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，成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，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)玄武巖的化學特征、巖體結構及工程特性進行了研究。程庭鳳，王文遠等[7-8]總結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特性。呂勁松，龔婷婷[9-10]從巖相、構造背景、化學特征等方面對香格里拉市九龍地區(qū)玄武巖進行研究。虎跳峽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)歷了復雜的地質(zhì)作用，巖石的礦物、結構發(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)的玄武巖地球化學特征及蝕變程度進行了研究，但巖體的工程特性未曾涉獵。筆者在此基礎上，依托麗江至香格里拉鐵路的工程建設，對玄武巖的礦物及化學特征、物理力學特性進行系統(tǒng)研究，分析巖體特性對工程建設的影響，提出相應的整治措施。

1 巖相及巖石學特征

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)后期的蝕變及構造作用，發(fā)生了較強的變形變質(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[13-14]中礦物蝕變的劃分標準，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造，組成礦物均一致定向排列形成片理狀構造。

圖3 巖石微觀特征

成巖機制分析：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]。玄武巖冷卻固結成巖后，形成了大量的收縮裂隙及氣孔構造，后期的熱液進入裂隙和氣孔中。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晶形成綠泥石。區(qū)內(nèi)巖層經(jīng)歷多次強烈的構造運動，特別是進入晚第三紀以來，青藏高原強烈隆起，高原物質(zhì)向東南側向擠出，新構造變形十分強烈[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)理等原生構造已消失殆盡，礦物中含有的綠簾石便是構造蝕變下的產(chǎn)物。

2 礦物及化學分析

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。基質(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，而形成變余斑狀結構的變余交織結構。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 化學特征

玄武巖的地球化學特征如表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)歷了較強的構造應力[11]。燒失量偏高，一般2.41%～5.01%，最高達15.29%，也進一步表明了區(qū)內(nèi)玄武巖遭受了不同程度蝕變[12]。

表2 巖石主要化學元素分析結果[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)橹鳎植繛闂l帶蝕變，由于這些礦物本身性質(zhì)較差，導致結構面抗剪強度降低，進而影響巖體的強度。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，常在結構面層間富集，在后期的構造變形中易產(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 物理力學特性

3.1 物理特性

巖石的物理特性指標如表3所示，在構造擠壓作用下重結晶，巖石結構更為致密，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

3.2 強度特性

由于巖體的不連續(xù)性和不均勻性，使得室內(nèi)與現(xiàn)場試驗結果存在一定差異。為深入認識綠泥石化片理狀玄武巖的工程力學性質(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)計結果看，巖石的強度離散性較大，最大值與最小值相差約50%。主要是由于巖石結構的不均勻所致，變質(zhì)較淺以粒狀結構為主的巖樣強度較高，而變質(zhì)較深以片狀結構為主的巖樣強度較低，如圖4所示。為分析片理的影響，巖石單軸抗壓強度試驗和抗拉強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種情況進行，試驗成果見表4。對于抗壓強度而言，平行片理的干強度和濕強度都是最大，分別為80.1，45.6 MPa，垂直片理的干強度最小，為72.3 MPa，斜交片理的濕強度最小，為41.3 MPa。巖石的軟化系數(shù)較低，一般0.56～0.58。對于抗拉強度而言，垂直片理的干強度和濕強度最大，分別為6.15，3.98 MPa，平行片理的干強度和濕強度最小，分別為4.65，2.48 MPa，軟化系數(shù)同樣較低，一般0.53～0.64。總體而言，無論是抗壓強度還是抗拉強度，各方向強度相差不大，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 抗剪強度

室內(nèi)試驗所取的巖樣一般屬于弱風化至微風化，發(fā)育少量的微小隨機裂隙，片理處于閉合狀態(tài)，得到的抗剪強度普遍較高。平行片理抗剪強度與垂直片理的抗剪強度相比，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，片理對其抗剪強度的影響較小。

在平硐內(nèi)采用50 cm×50 cm×50 cm的試塊進行直剪試驗，與室內(nèi)試驗相比，抗剪強度有了大幅的降低，見表5。這主要有兩個方面的原因，一是尺寸效應，原位試塊的體積遠大于室內(nèi)巖塊，隨著巖體內(nèi)裂隙面積或長度的增大，抗剪強度逐漸降低。二是原位試塊片理構造發(fā)育，巖石礦物綠泥石化(薄片鑒定綠泥石含量為50%)，導致抗剪強度偏低。此外，原位試塊受片理構造及綠泥石化影響，峰值強度與殘余強度相差不大，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)，巖體受構造、風化、卸荷作用，片理剝開，呈片狀或板狀，貫通性較好，結構面之間局部有巖粉、泥膜充填，巖面變得光滑，手摸具有滑感，如圖5所示。現(xiàn)場選擇代表性片理面進行剪切試驗，抗剪強度極低，c值為130 kPa，φ值為17.2°，與巖體的強度相比，c值降低了95%，φ值降低了56%，因此，構造帶、風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)場試驗點結構面

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構面的影響，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)風化現(xiàn)象，依據(jù)文獻[21]的標準判定，屬于易風化巖石，不宜作為建筑石料及道砟。巖體在開挖過程中極易因風化及水的浸潤作用，導致工程力學性狀惡化。因此，基礎開挖完成后，應及時澆筑墊層混凝土或噴射混凝土進行封閉，如不能及時封閉，基底應預留0.5～1.0 m厚的保護層。

(2)在斷層破碎帶及其影響帶內(nèi)，玄武巖由于構造擠壓作用，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)域構造應力影響，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“短進尺、弱爆破、快閉環(huán)、長錨桿”等措施。

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

5 結論

(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、結構發(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，巖石呈鱗片變晶結構，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，抗風化能力弱等特點。新鮮巖塊受片理影響較小，強度及變形模量較高，各向異性不明顯。但巖體的變形破壞主要受片理面控制，強度及變形模量較低。

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