不同種類片巖耐崩解特性試驗研究*

蘆涌峰，侯克鵬，孫華芬，孫 偉，蔣 軍

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室，云南 昆明 650093)

0 引言

片巖廣泛分布于曼家寨礦區(qū)東幫邊坡，其物理力學(xué)性質(zhì)決定該邊坡在開挖過程中的安全和地質(zhì)災(zāi)害防治措施的實施。受風(fēng)化作用、巖石自身性質(zhì)及地質(zhì)環(huán)境等因素影響，露天礦邊坡表層片巖因溫度變化和雨水入滲，易發(fā)生風(fēng)化崩解，導(dǎo)致邊坡表層局部區(qū)域巖體強度降低[1-4],局部臺階邊坡出現(xiàn)淺層垮塌，因此，片巖的崩解特性對東幫邊坡穩(wěn)定性及安全生產(chǎn)尤為關(guān)鍵。巖石的耐崩解特性研究一直受到國內(nèi)眾多學(xué)者的關(guān)注，主要集中在以下3方面：

1)在宏觀及微觀崩解機制方面，一些學(xué)者通過開展巖石崩解試驗分別從水理性質(zhì)、崩解殘留物質(zhì)量等宏觀條件下描述崩解過程中的變化規(guī)律[5]。同時采用CT掃描等技術(shù)手段研究軟巖的物質(zhì)組成成分和裂隙發(fā)育程度來解釋崩解內(nèi)在因素。劉小紅等[6]，柴肇云等[7]，曹運江等[8]分析巖石耐崩解性差異產(chǎn)生機理，并得出巖石崩解與孔隙結(jié)構(gòu)和內(nèi)部成分含量相關(guān)的結(jié)論。

2)在軟巖崩解顆粒方面，許多學(xué)者引入分形理論分析軟巖崩解過程中的顆粒粒度變化，計算出分形維數(shù)來描述軟巖崩解過程，提出多種基于質(zhì)量的分形分布模型，并指出巖石崩解是其內(nèi)部微裂隙不斷萌生、發(fā)育、擴展、貫通及破碎成小塊度的結(jié)果[9-10]。

3)圍繞巖石所處環(huán)境特征，眾多學(xué)者從氣溫變化和溶液環(huán)境開展研究。鄧濤等[11]分別對同一風(fēng)化程度的泥質(zhì)頁巖進(jìn)行不同pH溶液中的靜態(tài)崩解試驗和耐崩解試驗,得到pH值變化對泥質(zhì)頁巖崩解的影響規(guī)律。張先偉等[12]針對某地玄武巖殘積土,考慮當(dāng)?shù)馗邷丶暗蜏氐臍夂蛴绊?設(shè)計室內(nèi)崩解試驗,建立反映氣候影響的干濕循環(huán)過程與崩解率、崩解速率的相互關(guān)系。

以上針對砂巖、泥巖崩解的研究集中在宏觀和微觀機制方面，但很少有學(xué)者對片巖開展崩解特性的研究，且在實際工程中，同一邊坡不同區(qū)域的片巖的物質(zhì)組成成分存在差異，因此對不同種類片巖的耐崩解特性進(jìn)行研究顯得尤為重要。本文通過對曼家寨東幫邊坡3種片巖的耐崩解性試驗，結(jié)合薄片鑒定分析結(jié)果，研究3種片巖崩解物形態(tài)特征和耐崩解性指數(shù)的變化規(guī)律，同時探討3種片巖崩解差異性產(chǎn)生的機理和崩解模式。室內(nèi)耐崩解試驗可以較好模擬邊坡受風(fēng)化作用影響所造成的巖石軟化、崩解等劣化過程，研究結(jié)果對曼家寨東幫片巖邊坡安全生產(chǎn)具有一定的參考價值。

