千枚巖飽水狀態(tài)下軟化效應(yīng)試驗(yàn)分析

蔡國(guó)軍， 程宇航， 仲 闖， 賈 俊， 趙大安， 馮偉強(qiáng)， 周 揚(yáng)

(1.成都理工大學(xué)， 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059；2.成都理工大學(xué)，地質(zhì)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 成都 610059； 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局， 西安地質(zhì)調(diào)查中心， 西安 710054)

在地質(zhì)作用過(guò)程中，礦物在水巖作用下會(huì)發(fā)生物質(zhì)成分的交換，尤其對(duì)于某些軟變質(zhì)巖而言，在水作用下其力學(xué)性質(zhì)將大幅度下降，內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展極其明顯。近年來(lái)，為了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)價(jià)并且找到影響滑坡滑動(dòng)的控制性因素，眾多學(xué)者研究了巖石在不同遇水情況下的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。趙建軍等[1]設(shè)計(jì)了不同飽水時(shí)間下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)千枚巖力學(xué)特性隨著飽水時(shí)間增加逐漸降低至70 d時(shí)趨于穩(wěn)定；劉鎮(zhèn)等[2]建立了紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)模型，分析了紅層軟巖軟化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演化；鄧華鋒等[3]對(duì)砂巖進(jìn)行浸泡-風(fēng)干循環(huán)水巖作用，發(fā)現(xiàn)水巖作用對(duì)損傷巖樣的耦合損傷效應(yīng)相比完整巖樣更加明顯；賴遠(yuǎn)超等[4]通過(guò)研究紅層泥巖在干濕循環(huán)作用下的剪切蠕變特性，發(fā)現(xiàn)飽水-濕水循環(huán)次數(shù)會(huì)影響剪切蠕變曲線的“臺(tái)階”現(xiàn)象；黎康平等[5]以西域礫巖為研究對(duì)象，分析了邊坡坡腳軟化對(duì)邊坡破壞模式的影響程度；White等[6]以巖石含水量為基礎(chǔ)，探討了水對(duì)巖石力學(xué)特性的影響；Yu[7]通過(guò)對(duì)不同圍壓下干燥試樣與飽和試樣的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較，得出千枚巖是一種水敏性巖石并且受圍壓影響；金俊超等[8]基于H-B準(zhǔn)則，通過(guò)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)提出了一種適用于大量軟硬巖的應(yīng)變軟化模型；Feng等[9]通過(guò)水與巖石的化學(xué)作用得出砂巖的剪切摩擦系數(shù)取決于離子濃度和酸堿度；Liu等[10]基于重整化處理分析了軟巖軟化過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)演化的臨界判據(jù)；Chen 等[11]通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)層理方向?qū)η稁r的釋能機(jī)制和損傷破裂演化機(jī)制影響不大，而其儲(chǔ)能和釋能機(jī)制則對(duì)含水狀態(tài)的變化比較敏感；Chen等[12]對(duì)不同層理角度的黑色頁(yè)巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，得出了其強(qiáng)度各向異性系數(shù)隨著圍壓的增加而降低；鄭達(dá)等[13]利用掃描電子顯微(scanning electron microscope，SEM)觀察千枚巖斷口的微觀形貌特征，揭示了絹云母千枚巖的切晶擦花剪切破裂和硅質(zhì)板狀千枚巖的沿晶斷裂的拉斷破裂形式。巖石的微變形與其宏觀破裂存在緊密聯(lián)系，分析其宏觀破裂必須從微觀破裂[14]開(kāi)始，這樣才能夠更好地對(duì)比其破壞前后狀態(tài)變化，由此結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)與治理。

千枚巖遇水軟化現(xiàn)象在陜南地區(qū)尤為嚴(yán)重，這是造成邊坡災(zāi)變的關(guān)鍵所在。現(xiàn)有研究?jī)H僅是通過(guò)單一試驗(yàn)分析千枚巖的力學(xué)性質(zhì)，現(xiàn)以陜西省略陽(yáng)縣菜籽壩楔形塊體千枚巖為研究對(duì)象，分析千枚巖在不同浸水時(shí)間下的剪切破壞情況，利用SEM試驗(yàn)觀察其斷口和裂紋，探討其微觀破裂情況與宏觀力學(xué)性質(zhì)的差異，為研究水對(duì)陜南軟變質(zhì)巖區(qū)邊坡巖體力學(xué)性質(zhì)的影響提供理論支撐。

