虎跳峽地區(qū)綠泥石化片理狀玄武巖工程特性分析

柴春陽，巫錫勇，張廣澤，宋 章

(1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

峨眉山玄武巖在我國西南地區(qū)分布廣泛，其空間上可劃為東、中、西三個巖區(qū)，即貴州高原區(qū)、攀西裂谷區(qū)、鹽源—麗江區(qū)[1-3]。張春生，魏云杰，王毅[4-6]對攀西地區(qū)玄武巖的化學(xué)特征、巖體結(jié)構(gòu)及工程特性進(jìn)行了研究。程庭鳳，王文遠(yuǎn)等[7-8]總結(jié)分析了麗江金安橋地區(qū)的裂面綠泥石化玄武巖物理力學(xué)特性。呂勁松，龔婷婷[9-10]從巖相、構(gòu)造背景、化學(xué)特征等方面對香格里拉市九龍地區(qū)玄武巖進(jìn)行研究?；⑻鴯{玄武巖屬于峨眉山大火成巖省西區(qū)，即鹽源—麗江巖區(qū)，分布于金沙江兩岸，經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)作用，巖石的礦物、結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，表現(xiàn)出特殊的微觀地質(zhì)特征和工程特性。張招崇、汪云峰等[11-12]對虎跳峽地區(qū)的玄武巖地球化學(xué)特征及蝕變程度進(jìn)行了研究，但巖體的工程特性未曾涉獵。筆者在此基礎(chǔ)上，依托麗江至香格里拉鐵路的工程建設(shè)，對玄武巖的礦物及化學(xué)特征、物理力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析巖體特性對工程建設(shè)的影響，提出相應(yīng)的整治措施。

1 巖相及巖石學(xué)特征

測區(qū)玄武巖屬于基性海底火山噴發(fā)巖，經(jīng)歷了3個噴發(fā)旋回。巖石以輝斑玄武巖和玄武巖為主，經(jīng)后期的蝕變及構(gòu)造作用，發(fā)生了較強(qiáng)的變形變質(zhì)，玄武巖表現(xiàn)出片理化特征，局部偶見有柱狀節(jié)理，如圖1所示。地表的玄武巖因風(fēng)化作用，呈灰褐色、灰黑色，而對于新鮮的巖石，由于含有綠泥石呈暗綠色、灰綠色，綠泥石斑晶順片理定向排列清晰可見，如圖2所示。

圖1 巖石節(jié)理

圖2 巖石表觀特征

巖石薄片在顯微鏡下觀察，如圖3所示，巖石發(fā)生了較為強(qiáng)烈的蝕變，切片渾濁，巖性模糊，斜長石及輝石等主要礦物只保留假象。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]中礦物蝕變的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將本區(qū)的玄武巖蝕變程度定為四級。蝕變礦物主要為綠泥石、綠簾石、方解石和絹云母，以綠泥石較為常見。受區(qū)域性構(gòu)造作用，氣孔、杏仁和斜長石微晶等被壓扁、拉長，具有扁豆體和條紋構(gòu)造，組成礦物均一致定向排列形成片理狀構(gòu)造。

圖3 巖石微觀特征

成巖機(jī)制分析：測區(qū)屬三江成礦帶，是中國最重要的巖漿熱液成礦域之一，蝕變主要屬于巖漿期后的熱液蝕變[15-18]。玄武巖冷卻固結(jié)成巖后，形成了大量的收縮裂隙及氣孔構(gòu)造，后期的熱液進(jìn)入裂隙和氣孔中。玄武巖中的火山玻璃、斜長石、橄欖石斑晶等經(jīng)熱液作用發(fā)生蝕變形成綠泥石，或熱液成分沉淀生長和膠體溶液充填后結(jié)晶形成綠泥石。區(qū)內(nèi)巖層經(jīng)歷多次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，特別是進(jìn)入晚第三紀(jì)以來，青藏高原強(qiáng)烈隆起，高原物質(zhì)向東南側(cè)向擠出，新構(gòu)造變形十分強(qiáng)烈[19-20]，玄武巖表現(xiàn)出擠壓片理化特征，巖石中巖流面及柱狀節(jié)理等原生構(gòu)造已消失殆盡，礦物中含有的綠簾石便是構(gòu)造蝕變下的產(chǎn)物。

2 礦物及化學(xué)分析

2.1 礦物特征

巖石由斑晶、基質(zhì)、杏仁體組成。斑晶為具暗化邊的短柱狀輝石及斜長石，但均已蝕變，輝石被綠簾石取代，斜長石被綠泥石取代而呈假象?；|(zhì)由條柱狀斜長石微晶、鈦磁鐵礦等定向排列，但斜長石微晶已全部被綠泥石、少量絹云母取代，而形成變余斑狀結(jié)構(gòu)的變余交織結(jié)構(gòu)。杏仁體呈圓、橢圓形，被綠泥石、綠簾石、絹云母、方解石、石英等充填。巖石的主要礦物特征如表1所示。

