深圳地鐵5號線暗挖段風化花崗巖的組構特征分析

李 濤,劉繼強,尹文平

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044;2.中鐵南方投資發展有限公司,廣東深圳 518055)

深圳地鐵5號線暗挖段風化花崗巖的組構特征分析

李 濤1,劉繼強2,尹文平1

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044;2.中鐵南方投資發展有限公司,廣東深圳 518055)

室內采用顆粒分析試驗、壓汞試驗、比表面及孔隙度分析儀、X射線衍射和熒光光譜儀、透射和掃描電子顯微鏡等多種儀器和方法對取自深圳地鐵5號線暗挖段地層的典型風化花崗巖試樣進行分析,獲得試樣的顆粒組成與級配、孔隙組成及分布、化學元素及礦物組成、微觀結構特征等信息,同時對這些組構特征與風化花崗巖工程特性的關系作了簡要探討。研究成果有助于深入了解深圳地區風化花崗巖的工程特性及預測和控制地鐵隧道開挖時引起的地層變形和地表沉降。

礦物成分;孔徑;微觀結構;風化花崗巖;工程性質

1 概述

深圳全區面積約50%的地區分布著燕山期侵入的花崗巖,在物理、化學及生物等風化營力長期作用下,加上華南地區濕熱和多雨的氣候使花崗巖體產生不同程度的風化,其性質介于巖石和土之間,尤其是遇水軟化,強度水穩性很差。深圳地鐵5號線暗挖區間隧道多穿過全、強風化花崗巖地層,由于風化花崗巖組成復雜和風化程度不同,再加上地下水的作用,造成隧道開挖時掌子面非常容易坍塌和地層變形過大且難于預測和控制。

巖石風化后一般都保留著母巖原有的內部結構,風化巖石的應力應變特性,除與所施加的應力水平有關外,還與自身的組成和內部微觀結構有關。由于風化花崗巖的組構(組成和微觀結構)特征是影響和決定其工程性質的關鍵因素,因此要了解深圳地區風化花崗巖的變形與強度特征,必須對其組構特征進行研究。

根據文獻調研,國內(包括香港)學者已對華南,尤其是與深圳比鄰的香港地區的風化花崗巖組構特征及其與工程特性的關系開展了不少研究,主要工作圍繞風化花崗巖的礦物與化學組成[1-2]、微觀結構特征[3-5]、組構特性與物理和力學特性的關系[6-10]等方面進行。研究成果表明,風化花崗巖的組構特征是影響和決定其工程特性的關鍵因素,代表性特征包括粒度成分、孔隙特征和礦物成分。從現有情況看,尚未有人對深圳地區風化花崗巖的組成特征和微觀結構進行過類似研究。

本文結合深圳地鐵5號線工程,采用現場觀察和室內實驗方法,對取自隧道暗挖段地層的典型強風化花崗巖試樣的組成及微結構進行了分析,同時對組構特征與風化花崗巖工程特性的關系作了探討,研究成果有助于深入了解深圳地區風化花崗巖的工程特性,從而有利于預測和控制地鐵隧道開挖時引起的地層變形和地表沉降,此外對深圳地區今后地下工程的設計和施工也有重要的參考價值。

2 暗挖段風化巖層構造及取樣

2.1 巖層構造

深圳地鐵5號線西麗—大學城區間下伏基巖為震旦系花崗片麻巖和加里東期混合花崗巖,其中全風化混合花崗巖為褐黃、褐紅、肉紅、黃褐、灰白、灰黑色,呈土狀、砂土狀,厚1.6～11.3 m。強風化混合花崗巖為褐黃、褐紅、肉紅、黃褐、灰白、灰黑色,呈堅硬土狀、砂土狀,局部夾碎塊狀,最大揭示厚度21.2 m。中等風化混合花崗巖呈碎塊～長柱狀,節理裂隙較發育到很發育,最大揭示厚度8.5 m,巖石堅硬程度為較硬巖,巖體完整程度破碎,基本質量等級為Ⅳ級。

2.2 現場取樣

為使試樣具有代表性,風化花崗巖試樣分別取自西麗—大學城區間暗挖段(AW)和天虹廣場附近風道(FD)的風化花崗巖層。前者如圖1所示,為褐紅色全風化中粗粒黑云花崗巖,風化程度很高,巖體中殘留有緩傾原生冷凝面和中等傾斜的剪切節理,試樣開挖較容易,但遇水后軟化,風干后則變成散土狀。后者如圖2所示,為褐黃色細粒強風化花崗巖,風化程度相對較低,呈褐黃色條斑結構,夾有粗大鉀長石斑晶條塊;試樣較硬,不易切削,易沿著陡傾節理面裂開,遇水后軟化。