1 片巖耐崩解試驗

1.1 研究對象概況

以曼家寨東幫邊坡片巖為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及地質(zhì)勘查資料，該邊坡不同區(qū)域的片巖特性有所差異，巖性主要為石英云母片巖、云母石英片巖及綠泥石化片巖，呈強風(fēng)化狀，碎裂結(jié)構(gòu)，工程特性差，3種片巖在邊坡坡面的分布區(qū)域如圖1所示。邊坡在開挖和卸荷作用下，巖體易出現(xiàn)崩解碎裂現(xiàn)象[13]，為研究曼家寨東幫邊坡片巖的崩解特性，在邊坡上采集3種片巖試樣開展耐崩解性試驗，取樣點位置如圖1所示。片巖為典型片理巖石，以其特有的片理構(gòu)造區(qū)別于層理或?qū)訝顜r石，造成其破壞機制區(qū)別于常規(guī)意義上的層理或?qū)訝顜r石[14]。本文選取3種不同表觀特征的片巖，通過薄片鑒定分析結(jié)果可得不同片巖內(nèi)部物質(zhì)成分和巖石結(jié)構(gòu)特征，分別如表1和表2所示。

表1 3種片巖主要礦物成分Table 1 Main mineral components of three kinds of schist

表2 3種片巖結(jié)構(gòu)特征Table 2 Structural characteristics of three kinds of schist

1.2 試驗過程

巖石的耐崩解性是指巖石抵抗軟化和崩解的能力，根據(jù)DL/T 5368—2007《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》(以下簡稱《試驗規(guī)程》)，并結(jié)合東幫邊坡巖性分布特征，試驗過程如下：將試樣置于烘干箱中(溫度設(shè)定為110 ℃)烘干12 h后取出并冷卻至室溫稱量，記錄試樣重量，然后置于水槽中靜置12 h使其充分飽水；將飽水后的試樣放入耐崩解儀中開始試驗。試驗結(jié)束后將試樣取出置于烘干箱中烘干12 h后稱量，即完成1次“干12 h-濕12 h-干12 h”的崩解循環(huán)。

1.3 試驗計算方法

《試驗規(guī)程》中定義巖石的耐崩解性指數(shù)為試件在經(jīng)歷干燥和浸潤2個循環(huán)后，試件殘留質(zhì)量與原質(zhì)量的百分比[15]。露天礦邊坡在自然環(huán)境中，降雨與日曬對應(yīng)于浸潤和干燥2個狀態(tài)，但是礦山邊坡巖石不僅僅只經(jīng)歷2個周期的降雨與日曬，所以在試驗中用2組循環(huán)后的數(shù)據(jù)指標(biāo)來確定巖石耐崩解指數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[16]。基于上述考慮，將耐崩解循環(huán)次數(shù)增加為N次，按式(1)計算巖石耐崩解性指數(shù)：

(1)

式中：IdN表示巖石(N次循環(huán))的耐崩解性指數(shù),%；md表示原試樣烘干質(zhì)量，g；mN表示第N次循環(huán)后殘留試樣烘干質(zhì)量，g。

本試驗將巖石試樣經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)計為6次。

2 試驗結(jié)果

2.1 崩解循環(huán)對不同種類片巖形態(tài)變化影響

2.1.1 石英云母片巖

石英云母片巖，在經(jīng)過1，3，6個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的過程中，巖塊主體剝離崩解，其崩解物呈塊狀、片狀和顆粒狀。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣棱角逐漸磨圓，崩解物的粒徑總體上呈減小趨勢。圖2為石英云母片巖初始形態(tài)及經(jīng)歷不同次數(shù)循環(huán)后巖樣殘留塊體形態(tài)。

圖2 石英云母片巖初始形態(tài)及殘留塊體形態(tài)變化Fig.2 Initial morphology and morphological change of residual blocks of quartz mica schist

2.1.2 云母石英片巖

云母石英片巖，在經(jīng)過1，3，6個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的過程中，巖塊主體表面有多條裂紋產(chǎn)生。到循環(huán)后期巖塊主體沿著原先的裂隙開裂剝離崩落，崩落物為片狀。圖3為云母石英片巖初始形態(tài)及經(jīng)歷不同次數(shù)循環(huán)后巖樣殘留塊體形態(tài)。

圖3 云母石英片巖初始形態(tài)及殘留塊體形態(tài)變化Fig.3 Initial morphology and morphological change of residual blocks of mica quartz schist