1 滑坡地質(zhì)條件與礦物分析

所選地質(zhì)原型位于略陽(yáng)縣城西北側(cè)，馬蹄灣鎮(zhèn)南部，坡體位于縣道“X222”旁，交通方便。該地災(zāi)隱患點(diǎn)地理坐標(biāo)為33°26′42.35″N，106°02′32.70″E，高程692 m，威脅下部過(guò)往車輛(如圖1所示)。該滑坡由于節(jié)理裂隙發(fā)育及風(fēng)化作用，坡體破碎，下部堆積大量強(qiáng)風(fēng)化千枚巖碎塊石；主滑方向60°，向外傾角26°，坡體走向330°。此處常年雨水較多，年均降水量826.2 mm，7—9月降水約占全年降水量的50%以上，因此，在7—9月這段時(shí)間內(nèi)高強(qiáng)度降雨量易激發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。試驗(yàn)選取菜籽壩楔形塊體滑體部位的淺表層新鮮千枚巖為研究對(duì)象。根據(jù)X射線衍射分析試驗(yàn)結(jié)果，所取巖樣中云母占13%，綠泥石和石英占主體部分，分別為47%和36%，另外還含4%的斜長(zhǎng)石，其礦物成分衍射圖如圖2所示。千枚巖的3.337 5 nm(對(duì)應(yīng)于綠泥石)，7.064 6 nm(對(duì)應(yīng)于石英)，9.966 6 nm(對(duì)應(yīng)于云母)，14.140 1 nm(對(duì)應(yīng)于斜長(zhǎng)石)等特征衍射峰非常明顯，峰形尖銳，表明其含量大。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件Fig.1 Field geological condition

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究在不同浸水時(shí)間下的千枚巖的剪切破壞特性，將現(xiàn)場(chǎng)取回來(lái)的巖樣制成50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。千枚巖裂縫的擴(kuò)展不僅與受力條件有關(guān)，還受加載方向，層理位置因素的影響，因此試驗(yàn)加載均垂直于層面方向，為防止某些試樣內(nèi)部微裂紋較為發(fā)育，試驗(yàn)前利用聲波儀測(cè)試試樣波速，選取波速大小一致的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。將試樣沒(méi)入水中進(jìn)行浸泡，包括以下?tīng)顟B(tài)：天然狀態(tài)、飽水1、3、7、14、21 d。每一次浸泡完成后，采用電腦控制全自動(dòng)雙剪試驗(yàn)儀器在法向應(yīng)力1、2、3、4、5 MPa下對(duì)試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，總共進(jìn)行6組試驗(yàn)，每組分為5個(gè)試樣，具體試驗(yàn)方案如圖3所示。

圖2 千枚巖礦物成分衍射圖Fig.2 Diffraction pattern of mineral composition of phyllite

圖3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.3 Test design

3 軟化效應(yīng)分析

3.1 巖石力學(xué)特性及破壞特征分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行千枚巖在不同浸水時(shí)間下的巖石直剪試驗(yàn)分析，巖樣分別浸水：0、1、3、7、14、21 d，每隔24 h稱重1次，浸水14 d以后巖樣質(zhì)量?jī)H有微小變化，說(shuō)明此時(shí)巖樣已飽和。各個(gè)試樣破壞時(shí)的峰值應(yīng)力如表1所示。

在不同法向應(yīng)力的情況下千枚巖的總體剪切破壞情況類似，但是隨著浸水天數(shù)的增加，其峰值后剪應(yīng)力存在突然下降[15]的現(xiàn)象。觀察不同浸水時(shí)間下的千枚巖力學(xué)參數(shù)表：隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)，峰值應(yīng)力逐漸下降；巖樣的內(nèi)摩擦角及黏聚力隨著浸水時(shí)間逐漸降低，在浸水14 d以后變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定；在同一浸水條件下，隨著法向應(yīng)力的增大，試樣的峰值剪切應(yīng)力也逐漸增大；由于巖石結(jié)構(gòu)面的剪切破壞會(huì)釋放能量，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)面上的突起被剪斷時(shí)，其峰值應(yīng)力可能會(huì)突然下降。在不同法向應(yīng)力下千枚巖的剪應(yīng)力-剪切位移曲線變化情況相像，選取典型曲線如圖4所示。

