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(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，四川成都610095)

在不同的壓力環(huán)境和溫度的條件下，地殼深處不同成分的熱液流體沿著一定的通道進(jìn)入到巖石(體)體系后，與之發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，使其礦物化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變，形成的新巖石即為蝕變巖[1-2]。蝕變巖與其他巖石有著明顯的區(qū)別，但類似于軟巖。蝕變巖經(jīng)過(guò)水巖作用后，不僅導(dǎo)致巖石微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而且導(dǎo)致化學(xué)元素在巖石(體)與水之間發(fā)生交代作用。水與巖石(體)的相互作用造成巖石(體)的軟化、崩解，導(dǎo)致了非常明顯工程性質(zhì)劣化效應(yīng)。

楊根蘭[3]對(duì)小灣水電站蝕變巖進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)等物理力學(xué)和水理性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)果說(shuō)明研究區(qū)蝕變巖隨著風(fēng)化蝕變程度的增強(qiáng)，其抗壓、抗拉強(qiáng)度逐漸降低。郭健、許模[4]采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)和回彈強(qiáng)度試驗(yàn)研究了熱液蝕變花崗巖相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明綠泥石化蝕變巖石(體)相較未蝕變巖石(體)其強(qiáng)度降幅較大。臧軍昌[5]對(duì)青石嶺水電站熱液蝕變巖帶進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明隨著蝕變程度增強(qiáng)，蝕變巖石(體)孔隙率逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。賈偉杰和孔繁輝[6]對(duì)研究區(qū)蝕變巖進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，認(rèn)為其抗壓強(qiáng)度較低。于新華[7]等對(duì)蝕變巖塊在不同風(fēng)化程度下進(jìn)行了有關(guān)力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明蝕變巖塊的抗剪強(qiáng)度、變形模量和飽和單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微風(fēng)化和弱風(fēng)化巖，其相關(guān)力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)風(fēng)化巖程度相當(dāng)。楊燕和付小敏[8]對(duì)蝕變巖進(jìn)行了直剪試驗(yàn)等物理水理性質(zhì)試驗(yàn)，研究結(jié)果表明巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均與孔隙度、含水率有著一定關(guān)系。張衛(wèi)中[9]對(duì)不同風(fēng)化程度的砂巖進(jìn)行了單軸、三軸強(qiáng)度試驗(yàn)，認(rèn)為砂巖的力學(xué)強(qiáng)度隨著風(fēng)化程度的增加而逐漸降低。

前人研究?jī)?nèi)容主要是針對(duì)蝕變巖的力學(xué)強(qiáng)度特性的研究，對(duì)于蝕變巖遇水的軟化效應(yīng)，尤其是三向應(yīng)力狀態(tài)下蝕變巖遇水后力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的研究較少。本文通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)蝕變巖的水巖軟化作用進(jìn)行分析研究，對(duì)比分析天然試樣和飽水試樣在不同圍壓等級(jí)下的強(qiáng)度軟化效應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)巖樣制備

試驗(yàn)所需蝕變巖采用西南某水電站右岸壩肩發(fā)生絹云母化蝕變和高嶺土化蝕變的糜棱化英安巖。在出露地表或近地表，受地表水和地下水的強(qiáng)烈影響，形成大量黏土類礦物，呈灰白色或淺黃色，局部呈褐黃色，強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)松散，遇水易膨脹并發(fā)生崩解，手捏易碎,見圖1、2。對(duì)遇水不崩解的巖樣采用鉆機(jī)制備成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，篩選出無(wú)明顯裂痕和層理的巖樣，并通過(guò)聲波儀選取具有代表性的巖樣作為試驗(yàn)巖樣。

從研究區(qū)天然狀態(tài)下糜棱巖化英安巖的掃描電鏡試驗(yàn)得到的1 000倍掃描圖片可以看出其結(jié)構(gòu)為斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。石英斑晶主要呈眼球狀結(jié)構(gòu)，渾圓形狀，大小約為0.75 mm,定向分布；斜長(zhǎng)石斑晶主要為半自形板狀晶體結(jié)構(gòu)，大小約為0.8 mm，大多發(fā)生了顯著的高嶺土化蝕變。絹云母都圍繞著斑晶分布，巖石發(fā)生了明顯的定向變形，裂隙及孔洞比較發(fā)育，為蝕變巖吸水軟化提供了有力條件，糜棱巖化英安巖發(fā)生強(qiáng)烈絹云母化蝕變，斑晶僅可見碎斑石英，見圖3。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文利用美國(guó)產(chǎn)MTS 815程控伺服剛性試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)(圖4)，采用軸向位移控制，加載速率為0.1 mm/min,直至試樣破壞。根據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力條件和取樣點(diǎn)的位置設(shè)置圍壓級(jí)別分別為2、4、6、8 MPa。將野外取回的試樣密封保存，保持了原狀試樣的含水率。在原狀和飽水兩種狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行飽水試驗(yàn)時(shí)，先將原狀試樣放入抽真空飽和裝置內(nèi)抽氣，使整個(gè)飽水裝置處于完全真空的狀態(tài)，再向飽和缸內(nèi)緩慢注水并靜置24 h，使巖樣吸水飽和充分。在標(biāo)準(zhǔn)試樣外部套上熱縮管，以避免油液影響試驗(yàn)結(jié)果。利用三軸壓縮試驗(yàn)獲得了巖樣在原狀狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的應(yīng)力～應(yīng)變曲線，分析試樣遇水的軟化規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線分析

