蔡國軍， 程宇航， 仲 闖， 賈 俊， 趙大安， 馮偉強， 周 揚

(1.成都理工大學， 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室， 成都 610059；2.成都理工大學，地質(zhì)工程國家級實驗教學示范中心， 成都 610059； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局， 西安地質(zhì)調(diào)查中心， 西安 710054)

在地質(zhì)作用過程中，礦物在水巖作用下會發(fā)生物質(zhì)成分的交換，尤其對于某些軟變質(zhì)巖而言，在水作用下其力學性質(zhì)將大幅度下降，內(nèi)部微裂紋擴展極其明顯。近年來，為了對地質(zhì)災害風險作出評價并且找到影響滑坡滑動的控制性因素，眾多學者研究了巖石在不同遇水情況下的力學性質(zhì)的變化規(guī)律。趙建軍等[1]設(shè)計了不同飽水時間下的常規(guī)三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)千枚巖力學特性隨著飽水時間增加逐漸降低至70 d時趨于穩(wěn)定；劉鎮(zhèn)等[2]建立了紅層軟巖的微觀結(jié)構(gòu)模型，分析了紅層軟巖軟化過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化；鄧華鋒等[3]對砂巖進行浸泡-風干循環(huán)水巖作用，發(fā)現(xiàn)水巖作用對損傷巖樣的耦合損傷效應相比完整巖樣更加明顯；賴遠超等[4]通過研究紅層泥巖在干濕循環(huán)作用下的剪切蠕變特性，發(fā)現(xiàn)飽水-濕水循環(huán)次數(shù)會影響剪切蠕變曲線的“臺階”現(xiàn)象；黎康平等[5]以西域礫巖為研究對象，分析了邊坡坡腳軟化對邊坡破壞模式的影響程度；White等[6]以巖石含水量為基礎(chǔ)，探討了水對巖石力學特性的影響；Yu[7]通過對不同圍壓下干燥試樣與飽和試樣的力學參數(shù)進行比較，得出千枚巖是一種水敏性巖石并且受圍壓影響；金俊超等[8]基于H-B準則，通過常規(guī)三軸壓縮試驗提出了一種適用于大量軟硬巖的應變軟化模型；Feng等[9]通過水與巖石的化學作用得出砂巖的剪切摩擦系數(shù)取決于離子濃度和酸堿度；Liu等[10]基于重整化處理分析了軟巖軟化過程微觀結(jié)構(gòu)演化的臨界判據(jù)；Chen 等[11]通過力學試驗發(fā)現(xiàn)層理方向?qū)η稁r的釋能機制和損傷破裂演化機制影響不大，而其儲能和釋能機制則對含水狀態(tài)的變化比較敏感；Chen等[12]對不同層理角度的黑色頁巖進行三軸壓縮試驗，得出了其強度各向異性系數(shù)隨著圍壓的增加而降低；鄭達等[13]利用掃描電子顯微(scanning electron microscope，SEM)觀察千枚巖斷口的微觀形貌特征，揭示了絹云母千枚巖的切晶擦花剪切破裂和硅質(zhì)板狀千枚巖的沿晶斷裂的拉斷破裂形式。巖石的微變形與其宏觀破裂存在緊密聯(lián)系，分析其宏觀破裂必須從微觀破裂[14]開始，這樣才能夠更好地對比其破壞前后狀態(tài)變化，由此結(jié)合工程實際問題對地質(zhì)災害點進行防護與治理。

千枚巖遇水軟化現(xiàn)象在陜南地區(qū)尤為嚴重，這是造成邊坡災變的關(guān)鍵所在。現(xiàn)有研究僅僅是通過單一試驗分析千枚巖的力學性質(zhì)，現(xiàn)以陜西省略陽縣菜籽壩楔形塊體千枚巖為研究對象，分析千枚巖在不同浸水時間下的剪切破壞情況，利用SEM試驗觀察其斷口和裂紋，探討其微觀破裂情況與宏觀力學性質(zhì)的差異，為研究水對陜南軟變質(zhì)巖區(qū)邊坡巖體力學性質(zhì)的影響提供理論支撐。

1 滑坡地質(zhì)條件與礦物分析

所選地質(zhì)原型位于略陽縣城西北側(cè)，馬蹄灣鎮(zhèn)南部，坡體位于縣道“X222”旁，交通方便。該地災隱患點地理坐標為33°26′42.35″N，106°02′32.70″E，高程692 m，威脅下部過往車輛(如圖1所示)。該滑坡由于節(jié)理裂隙發(fā)育及風化作用，坡體破碎，下部堆積大量強風化千枚巖碎塊石；主滑方向60°，向外傾角26°，坡體走向330°。此處常年雨水較多，年均降水量826.2 mm，7—9月降水約占全年降水量的50%以上，因此，在7—9月這段時間內(nèi)高強度降雨量易激發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災害。試驗選取菜籽壩楔形塊體滑體部位的淺表層新鮮千枚巖為研究對象。根據(jù)X射線衍射分析試驗結(jié)果，所取巖樣中云母占13%，綠泥石和石英占主體部分，分別為47%和36%，另外還含4%的斜長石，其礦物成分衍射圖如圖2所示。千枚巖的3.337 5 nm(對應于綠泥石)，7.064 6 nm(對應于石英)，9.966 6 nm(對應于云母)，14.140 1 nm(對應于斜長石)等特征衍射峰非常明顯，峰形尖銳，表明其含量大。