表1 力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameter table

圖4 法向應(yīng)力4 MPa下剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve under normal stress of 4 MPa

觀察試樣破壞情況，發(fā)現(xiàn)在同樣法向應(yīng)力下，隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)，巖樣被剪壞后會(huì)更加松散破碎(圖5)。由巖樣剪切面的破壞情況可見(jiàn)，剪切面上可以觀察到大量巖粉，這種現(xiàn)象在0、1、3、7 d的浸水條件下尤為明顯，這是因?yàn)樵诮跗冢嚇觾?nèi)部較密實(shí)，剪切破壞時(shí)顆粒間的摩擦力較大，產(chǎn)生較多巖粉；在浸水時(shí)間達(dá)到14、21 d時(shí)，試樣重量變化不明顯，此時(shí)已完全飽和，內(nèi)部礦物與水產(chǎn)生物質(zhì)交換，其孔隙擴(kuò)大的同時(shí)礦物顆粒發(fā)生磨圓效應(yīng)，其剪切破壞主要以礦物顆粒之間的滑動(dòng)為主，因此剪切面上的巖粉明顯減少。

圖5 4 MPa下直剪試樣破壞情況Fig.5 Failure of direct shear specimen under 4 MPa

3.2 劣化效應(yīng)分析

為了更好地反映千枚巖在不同浸水條件下的劣化程度，用式(1)分別計(jì)算峰值應(yīng)力、黏聚力和內(nèi)摩擦角在水巖作用下的變化幅度，其中T0為天然狀態(tài)下的巖石力學(xué)參數(shù)；Ti為不同浸水時(shí)間下的巖石力學(xué)參數(shù)。

Si=(T0-Ti)/T0×100%

(1)

千枚巖峰值應(yīng)力劣化程度隨著浸水時(shí)間不同而變化明顯，由表1、圖6可以看出，在1～5 MPa的法向應(yīng)力下，其劣化程度總體變化規(guī)律相似，都是逐漸增加；在浸水14 d之前法向應(yīng)力1、2、3、4、5 MPa的剪切應(yīng)力強(qiáng)度分別下降了24.32%，23.33%，22.55%，18.90%，18.72%；在浸水14 d以后變化則趨近于平穩(wěn)，這與之前稱重得出的試樣已經(jīng)飽和結(jié)果相匹配；在法向應(yīng)力為1 MPa的情況下出現(xiàn)了異常，這可能是所選試驗(yàn)樣品本身的問(wèn)題，后續(xù)有待進(jìn)一步作出補(bǔ)充試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其規(guī)律。

圖6 峰值應(yīng)力劣化度與浸水時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between deterioration degree and soaking time of peak stress

在水巖作用過(guò)程中，千枚巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化程度明顯，總體下降趨勢(shì)類似，并且兩者下降幅度基本持平，如圖7、圖8所示：浸水14 d前黏聚力下降了21.35%，內(nèi)摩擦角下降了12.66%；浸水21 d以后其黏聚力下降了60.67%。內(nèi)摩擦角下降了22.97%；觀察二者劣化曲線可以看出，飽水初期劣化程度較弱，后期劣化程度相比之前較大并且內(nèi)摩擦角劣化曲線趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榈V物顆粒之間的膠結(jié)程度主要影響其黏聚力大小，由于浸水軟化效應(yīng)，水進(jìn)入巖樣內(nèi)部孔隙而造成其膠結(jié)能力下降；相反，膠結(jié)程度不影響巖石內(nèi)摩擦角，其主要取決于礦物顆粒之間的鑲嵌程度以及巖樣自身強(qiáng)度的大小。因而黏聚力的劣化程度大于內(nèi)摩擦角，這與趙建軍等[1]研究結(jié)果一致。

峰值應(yīng)力的平均總劣化度[2]在21 d時(shí)為39.58%，黏聚力及內(nèi)摩擦角的劣化度在21 d時(shí)分別為60.67%和22.97%，因此，飽水對(duì)千枚巖力學(xué)參數(shù)的影響程度主要為：黏聚力>峰值應(yīng)力>內(nèi)摩擦角。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在浸水條件分別為0、1、3、7、14、21 d的情況下，千枚巖的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨之呈現(xiàn)不同程度的下降。分別對(duì)千枚巖3個(gè)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，探討三者在不同浸水條件下的定量關(guān)系，具體聯(lián)系如表2所示。