2.1.3 綠泥石化片巖

綠泥石化片巖，在經(jīng)過1，3，6個標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的過程中，巖塊主體表面無裂紋。巖塊主體崩落剝離5個小碎塊，粒徑約1～6 mm，巖塊棱角磨圓，巖塊主體表面無裂紋。圖4為綠泥石化片巖初始形態(tài)及經(jīng)歷不同次數(shù)循環(huán)后巖樣殘留塊體形態(tài)。

圖4 綠泥石化片巖初始形態(tài)及殘留塊體形態(tài)變化Fig.4 Initial morphology and morphological change of residual blocks of chlorite schist

2.2 循環(huán)次數(shù)對耐崩解性指數(shù)影響

巖石耐崩解性試驗結(jié)果如表3所示，3種片巖耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示。

表3 巖石耐崩性試驗結(jié)果Table 3 Test results of rock disintegration resistance

圖5 3種片巖耐崩解性指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between disintegration resistance index and number of cycles of three kinds of schist

依據(jù)圖5可知，Id和N之間呈線性關(guān)系，且相關(guān)性比較高，關(guān)系表達(dá)式為Id=aN+b(式中a和b為系數(shù))，從圖中可知在相同干濕循環(huán)次數(shù)作用下，綠泥石化片巖的耐崩解指數(shù)最高，云母石英片巖耐崩解指數(shù)居于中間，石英云母片巖耐崩解指數(shù)最低。結(jié)合上文所述3種片巖的物質(zhì)組成成分比例存在差異性，這表明片巖的耐崩解指數(shù)受其礦物組成成分的影響，因此在探討同一邊坡3種片巖的崩解機理時，需結(jié)合其礦物成分特征分析。

3 崩解殘留物形態(tài)特征及崩解模式

對圖2～4中片巖崩解殘留物進(jìn)行形態(tài)分析，結(jié)合崩解物形態(tài)劃分[17]，根據(jù)片巖崩解物自身的特征，將其形態(tài)劃分為3種形式：第1種為巖石在初次循環(huán)中表層巖石剝離破壞，崩解物為薄片顆粒狀，粒徑1～6 mm；第2種為順片理面破壞時，崩解物呈片狀物,厚度5～20 mm，長度20～50 mm；第3種為在片狀崩解物基礎(chǔ)上的次生劈裂破壞，呈塊狀，粒徑約10～20 mm。

依據(jù)上述崩解物形態(tài)種類，片巖的崩解模式有：表層剝落、順節(jié)理面劈裂、次生劈裂。根據(jù)崩解模式可知，3種片巖的崩解模式示意圖分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 石英云母片巖崩解模式示意Fig.6 Schematic of disintegration mode of quartz mica schist

圖7 云母石英片巖崩解模式示意Fig.7 Schematic of disintegration mode of mica quartz schist

圖8 綠泥石化片巖崩解模式示意Fig.8 Schematic of disintegration mode of chlorite schist

通過3種片巖崩解模式示意圖可知，石英云母片巖的崩解模式有表層剝落、順節(jié)理面劈裂和次生劈裂3種模式，云母石英片巖的崩解模式有表層剝落和順節(jié)理面劈裂2種模式，綠泥石化片巖的崩解模式為表層剝落模式。

巖石的破壞過程實質(zhì)上是微裂隙的擴展過程，根據(jù)斷裂能量消耗原理，裂隙的擴展路徑總沿著弱面[18]，因此片巖在崩解過程中的巖崩解破壞沿著片理弱面方向發(fā)展。片巖內(nèi)部的片狀白云母與石英晶體之間的接觸界面，即孔隙大小為片巖的崩解提供通道，同時孔隙大小決定著3種片巖的崩解能力。

4 片巖耐崩解性差異產(chǎn)生機理分析

巖石內(nèi)部孔隙度這一微觀結(jié)構(gòu)的損傷是引起片巖崩解的內(nèi)在因素，本文結(jié)合孔隙損傷理論從微觀角度對3種片巖崩解差異性產(chǎn)生機理進(jìn)行分析。在微觀上片巖由石英等堅硬部分、云母等軟弱部分和孔隙缺陷3部分構(gòu)成[19]，因此可將片巖微觀結(jié)構(gòu)概化成以下模型，如圖9所示。

