赤峰地區強風化玄武巖的力學特性研究

孫亮亮，于宏波，徐鑫磊

（赤峰昊林工程勘察設計有限公司，內蒙古 赤峰）

引言

玄武巖是一種基性巖漿巖，經過長期風化作用后，玄武巖表面強烈剝蝕、破裂、解體，其造巖礦物發生了物理化學變化，導致其工程性質發生明顯改變，易產生結構不穩定、易發生坍塌等工程危害[1]。近年來，隨著城市化進程的加快和工程建設的不斷推進，赤峰地區工程建設遇到的強風化玄武巖問題日益增多[2]。這是因為赤峰地區的玄武巖具有明顯的區域特性，其斜長石斑晶約占10%，斜長石微晶約占35%，輝石約占15%，基質為間隱結構，極易造成礦物成分的風化，因此，強風化玄武巖的力學特性對于解決工程建設中的問題具有重要的工程和環境地質意義[3-4]。

1 場區玄武巖全強風化的定量和定性分析

大東北商業項目位于赤峰地區橋北新區赤錫路東，東環南路以北，東環南二路以西，新景東路以南。場地屬于山區丘陵地貌，場地起伏變化不大。場地地層主要結構為②粉土層、③粉質黏土層、④全風化玄武巖層、⑤強風化玄武巖層。

玄武巖的風化受到表生作用和風化作用的影響，使得原生造巖礦物（如鈉長石、鉀長石等）在水作用下，氧化形成高嶺石等礦物，導致礦物的黏土化和次生礦物的生成，其微觀結構構造和微裂隙發育特征與原生造巖礦物存在明顯的不同，巖石中鈉長石和鉀長石的風化作用過程如化學方程式（1）和化學方程式（2）所示，因此，全強風化玄武巖的風化程度判別采用定量和定性相結合的方式進行[5]。

在定量分析中，結合室內巖石薄片顯微鏡分析，采用造巖礦物蝕變指數判別，共分為5 個等級，其中蝕變指數為0～1 時，判別為未風化，蝕變指數為1～2時，判別為微風化，蝕變指數為2～3 時，判別為弱風化，蝕變指數為3～4，判別為強風化，蝕變指數為4～5 時，判別為全風化。④全風化玄武巖呈灰黑～黑褐色，層厚0.5 m～3.5 m，組織結構完全破壞，呈散體狀結構，以黏性土充填，屬極軟巖，基本質量等級為Ⅴ級，質量指標RQD＜25，其蝕變指數變化曲線如圖1所示，長石和輝石的蝕變指數變化范圍為4～5；⑤強風化玄武巖呈灰黑～黑褐色，組織結構大部分破壞，巖心呈塊狀及短柱狀，斑狀結構，氣孔構造，屬軟質巖，基本質量等級為Ⅳ級，飽和單軸抗壓強度fr=14.8 MPa，吸水率為0.313%，軟化系數KR=0.94，密度ρ=2.72 g/cm3，基本質量指標RQD=25～50，其蝕變指數變化曲線如圖1 所示，長石和輝石的蝕變指數變化范圍為3～4，該層最大揭露厚度6.6 m，未揭穿。

圖1 全強風化玄武巖定量分析

2 強風化玄武巖地應力- 應變曲線

在現場對強風化玄武巖芯樣進行取樣，并制作直徑為5.0 cm，試樣高度為10.0 cm 的標準圓柱形試樣，上下兩端面采用磨平機進行磨平，兩個端面平行度小于0.05 mm，端面表明平整度小于0.02 mm。試驗設備采用HSZY-80 型巖石三軸試驗儀，采用應變控制方法進行測試，壓力板與試樣之間防止2 mm 的橡膠墊片，加載速率控制在0.001 mm/s，試驗設定5 種不同的圍壓工況，分別為0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa，每個試驗工況重復測試3 個試樣。

圖2 為不同圍壓條件下，強風化玄武巖應力應變曲線測試結果。從圖2 中可以看出，5 種不同圍壓條件下強風化玄武巖的應力應變曲線均經歷了相似的變化過程，大致可以劃分為4 個階段，即I 階段～IV 階段。