圖1 褐紅色中粗粒風化花崗巖試樣

圖2 褐黃色細粒風化花崗巖試樣

巖石樣品取出后,進行顏色、結構和礦物成分觀察并記錄,然后對樣品進行裝箱和統一編號命名。

3 測試儀器和分析方法

3.1 組成及粒度分析

根據土工試驗規范,采用篩分法和比重計法分析試樣的顆粒大小和粒徑組成。為保證樣品均勻和有代表性,采用了四分法和蒸餾水浸泡樣品等方法。

采用日本SHIMADZU公司XD-D1型X射線衍射儀和XGT-1000型X射線熒光光譜儀分析試樣的礦物和化學成分,確定各種礦物和元素的含量。試樣制備采用基體清洗法(K值法)和自清洗法(絕熱法)相結合進行。

3.2 微觀結構特征分析

采用日立公司的H-700透射電子顯微鏡分析風化花崗巖試樣的微觀結構。

采用日立公司的S4800型冷場發射掃描電子顯微鏡觀察巖樣的微觀形貌和微觀物質分布,結合特征X射線能譜圖,可以對樣品的整體微結構特征、粒間聯結力方式、礦物成分及形態、風化蝕變產物成分及形態以及分布形式等進行分析。

采用美國康塔公司PoreMaster-GT60全自動孔隙度分析儀(壓汞儀)測量風化巖石樣品的孔隙度,可分別得到同毛管壓力和汞飽和度相對應的孔徑和其所占體積百分比的累積曲線,間接了解樣品的微結構特征。測試中采用的汞表面張力為480 erg/cm2、汞接觸角為140°,膨脹計體積0.5 mL。

采用康塔公司的NOVA4200e比表面及孔隙度分析儀測定風化花崗巖樣品的孔隙度和其中礦物顆粒的比表面積。

由于風化花崗巖微觀結構的復雜性,微結構的研究需要采用多種分析方法并對實驗結果進行綜合分析和對比,才能取得符合客觀實際的結果。

4 測試結果及分析

4.1 顆粒組成與級配

圖3為聯合應用篩析法和密度計法[11]得到的上述2種試樣的代表性粒徑級配曲線。從圖中可見,全風化花崗巖的級配良好,粗顆粒占了絕大多數,而二者的黏粒含量都不超過10%。

圖3 風化花崗巖試樣的粒徑級配曲線

4.2 孔隙組成及分布

對褐紅色和褐黃色兩種風化花崗巖試樣,使用壓汞儀測得的代表性孔徑分布曲線分別如圖4(a)和圖4(b)所示,其不同孔徑大小的分布見表1。

圖4 風化花崗巖孔徑分布曲線

表1 風化花崗巖試樣的孔徑分布

從表1中可以看出,盡管兩種不同顏色風化花崗巖試樣的粒徑分布大致相同(圖3),但二者孔隙大小的分布有較大的差異,這種差異會影響它們的工程性質,現場開挖情況也證實了這一點。

4.3 化學和礦物組成與分布

(1)化學元素組成

風化花崗巖中,片狀顆粒多為已風化為黏土的礦物,而尚未風化的礦物則呈晶體狀。因此,在進行化學成分分析時,主要針對這兩者進行。

褐紅色和褐黃色風化花崗巖試樣的代表性能譜分析分別如圖5(a)和圖5(b)所示,比較兩圖可知,二者差別不大。圖中的元素Au是制作樣品時帶入,非試樣中原來所含有。

綜合其他實驗的分析結果,風化花崗巖試樣含的主要元素包括Al、Si、O和K,另外還有其他少量Mg、Fe等元素。

圖5 風化花崗巖試樣的能譜圖

(2)礦物成分

根據X射線衍射分析結果,花崗巖試樣的主要成分為石英、鉀長石、鈉斜長石、黑云母及風化作用形成的黏土。若以顆粒總面積百分含量為巖石中該礦物的體積百分含量,表2為各種不同礦物成分的百分比。

表2 風化花崗巖試樣的礦物成分%

一般情況下,花崗巖在從弱風化向強風化發展時,石英百分含量增加,黑云母百分含量減少,而斜長石、正長石百分含量則或增或減,但長石的百分含量總量減少,黏土礦物增加。這說明在花崗巖的風化過程中,黑云母是最易于風化的,而長石類次之,石英則很難風化。據此可以判斷,AW系列(褐紅色)花崗巖試樣黏土成分含量較低,而斜長石和鉀長石含量比FD系列(褐黃色)試樣高,反映了AW系列花崗巖礦物成分改造程度低,風化程度比FD系列要低。