將表1中不同種類片巖的白云母與石英比值繪制成關(guān)系曲線，如圖10所示，通過曲線圖可知石英云母片巖中云母的成分含量最高，綠泥石化片巖中云母的含量最低，又因片巖的孔隙率與云母礦物含量及生長規(guī)模呈正比關(guān)系[20]，即石英云母片巖的孔隙率>云母石英片巖的孔隙率>綠泥石化片巖的孔隙率。

圖10 不同種類片巖云母及石英含量比值曲線Fig.10 Curves of ratios between mica content and quartz content of different kinds of schist

結(jié)合上述概化模型及3種片巖孔隙率大小關(guān)系，同一邊坡3種片巖的微觀結(jié)構(gòu)概化模型如圖11所示。

圖11 3種片巖微觀結(jié)構(gòu)概化模型Fig.11 Generalized models of microstructures of three kinds of schist

根據(jù)3種片巖微觀結(jié)構(gòu)概化模型，同時結(jié)合圖10中3種片巖云母石英比值，得到3種片巖孔隙空間體積關(guān)系如式(2)：

V1>V2>V3

(2)

式中：V1為石英云母片巖孔隙空間體積；V2為云母石英片巖孔隙空間體積；V3為綠泥石化片巖孔隙空間體積。又因巖樣中的孔隙度n為式(3)：

(3)

式中：V孔為孔隙空間體積；V巖為巖樣體積。

當(dāng)所取巖樣體積相同時，根據(jù)上述式(2)和式(3)可知：

n1>n2>n3

(4)

式中：n1為石英云母片巖的孔隙度；n2為云母石英片巖的孔隙度；n3為綠泥石化片巖的孔隙度。又因孟祥喜通過研究以孔隙度構(gòu)建的損傷本構(gòu)關(guān)系為式(5)[21]：

(5)

式中：n為巖石不同時刻的孔隙度；Dn為以孔隙度n為損傷變量的損傷因子。

結(jié)合式(4)和式(5)可知3種片巖以孔隙度為損傷變量的損傷因子相互間的關(guān)系，見式(6)：

D1>D2>D3

(6)

式中：D1為石英云母片巖的損傷因子；D2為云母石英片巖的損傷因子；D3為綠泥石化片巖的損傷因子。

從式(6)中可知，石英云母片巖的損傷因子最大，云母石英片巖的損傷因子次之，綠泥石化片巖的損傷因子最低。

通過上述孔隙損傷分析可知，孔隙度高的巖石其損傷因子越大，其力學(xué)性能越差，抵抗崩解的能力越弱，因此同一邊坡3種片巖呈現(xiàn)出一定的崩解差異性。由于石英與云母的含量影響著該種片巖初始孔隙度的大小，能夠進(jìn)一步?jīng)Q定巖石損傷因子的大小，可得出巖石孔隙這一微觀損傷是決定巖石崩解能力的內(nèi)在因素。

5 結(jié)論

1)在進(jìn)行片巖耐崩解試驗中，對片巖進(jìn)行的干濕循環(huán)次數(shù)會對其崩解能力產(chǎn)生影響，結(jié)果表明：片巖的耐崩解性指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)N的增加而降低,在相同循環(huán)次數(shù)下，同一邊坡不同種類片巖的耐崩解性指數(shù)有以下關(guān)系：綠泥石化片巖>云母石英片巖>石英云母片巖。

2)室內(nèi)耐崩解試驗可以較好模擬邊坡受風(fēng)化作用影響所造成的軟化、崩解等劣化過程，試驗結(jié)果對曼家寨東幫片巖邊坡安全生產(chǎn)有一定的參考價值。

3)通過片巖崩解物形態(tài)種類分析，片巖的崩解模式有：表層剝落，順節(jié)理面劈裂，次生劈裂。

4)通過孔隙損傷分析可知，孔隙度高的巖石其損傷因子越大，其力學(xué)性能越差，抵抗崩解的能力越弱，巖石孔隙這一微觀損傷是決定巖石崩解能力的內(nèi)在因素，從而同一邊坡3種片巖呈現(xiàn)出一定的崩解差異性。