圖1 現(xiàn)場地質(zhì)條件Fig.1 Field geological condition

2 試驗設(shè)計

為研究在不同浸水時間下的千枚巖的剪切破壞特性，將現(xiàn)場取回來的巖樣制成50 mm×50 mm的標準試樣。千枚巖裂縫的擴展不僅與受力條件有關(guān)，還受加載方向，層理位置因素的影響，因此試驗加載均垂直于層面方向，為防止某些試樣內(nèi)部微裂紋較為發(fā)育，試驗前利用聲波儀測試試樣波速，選取波速大小一致的試樣進行試驗。將試樣沒入水中進行浸泡，包括以下狀態(tài)：天然狀態(tài)、飽水1、3、7、14、21 d。每一次浸泡完成后，采用電腦控制全自動雙剪試驗儀器在法向應力1、2、3、4、5 MPa下對試樣進行直接剪切試驗，總共進行6組試驗，每組分為5個試樣，具體試驗方案如圖3所示。

圖2 千枚巖礦物成分衍射圖Fig.2 Diffraction pattern of mineral composition of phyllite

圖3 試驗設(shè)計Fig.3 Test design

3 軟化效應分析

3.1 巖石力學特性及破壞特征分析

根據(jù)試驗設(shè)計方案進行千枚巖在不同浸水時間下的巖石直剪試驗分析，巖樣分別浸水：0、1、3、7、14、21 d，每隔24 h稱重1次，浸水14 d以后巖樣質(zhì)量僅有微小變化，說明此時巖樣已飽和。各個試樣破壞時的峰值應力如表1所示。

在不同法向應力的情況下千枚巖的總體剪切破壞情況類似，但是隨著浸水天數(shù)的增加，其峰值后剪應力存在突然下降[15]的現(xiàn)象。觀察不同浸水時間下的千枚巖力學參數(shù)表：隨著浸水時間的增長，峰值應力逐漸下降；巖樣的內(nèi)摩擦角及黏聚力隨著浸水時間逐漸降低，在浸水14 d以后變化較小，逐漸趨于穩(wěn)定；在同一浸水條件下，隨著法向應力的增大，試樣的峰值剪切應力也逐漸增大；由于巖石結(jié)構(gòu)面的剪切破壞會釋放能量，所以當結(jié)構(gòu)面上的突起被剪斷時，其峰值應力可能會突然下降。在不同法向應力下千枚巖的剪應力-剪切位移曲線變化情況相像，選取典型曲線如圖4所示。

表1 力學參數(shù)表Table 1 Mechanical parameter table

圖4 法向應力4 MPa下剪應力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve under normal stress of 4 MPa

觀察試樣破壞情況，發(fā)現(xiàn)在同樣法向應力下，隨著浸水時間的增長，巖樣被剪壞后會更加松散破碎(圖5)。由巖樣剪切面的破壞情況可見，剪切面上可以觀察到大量巖粉，這種現(xiàn)象在0、1、3、7 d的浸水條件下尤為明顯，這是因為在浸水初期，試樣內(nèi)部較密實，剪切破壞時顆粒間的摩擦力較大，產(chǎn)生較多巖粉；在浸水時間達到14、21 d時，試樣重量變化不明顯，此時已完全飽和，內(nèi)部礦物與水產(chǎn)生物質(zhì)交換，其孔隙擴大的同時礦物顆粒發(fā)生磨圓效應，其剪切破壞主要以礦物顆粒之間的滑動為主，因此剪切面上的巖粉明顯減少。

圖5 4 MPa下直剪試樣破壞情況Fig.5 Failure of direct shear specimen under 4 MPa

3.2 劣化效應分析

為了更好地反映千枚巖在不同浸水條件下的劣化程度，用式(1)分別計算峰值應力、黏聚力和內(nèi)摩擦角在水巖作用下的變化幅度，其中T0為天然狀態(tài)下的巖石力學參數(shù)；Ti為不同浸水時間下的巖石力學參數(shù)。

Si=(T0-Ti)/T0×100%

(1)