4.4 組構特征指標的相關性

測試結果表明,風化花崗巖的組構特征:孔徑分布、顆粒組成和礦物成分3個方面的變化表現出一定對應性。粉黏粒含量小,而角礫和砂粒比例變化較大。大孔隙和中小孔隙基本相等,而微孔隙百分比變化大。石英含量變化范圍小,而長石和黏土礦物變化幅度大。結構中最直接的表現是粒度不同,如褐紅色花崗巖試樣比褐黃色花崗巖試樣的大孔隙多、角礫含量高、石英和黏土礦物多,而長石少。兩種花崗巖試樣中長石和黏土礦物含量變化情況正好相反。據此可以說明,風化花崗巖的組構特征指標在一定程度上能夠反映其內部組成的影響。

4.5 微觀結構特征

由于風化作用在改變花崗巖礦物成分和化學成分的同時,也會改變其微觀結構特征。因此,有必要對風化花崗巖的微觀結構進行觀察。圖6為具有不同風化程度的褐紅色風化花崗巖試樣部分不同放大倍數的掃描電鏡照片。從這些照片中可以看出,花崗巖試樣隨著風化程度的不同具有如下微觀結構特征。

圖6 褐紅色風化花崗巖試樣的掃描電鏡照片

(1)弱風化花崗巖為粒狀堆砌微結構,微裂隙不發育,粒間聯結緊密,受力不易變形;而強風化花崗巖則為粒狀架空微結構,微裂隙很發育,粒間聯結疏松,受力后易變形破壞。因此,強風化花崗巖的力學強度明顯要低于弱風化花崗巖。

(2)弱風化花崗巖造巖礦物的蝕變主要體現在晶體邊緣,而表面則僅在局部有蝕變產物附著,且蝕變產物主要以較低級的風化階段產物如絹云母、綠泥石等為主;而強風化花崗巖造巖礦物的蝕變則不僅體現于晶體的邊緣,而且在晶體表面也普遍可見蝕變產物附著,蝕變產物以較高級的風化階段產物高嶺石、埃洛石為主。

(3)強風化花崗巖中黏土礦物的含量明顯要高于弱風化花崗巖中黏土礦物的含量,這是導致前者力學強度低于后者的一個重要原因。

本文限于篇幅雖然未給出褐黃色風化花崗巖試樣微觀結構的掃描電鏡照片,但其風化作用對微結構的影響是類似的。

5 結論與建議

通過對深圳地鐵5號線暗挖段兩種典型風化花崗巖試樣組構特征的分析,初步得到以下幾點結論。

(1)褐紅色與褐黃色風化花崗巖試樣的粒徑分布大致相同,但二者孔隙大小的分布有較大的差異,導致二者的工程特性會有所不同。

(2)風化花崗巖試樣含的主要元素包括Al、Si、O和K,另外還有其他少量Mg、Fe等元素;主要成分為石英、鉀長石、鈉斜長石、黑云母及風化作用形成的黏土礦物。

(3)風化花崗巖試樣的組構特征孔徑分布、顆粒組成和礦物成分3個方面的變化表現出一定對應性,這說明風化花崗巖的組構特征指標在一定程度上能夠反映其內部組成的影響。

(4)強風化花崗巖與弱風化花崗巖相比在微觀結構特征上發生了明顯的變化,導致強風化花崗巖的力學強度大為降低和強度水穩性變差,這是深圳地區強風化花崗巖強度低,遇水軟化的內部原因。

鑒于深圳地區風化花崗巖組構特征的復雜性,有必要對其與力學性質的關系作進一步的研究。

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Feature Analysis on Rock Fabric of Weathered Granite in Undermining Section of Shenzhen Metro Line 5

LI Tao1,LIU Ji-qiang2,YIN Wen-ping1
(1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2.Nanfang Investment and Development Co.,Ltd.,CRECG,Shenzhen 518055,China)

By means of the specific surface and porosity analyzer,the X-ray diffractometer,the X-ray fluorescence spectrometer,the transmission electron microscope(TEM),and with the screen analysis test and the mercury intrusion porosimetry,the weathered granite samples taken from the undermining section of Shenzhen Metro Line 5 were analyzed in laboratory.Thus the granulometric composition and graduation,pore constitution and distribution,chemical elements,mineral contents,microstructure characteristics of the typical specimens were obtained.Afterwards,the relationship between those features of rock fabric obtained and engineering properties of weathered granite was briefly discussed.The research results can help to understand engineering properties of weathered granite in Shenzhen district as well as to predict and control ground deformations and ground settlements induced by the excavation of metro tunnel.

mineral content;pore radius;microstructure;weathered granite;engineering properties

TU452

A

1004-2954(2013)03-0085-04

2012-07-27;

2012-09-21

國家自然科學基金項目(編號50878019)

李 濤(1960—),男,教授,博士,E-mail:taolit@bjtu. edul.cn。