圖2 不同圍壓條件下強風化玄武巖應力- 應變曲線

其中，I 階段為強風化玄武巖裂隙壓密階段，在此階段，三軸試驗的偏應力（σ1-σ3）較小，存在于玄武巖內部的初始孔隙以及微小裂隙在壓力作用下逐漸閉合和壓密，試樣的體積隨著加載的增加而有所縮小，此時試驗主要表現為豎向壓縮，環向應變變化不大；II 階段為強風化玄武巖的彈性變形階段，強風化玄武巖的偏應力（σ1-σ3）與應變ε 在此階段呈現明顯的線性增長關系，且軸向應力增速較大，巖體試驗中不斷出現壓裂裂紋，并出現裂紋擴展現象，試樣存在能量的耗散；III 階段為強風化玄武巖的非穩定破裂發展階段，試樣的偏應力（σ1-σ3）與應變ε 的變化關系呈現明顯的非線性，巖樣的微裂縫和微裂隙迅速發展，使得施壓過程中應力應變曲線呈現明顯的抖動，試驗的體積也出現擴容現象，偏應力逐步趨于峰值；IV 階段為強風化玄武巖的失穩破壞階段，在此階段的試樣呈現明顯的脆性特征，應力應變關系呈現明顯的突然陡降特征，試樣的表面出現明顯的宏觀裂縫，結構內部的裂隙和孔洞也出現交叉貫通現象，試樣發生崩裂，承載力迅速降低。

3 強風化玄武巖的力學參數相關分析

圖3 為不同圍壓條件下強風化玄武巖峰值應變與圍壓的相關關系。峰值應變是巖石的重要力學性質指標之一，從圖3 中可以看出，兩者具有良好的線性回歸關系，即隨著圍壓的不斷增加，強分化玄武巖的峰值應變呈現明顯的線性增加，回歸確定系數R2為0.8351，相關關系如公式（3）所示。由此表明，增加強風化玄武巖的圍壓有利于提高其峰值應變，使得其塑性變形能力提升。

圖3 不同圍壓條件下強風化玄武巖峰值應變與圍壓的相關關系

圖4 為不同圍壓條件下強風化玄武巖峰值偏應力與圍壓的相關關系。從圖4 中可以看出，兩者具有良好的線性回歸關系，即隨著圍壓的不斷增加，強分化玄武巖的峰值偏應力呈現明顯的線性增加，回歸確定系數R2為0.9792，相關關系如公式（4）所示。由此表明，增加強風化玄武巖的圍壓有利于提高其峰值偏應力，進而增加其地基承載力。

圖4 不同圍壓條件下強風化玄武巖峰值偏應力與圍壓的相關關系

圖5 為不同圍壓條件下強風化玄武巖彈性模量與圍壓的相關關系。彈性模量反映了巖石在受到外力作用時發生伸縮、剪切和體積變化的特征參數，從圖5中可以看出，兩者具有良好的線性回歸關系，即隨著圍壓的不斷增加，強分化玄武巖的彈性模量呈現明顯的線性降低，回歸確定系數R2為0.9548，相關關系如公式（5）所示。由此表明，增加強風化玄武巖的圍壓使得巖石抵抗彈性變形的能力降低，材料剛度變小。

圖5 不同圍壓條件下強風化玄武巖彈性模量與圍壓的相關關系

4 結論

（1） 結合室內巖石薄片顯微鏡分析，采用定性分析和定量分析表明，全風化玄武巖中長石和輝石的蝕變指數變化范圍為4～5，強風化玄武巖中長石和輝石的蝕變指數變化范圍為3～4。

（2） 不同圍壓條件下強風化玄武巖的應力應變變化規律大致相同，可以劃分為I 階段～IV 階4 個階段，分別為I 階段為裂隙壓密階段、II 階段為彈性變形階段、III 階段為非穩定破裂發展階段和IV 階段為失穩破壞階段。

（3） 室內三軸試驗表明，隨著圍壓的增加，強風化玄武巖的峰值應變、峰值偏應力均呈線性增加的趨勢，而彈性模量呈線性減小的趨勢。