圖7 巖石力學(xué)參數(shù)與浸水時(shí)間關(guān)系Fig.7 Fitting curve of rock strength parameter and saturated time

圖8 黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化度與浸水時(shí)間關(guān)系Fig.8 Relationship between deterioration degree and soaking time of cohesion and angle of internal friction

通過(guò)分析表2：在1～5 MPa法向應(yīng)力條件下，抗剪強(qiáng)度與浸水天數(shù)的回歸方程遵循線性法則，擬合系數(shù)R2分別為0.697 8、0.995 0、0.807 6、0.964 2、0.908 7，除去1 MPa條件下存在異常，其余巖樣相關(guān)性較好，回歸方程有效；黏聚力和內(nèi)摩擦角的回歸方程同樣遵循線性法則，擬合系數(shù)R2分別為0.961 1與0.921 2，均大于0.9，擬合效果較好(如圖9所示為擬合曲線)。以上數(shù)學(xué)分析表明千枚巖抗剪強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角在水巖作用下的響應(yīng)均為衰減，而且互相之間存在著極大的關(guān)系。

表2 浸水天數(shù)與力學(xué)參數(shù)回歸分析Table 2 Regression analysis of soaking days and relevant parameters

圖9 力學(xué)參數(shù)回歸曲線Fig.9 Regression curve of mechanical parameters

圖10 不同浸水條件下的千枚巖SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM photos of phyllite under different soaking conditions

3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

試驗(yàn)中首先對(duì)不同浸水時(shí)間條件下的強(qiáng)風(fēng)化千枚巖進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，繼而利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察剪斷后的千枚巖。圖10展示了天然、浸水7、14、21 d的強(qiáng)風(fēng)化千枚巖SEM照片(分別放大200倍和500倍)，當(dāng)放大200倍數(shù)時(shí)視野電磁移動(dòng)范圍為200 μm，放大500倍數(shù)時(shí)視野電磁移動(dòng)范圍為100 μm，觀察照片可以看出：在天然狀態(tài)下，千枚巖呈現(xiàn)其本身的細(xì)鱗片狀集合體，分布較為均勻，平坦面有少量的巖粉分布，這是礦物顆粒沿剪切面產(chǎn)生摩擦作用的效果，這與試驗(yàn)后所觀察到的現(xiàn)象一致；在浸水7 d的條件下，首先可以觀察到其片理面足夠發(fā)育，這種千枚狀構(gòu)造使得其在剪應(yīng)力的作用下易于發(fā)生剪切破壞，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其在剪切破壞后出現(xiàn)階梯狀的斷口，但是分布并不廣泛；在浸水14 d的條件下，階梯狀斷口分布較為密集，并且由于剪切滑移的出現(xiàn)，礦物顆粒相互摩擦產(chǎn)生的巖粉匯聚于斷口附近低洼處；在浸水21 d的條件下，可見(jiàn)少許鱗片狀綠泥石及細(xì)粒石英不均勻分布，無(wú)序穿插于片狀絹云母間，并且相較于之前的浸水條件，發(fā)現(xiàn)微裂紋數(shù)量逐漸增多。

結(jié)合千枚巖的礦物組成及SEM分析，千枚巖中綠泥石充填于石英、云母等粗顆粒之間，起膠結(jié)作用，并且能夠降低裂隙透水性能。根據(jù)SEM照片粒徑測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：浸水7 d時(shí)，綠泥石長(zhǎng)軸與短軸方向的粒徑均變大，產(chǎn)生不均勻膨脹，千枚巖中原有的微觀結(jié)構(gòu)被破壞，可見(jiàn)明顯的骨架剝落現(xiàn)象，水沿著層理面附近的裂隙進(jìn)入巖石內(nèi)部，孔隙擴(kuò)張；浸水14 d后，隨著軟化的繼續(xù)，巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)大，剝落的顆粒進(jìn)入大孔隙中，使得孔隙總表面積增大，為水對(duì)千枚巖的軟化提供了便利條件；通過(guò)SEM照片可見(jiàn)微觀破裂形式包括平坦面花樣的斷口及沿晶面的擦花破裂[13]，千枚巖中石英含量占36%，可見(jiàn)明顯的階梯狀斷口，云母薄片狀結(jié)構(gòu)松散并且孔隙較多，片狀結(jié)構(gòu)在剪切作用下極易產(chǎn)生面-面滑動(dòng)，從而造成千枚巖抗剪強(qiáng)度降低，巖體結(jié)構(gòu)面也將因此而張開(kāi)；同時(shí)礦物顆粒之間的鑲嵌及膠結(jié)程度變差，千枚巖黏聚力和內(nèi)摩擦角均發(fā)生劣化，從而引起巖體變形，一旦結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度降至與剪應(yīng)力相等，巖體便發(fā)生破壞，造成邊坡變形失穩(wěn)。