本次常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)共進(jìn)行了15組，其中天然狀態(tài)5組，飽和狀態(tài)10組。挑選其中典型的應(yīng)力～應(yīng)變曲線進(jìn)行分析。蝕變巖試樣的三軸應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線可被概化為典型的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，見圖5、6。該曲線分為5個(gè)階段，見圖7。

a) 壓密階段(OA段)：OA段表示蝕變巖在開始?jí)嚎s到體積壓密完成時(shí)的狀態(tài)。壓縮開始后，隨著軸向壓力的增長(zhǎng)，蝕變巖試樣的內(nèi)部原生的孔隙、裂隙和次生裂隙被壓密，逐漸閉合。在此階段中，蝕變巖力學(xué)特性的主要影響因素是試樣內(nèi)部的裂隙，相對(duì)的軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，為體積壓密階段。

b) 彈性階段(AB段)：經(jīng)過(guò)體積壓密階段后，巖樣的應(yīng)力～應(yīng)變曲線基本上呈現(xiàn)為線性增長(zhǎng)，巖樣結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化。此階段蝕變巖的變形可被看作線彈性變形，其本構(gòu)關(guān)系可用彈性體的虎克定律描述，稱為線彈性變形階段。

c) 屈服階段(BC段)：蝕變巖樣在經(jīng)歷壓密和線彈性變形階段后，其內(nèi)部的次生裂隙逐漸積累發(fā)生質(zhì)變，使得更多次生裂隙開始大量的產(chǎn)生和擴(kuò)張。在該變形階段中，蝕變巖內(nèi)部的裂隙逐漸擴(kuò)展并伴隨著大量的能量釋放，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，稱之為塑性變形階段。

d) 應(yīng)變軟化階段(CD段)：巖樣經(jīng)過(guò)短暫的塑性變形階段后很快達(dá)到峰值,峰值過(guò)后隨著應(yīng)變的持續(xù)增加,應(yīng)力水平降低。此階段蝕變巖內(nèi)部的微裂隙逐漸貫通，為應(yīng)變軟化階段。

e) 塑性流動(dòng)階段(DE段)：蝕變巖樣發(fā)生應(yīng)變軟化后，巖樣開始破壞，此階段應(yīng)力開始迅速下降，應(yīng)變?nèi)栽诶^續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)蝕變巖樣塑性變形開始迅速增長(zhǎng)，而軸向應(yīng)力值不再變化，則蝕變巖樣完全破壞，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的破碎，此時(shí)的強(qiáng)度值為殘余強(qiáng)度。此階段應(yīng)變快速增加而應(yīng)力迅速下降直至保持不變，被稱為塑性流動(dòng)階段。

2.2 蝕變巖樣遇水軟化現(xiàn)象分析

根據(jù)天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)的蝕變巖三軸應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線可以看出蝕變巖樣在經(jīng)過(guò)飽水后相較于天然狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度有顯著的降低。

a) 從水物理角度分析：與英安巖等未蝕變巖不同，蝕變巖由于蝕變作用導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生大量不均勻的孔隙且相互貫通，水分子通過(guò)這些孔隙所形成的通道逐漸滲透到蝕變巖內(nèi)部，削弱其內(nèi)部礦物顆粒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，微裂隙和無(wú)膠結(jié)空洞進(jìn)一步發(fā)育，從而導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

b) 從水化學(xué)角度分析：蝕變巖樣內(nèi)部的礦物成分、膠結(jié)物等由于水解反應(yīng)而溶解，使巖樣的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變了蝕變巖的性狀。在蝕變作用下，巖樣內(nèi)的礦物成分發(fā)生變化，新產(chǎn)生的礦物對(duì)水愈加敏感，在經(jīng)水化學(xué)作用后損傷更加明顯[10]。

作者將試驗(yàn)得到的飽水狀態(tài)下蝕變巖試樣峰值應(yīng)力與天然狀態(tài)下峰值應(yīng)力在相同圍壓下的比值作為軟化系數(shù)，研究不同圍壓下蝕變巖樣的軟化程度，軟化系數(shù)越小表示蝕變巖樣的遇水軟化程度越高，軟化系數(shù)結(jié)果見表1。不同圍壓對(duì)應(yīng)的蝕變巖強(qiáng)度軟化系數(shù)為：0.268、0.312、0.345和0.373。蝕變巖的軟化系數(shù)隨著圍壓的增大逐漸增加，與圍壓程線性關(guān)系：y=0.0174x+0.2375，相關(guān)系數(shù)為R2=0.9839，即蝕變巖的軟化程度隨著圍壓的增加表現(xiàn)出一定程度的下降，見圖8。分析其原因是因?yàn)閲鷫旱脑鲩L(zhǎng)對(duì)蝕變巖的強(qiáng)度有一定的提升，在一定程度上間接抵消了由于水分子進(jìn)入蝕變巖內(nèi)部造成的不利影響。

表1 不同圍壓和狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度及軟化系數(shù)

3 結(jié)論

本文采用MTS 815程控伺服剛性試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)蝕變巖樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，根據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力條件和取樣點(diǎn)的位置設(shè)置圍壓級(jí)別分別為2、4、6、8 MPa。對(duì)飽水狀態(tài)和天然狀態(tài)的巖樣分別進(jìn)行試驗(yàn)后，得到以下結(jié)論。

a) 通過(guò)試驗(yàn)獲得多組數(shù)據(jù)，將該蝕變巖樣的三軸壓縮應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線劃分成5個(gè)階段。

b) 試驗(yàn)表明蝕變巖遇水軟化現(xiàn)象顯著，水在蝕變巖內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力集中和改變蝕變巖內(nèi)的礦物組成是其強(qiáng)度減弱的內(nèi)在因素。

c) 分析了蝕變巖軟化系數(shù)隨著圍壓變化的關(guān)系，得出了軟化系數(shù)隨圍壓的增大而增加，且呈線性關(guān)系。