表1 主要礦物特征

2.2 化學(xué)特征

玄武巖的地球化學(xué)特征如表2所示，蝕變使巖石產(chǎn)生了富鋁富鐵脫硅作用，SiO2含量(38.21%～46.71%)相對較低，Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO的總體含量(38.21%～46.71%)較高，這同綠泥石(Al(Mg，F(xiàn)e)3AlSi3O10(OH)8)和綠簾石(Ca2(Al，F(xiàn)e)3[SiO4][Si2O7]O(OH))的化學(xué)式中Al、Fe、Mg和Ca元素富集是一致的。CaO/Al3O2的值較高，一般在0.8～0.92，反映區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力[11]。燒失量偏高，一般2.41%～5.01%，最高達(dá)15.29%，也進(jìn)一步表明了區(qū)內(nèi)玄武巖遭受了不同程度蝕變[12]。

表2 巖石主要化學(xué)元素分析結(jié)果[12] %

2.3 礦物對巖石性質(zhì)的影響

巖石中的綠泥石、綠簾石、絹云母以面狀蝕變?yōu)橹?，局部為條帶蝕變，由于這些礦物本身性質(zhì)較差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響巖體的強(qiáng)度。綠泥石屬于黏土礦物，一般不具有膨脹性，但具有硬度小、比重不大的特點，與水的反應(yīng)較為靈敏，巖石遇水易軟化。綠泥石、絹云母等片狀礦物，常在結(jié)構(gòu)面層間富集，在后期的構(gòu)造變形中易產(chǎn)生位移滑動形成錯動帶，由于綠泥石、綠簾石、絹云母等礦物抗風(fēng)化能力較弱，形成軟弱夾層，對隧道及邊坡的穩(wěn)定性不利。

3 物理力學(xué)特性

3.1 物理特性

巖石的物理特性指標(biāo)如表3所示，在構(gòu)造擠壓作用下重結(jié)晶，巖石結(jié)構(gòu)更為致密，因此試驗測得塊體密度(2.89～3.06 g/cm3)較大，孔隙率(1.78%～4.63%)較小，由于綠泥石等親水礦物的存在，飽和吸水率略有增大，一般0.22%～0.65%。飽水系數(shù)約為0.92，表明巖石中含有的蝕變礦物具有親水性，耐凍性較差。

表3 巖石物理特性指標(biāo)

3.2 強(qiáng)度特性

由于巖體的不連續(xù)性和不均勻性，使得室內(nèi)與現(xiàn)場試驗結(jié)果存在一定差異。為深入認(rèn)識綠泥石化片理狀玄武巖的工程力學(xué)性質(zhì)，開展了室內(nèi)巖石抗壓、抗拉、抗剪(斷)試驗，巖石三軸試驗，現(xiàn)場巖體直剪試驗及載荷試驗。

3.2.1 抗壓、抗拉試驗

從表4統(tǒng)計結(jié)果看，巖石的強(qiáng)度離散性較大，最大值與最小值相差約50%。主要是由于巖石結(jié)構(gòu)的不均勻所致，變質(zhì)較淺以粒狀結(jié)構(gòu)為主的巖樣強(qiáng)度較高，而變質(zhì)較深以片狀結(jié)構(gòu)為主的巖樣強(qiáng)度較低，如圖4所示。為分析片理的影響，巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗和抗拉強(qiáng)度試驗采用加載方向與巖石片理平行、垂直和斜交(45°夾角)3種情況進(jìn)行，試驗成果見表4。對于抗壓強(qiáng)度而言，平行片理的干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度都是最大，分別為80.1，45.6 MPa，垂直片理的干強(qiáng)度最小，為72.3 MPa，斜交片理的濕強(qiáng)度最小，為41.3 MPa。巖石的軟化系數(shù)較低，一般0.56～0.58。對于抗拉強(qiáng)度而言，垂直片理的干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度最大，分別為6.15，3.98 MPa，平行片理的干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度最小，分別為4.65，2.48 MPa，軟化系數(shù)同樣較低，一般0.53～0.64?？傮w而言，無論是抗壓強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度，各方向強(qiáng)度相差不大，但巖石軟化系數(shù)均較低，表明對于新鮮完整的巖石各向異性不明顯，但對水的作用較為敏感。

表4 巖石抗壓/抗拉試驗成果 MPa

3.2.2 抗剪強(qiáng)度

室內(nèi)試驗所取的巖樣一般屬于弱風(fēng)化至微風(fēng)化，發(fā)育少量的微小隨機(jī)裂隙，片理處于閉合狀態(tài)，得到的抗剪強(qiáng)度普遍較高。平行片理抗剪強(qiáng)度與垂直片理的抗剪強(qiáng)度相比，φ值降低了4.3%，c值降低了9.4%，表明對于完整新鮮的巖石，片理對其抗剪強(qiáng)度的影響較小。