綜上所述，千枚巖宏觀力學(xué)參數(shù)隨水分的變化規(guī)律與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，在不同浸泡時(shí)間條件下的千枚巖其抗剪強(qiáng)度以及力學(xué)參數(shù)有著明顯的劣化效應(yīng)，結(jié)合地質(zhì)原型，分析其主要失穩(wěn)原因如下。

(1)巖體往往是由不均勻的礦物顆粒所組成，因此其本身的結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部具有較多的微裂紋和孔隙，并且由于陜南地區(qū)降雨較多，千枚巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的水巖作用，其結(jié)構(gòu)面不是完全平直光滑，水溶液可能會(huì)首先腐蝕結(jié)構(gòu)面上的凸起，從而降低結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的咬合程度；由于水巖作用的浸潤(rùn)，其內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)大，開(kāi)度增強(qiáng)，因此千枚巖抗剪強(qiáng)度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角都會(huì)逐漸降低，從而引起滑坡災(zāi)變。

(2)略陽(yáng)縣的降雨量呈明顯的季節(jié)性特征，全年降雨量主要集中于7、8、9月，這3個(gè)月的降雨占全年降水量的 56.1%，且多以暴雨和連陰雨為主，最大日降水量161.8 mm，最大小時(shí)降水量56.5 mm，最大10 min降水量24.7 mm。在雨水的長(zhǎng)期浸潤(rùn)條件下，巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度逐漸降低，巖層之間和結(jié)構(gòu)面之間的連接陸續(xù)削弱，其自由度及活動(dòng)度增加，這就加速了巖塊由密實(shí)狀態(tài)向碎裂松散狀態(tài)再到完全松散狀態(tài)過(guò)程的進(jìn)度，從而使得其本身的強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)大幅度下降，逐漸劣化，因此巖體浸水軟化效應(yīng)是誘發(fā)陜南地區(qū)軟變質(zhì)巖滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的重要因素之一。陜南地區(qū)軟變質(zhì)巖在多雨水的氣候條件下極易發(fā)生變形破壞，黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小是其受雨水侵蝕破壞的關(guān)鍵因素，因此研究千枚巖的浸水軟化效應(yīng)能夠?yàn)楫?dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害防護(hù)與治理提供主要的理論支撐。

4 結(jié)論

采用X射線衍射分析、巖石直剪試驗(yàn)與SEM等測(cè)試方法，對(duì)略陽(yáng)縣菜籽壩楔形塊體千枚巖在水巖作用下的力學(xué)特性與微觀破裂機(jī)理進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)浸水初期巖石破壞主要由顆粒間相互摩擦導(dǎo)致，此時(shí)產(chǎn)生較多巖粉；在浸水中后期，顆粒在水巖作用下產(chǎn)生磨圓效應(yīng)，巖石破壞以礦物顆粒間的滑動(dòng)為主，巖粉明顯減少。

(2)在水巖作用下，巖石的峰值應(yīng)力、黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化程度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，其影響程度依次為黏聚力>峰值應(yīng)力>內(nèi)摩擦角。

(3)在水巖作用下千枚巖剪切破壞出現(xiàn)的階梯狀斷口愈發(fā)密集。

(4)在水巖作用條件下，巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度降低，自由度增加，千枚巖的力學(xué)特性大幅度劣化，這是誘發(fā)陜南地區(qū)軟變質(zhì)巖滑坡災(zāi)變的關(guān)鍵因素。