.1 0.255 1.743 22.48 41.50 9.12 16.80 174.1 5744.5 320.7 3118.5 68514.9 0.291 1.842 22.48 41.50 9.92 17.80 193.4 5170.4 347.0 2881.5 57983.2 0.275 1.794 22.48 41.50 10.32 17.40 201.9 4953.5 340.4 2937.9 57552.5 0.229 1.686 22.48 41.50 10.42 18.60 201.1 4973.1 358.9 2786.0 54488.6 0.271 1.785 22.48 41.50 9.02 16.50 174.4 5735.0 319.0 3135.2 69543.6 0.287 1.829 22.48 41.50 9.02 15.10 172.2 5806.0 288.3 3468.2 80932.9 0.223 1.674 22.48 41.50 8.82 14.80 172.2 5806.1 289.0 3460.1 80715.2 0.225 1.678

表2 三軸實驗和聲波數(shù)據(jù)記錄

縱波基值/us橫波基值/us實測P值/us實測S值/us縱波時差/(us·m-1)Vp/(m·s-1)橫波時差/(us·m-1)Vs/(m·s-1)彈性模量/MPa泊松比縱橫波比6.40 11.80 15.50 24.00 285.9 3497.8 442.7 2258.8 31533.9 0.142 1.549 6.40 11.80 11.80 16.00 221.7 4510.3 300.7 3326.0 53934.8 (0.096)1.356 6.40 11.80 13.95 20.20 261.3 3826.4 378.5 2642.2 39389.4 0.044 1.448 6.40 11.80 13.20 19.90 243.7 4103.7 367.4 2721.7 44545.9 0.107 1.508 6.40 11.80 13.40 23.60 256.2 3902.8 451.3 2215.7 33721.9 0.262 1.761 6.40 11.80 12.10 18.20 236.1 4236.3 355.1 2816.1 47994.3 0.104 1.504 6.40 11.80 11.90 17.90 227.7 4392.5 342.5 2919.8 51339.8 0.104 1.504 6.40 11.80 11.80 22.70 234.7 4260.2 451.6 2214.1 35124.5 0.315 1.924

表3 巖樣密度記錄

表4 巖樣抗拉強度記錄

3 結論

巖石巖性及其應力狀態(tài)的研究不僅對于巖體力學研究的重壓內容，也是地質工程領域一個重要的研究內容。該盆地位于西藏雅魯藏布江流域。地應力測量表明，隧道處于高構造應力場。在高地應力區(qū)，隧道施工極易發(fā)生巖爆等地質問題[8]。研究隧道圍巖的微觀結構特征及其在構造應力狀態(tài)下的微觀變形特征，本文通過室內試驗對隧道圍巖宏觀力學特性進行了分析。微觀分析主要是對巖樣薄片的觀察，分析其礦物組成、含量、相關特性，完成巖樣的微觀分析及鑒定工作。力學實驗主要是環(huán)境電掃描分析和三軸應力實驗，采集相關數(shù)據(jù)，分析巖石在高應力狀態(tài)下的變形和抗壓抗拉強度，為工程建設提供參考依據(jù)。該試驗的創(chuàng)新之處在于通過研究巖石的微觀結構特征與其宏觀力學性能的關系。巖石在高應力狀態(tài)下受到破壞這一內容，這是工程建設中常見的問題，希望能對以后相關問題有借鑒意義。

(a) 巖樣1(干燥)圍壓=0.0 MPa

(b) 巖樣1(飽水)圍壓=0.0 MPa

(c) 巖樣2(干燥)圍壓=0.0 MPa

(d) 巖樣2(飽水)圍壓=0.0 MPa