在平硐內(nèi)采用50 cm×50 cm×50 cm的試塊進(jìn)行直剪試驗，與室內(nèi)試驗相比，抗剪強(qiáng)度有了大幅的降低，見表5。這主要有兩個方面的原因，一是尺寸效應(yīng)，原位試塊的體積遠(yuǎn)大于室內(nèi)巖塊，隨著巖體內(nèi)裂隙面積或長度的增大，抗剪強(qiáng)度逐漸降低。二是原位試塊片理構(gòu)造發(fā)育，巖石礦物綠泥石化(薄片鑒定綠泥石含量為50%)，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度偏低。此外，原位試塊受片理構(gòu)造及綠泥石化影響，峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度相差不大，表現(xiàn)出塑性破壞的特征。

圖4 室內(nèi)抗壓巖樣

表5 巖石(體)抗剪試驗成果

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖體受構(gòu)造、風(fēng)化、卸荷作用，片理剝開，呈片狀或板狀，貫通性較好，結(jié)構(gòu)面之間局部有巖粉、泥膜充填，巖面變得光滑，手摸具有滑感，如圖5所示?，F(xiàn)場選擇代表性片理面進(jìn)行剪切試驗，抗剪強(qiáng)度極低，c值為130 kPa，φ值為17.2°，與巖體的強(qiáng)度相比，c值降低了95%，φ值降低了56%，因此，構(gòu)造帶、風(fēng)化帶及卸荷帶巖體的穩(wěn)定性主要受片理面控制。

圖5 現(xiàn)場試驗點結(jié)構(gòu)面

3.3 變形特性

從表6可以看出，平行片理的彈性模量最大，為36.7 GPa，垂直片理的彈性模量最小，為26.3 GPa，這與巖石抗壓強(qiáng)度特征表現(xiàn)出一致性，各向異性不明顯。現(xiàn)場載荷試驗考慮了結(jié)構(gòu)面的影響，更為客觀地反映了巖體的變形特征，與室內(nèi)壓縮試驗相比，彈性模量降低60%～70%，平行片理的彈性模量及變形模量最大，分別為11.12，7.37 GPa，而斜交片理的彈性模量及變形模量最小，分別為8.55，5.08 GPa。表明片理面對巖體變形破壞起控制作用，當(dāng)荷載方向與片面呈45°斜交時，巖體沿片理面產(chǎn)生剪切變形，此時對應(yīng)的彈性模量及變形模量最小。

表6 巖石(體)變形試驗成果

4 巖體對工程的影響

(1)巖體多具有片理構(gòu)造，富含的綠泥石、綠簾石、絹云母等蝕變礦物，軟化系數(shù)較低，飽水系數(shù)較高，暴露數(shù)日至數(shù)月出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，依據(jù)文獻(xiàn)[21]的標(biāo)準(zhǔn)判定，屬于易風(fēng)化巖石，不宜作為建筑石料及道砟。巖體在開挖過程中極易因風(fēng)化及水的浸潤作用，導(dǎo)致工程力學(xué)性狀惡化。因此，基礎(chǔ)開挖完成后，應(yīng)及時澆筑墊層混凝土或噴射混凝土進(jìn)行封閉，如不能及時封閉，基底應(yīng)預(yù)留0.5～1.0 m厚的保護(hù)層。

(2)在斷層破碎帶及其影響帶內(nèi)，玄武巖由于構(gòu)造擠壓作用，沿片理產(chǎn)生層間錯動，巖體變得松散、軟弱，巖塊手掰即斷，片理面光滑，手摸有滑膩感。加之區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響，在隧道開挖過程中，表現(xiàn)出變形量大、速率快、持續(xù)時間長等特點。因此，在隧道施工中宜采用“短進(jìn)尺、弱爆破、快閉環(huán)、長錨桿”等措施。

(3)在地表的風(fēng)化帶及卸荷帶內(nèi)，巖體受風(fēng)化、卸荷作用，片理剝開，貫通性較好，巖面變得光滑，抗剪強(qiáng)度較低，且遇水軟化效應(yīng)明顯，邊坡往往沿片理產(chǎn)生滑移變形。因此，宜采用預(yù)加固樁、錨桿(索)等措施對邊坡進(jìn)行防護(hù)，盡量選擇在旱季施工，做好防排水措施。

5 結(jié)論

(1)綠泥石化片理狀玄武巖是熱液蝕變及區(qū)域變質(zhì)作用的產(chǎn)物，巖石的礦物、結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)的改變，斜長石、輝石等原始礦物為綠泥石、綠簾石、絹云母等礦物取代，巖石呈鱗片變晶結(jié)構(gòu)，表面具有玻璃光澤，未完全解理。

(2)綠泥石化片理狀玄武巖具有軟化系數(shù)低，飽水系數(shù)高，抗風(fēng)化能力弱等特點。新鮮巖塊受片理影響較小，強(qiáng)度及變形模量較高，各向異性不明顯。但巖體的變形破壞主要受片理面控制，強(qiáng)度及變形模量較低。

(3)新鮮的巖體片理密閉，呈塊狀，但受構(gòu)造、風(fēng)化及卸荷作用，片理剝開，呈片狀或板狀，貫通性較好，巖面光滑，抗剪強(qiáng)度較低，且遇水軟化效應(yīng)明顯，在工程中易出現(xiàn)軟巖大變形、邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)問題。