千枚巖峰值應力劣化程度隨著浸水時間不同而變化明顯，由表1、圖6可以看出，在1～5 MPa的法向應力下，其劣化程度總體變化規(guī)律相似，都是逐漸增加；在浸水14 d之前法向應力1、2、3、4、5 MPa的剪切應力強度分別下降了24.32%，23.33%，22.55%，18.90%，18.72%；在浸水14 d以后變化則趨近于平穩(wěn)，這與之前稱重得出的試樣已經(jīng)飽和結(jié)果相匹配；在法向應力為1 MPa的情況下出現(xiàn)了異常，這可能是所選試驗樣品本身的問題，后續(xù)有待進一步作出補充試驗來驗證其規(guī)律。

圖6 峰值應力劣化度與浸水時間關(guān)系Fig.6 Relationship between deterioration degree and soaking time of peak stress

在水巖作用過程中，千枚巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化程度明顯，總體下降趨勢類似，并且兩者下降幅度基本持平，如圖7、圖8所示：浸水14 d前黏聚力下降了21.35%，內(nèi)摩擦角下降了12.66%；浸水21 d以后其黏聚力下降了60.67%。內(nèi)摩擦角下降了22.97%；觀察二者劣化曲線可以看出，飽水初期劣化程度較弱，后期劣化程度相比之前較大并且內(nèi)摩擦角劣化曲線趨于平穩(wěn)。這是因為礦物顆粒之間的膠結(jié)程度主要影響其黏聚力大小，由于浸水軟化效應，水進入巖樣內(nèi)部孔隙而造成其膠結(jié)能力下降；相反，膠結(jié)程度不影響巖石內(nèi)摩擦角，其主要取決于礦物顆粒之間的鑲嵌程度以及巖樣自身強度的大小。因而黏聚力的劣化程度大于內(nèi)摩擦角，這與趙建軍等[1]研究結(jié)果一致。

峰值應力的平均總劣化度[2]在21 d時為39.58%，黏聚力及內(nèi)摩擦角的劣化度在21 d時分別為60.67%和22.97%，因此，飽水對千枚巖力學參數(shù)的影響程度主要為：黏聚力>峰值應力>內(nèi)摩擦角。

試驗結(jié)果表明，在浸水條件分別為0、1、3、7、14、21 d的情況下，千枚巖的抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨之呈現(xiàn)不同程度的下降。分別對千枚巖3個力學參數(shù)進行回歸分析，探討三者在不同浸水條件下的定量關(guān)系，具體聯(lián)系如表2所示。

圖7 巖石力學參數(shù)與浸水時間關(guān)系Fig.7 Fitting curve of rock strength parameter and saturated time

圖8 黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化度與浸水時間關(guān)系Fig.8 Relationship between deterioration degree and soaking time of cohesion and angle of internal friction

通過分析表2：在1～5 MPa法向應力條件下，抗剪強度與浸水天數(shù)的回歸方程遵循線性法則，擬合系數(shù)R2分別為0.697 8、0.995 0、0.807 6、0.964 2、0.908 7，除去1 MPa條件下存在異常，其余巖樣相關(guān)性較好，回歸方程有效；黏聚力和內(nèi)摩擦角的回歸方程同樣遵循線性法則，擬合系數(shù)R2分別為0.961 1與0.921 2，均大于0.9，擬合效果較好(如圖9所示為擬合曲線)。以上數(shù)學分析表明千枚巖抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角在水巖作用下的響應均為衰減，而且互相之間存在著極大的關(guān)系。

表2 浸水天數(shù)與力學參數(shù)回歸分析Table 2 Regression analysis of soaking days and relevant parameters

圖9 力學參數(shù)回歸曲線Fig.9 Regression curve of mechanical parameters

圖10 不同浸水條件下的千枚巖SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM photos of phyllite under different soaking conditions

3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

試驗中首先對不同浸水時間條件下的強風化千枚巖進行了直接剪切試驗，繼而利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察剪斷后的千枚巖。圖10展示了天然、浸水7、14、21 d的強風化千枚巖SEM照片(分別放大200倍和500倍)，當放大200倍數(shù)時視野電磁移動范圍為200 μm，放大500倍數(shù)時視野電磁移動范圍為100 μm，觀察照片可以看出：在天然狀態(tài)下，千枚巖呈現(xiàn)其本身的細鱗片狀集合體，分布較為均勻，平坦面有少量的巖粉分布，這是礦物顆粒沿剪切面產(chǎn)生摩擦作用的效果，這與試驗后所觀察到的現(xiàn)象一致；在浸水7 d的條件下，首先可以觀察到其片理面足夠發(fā)育，這種千枚狀構(gòu)造使得其在剪應力的作用下易于發(fā)生剪切破壞，同時發(fā)現(xiàn)其在剪切破壞后出現(xiàn)階梯狀的斷口，但是分布并不廣泛；在浸水14 d的條件下，階梯狀斷口分布較為密集，并且由于剪切滑移的出現(xiàn)，礦物顆粒相互摩擦產(chǎn)生的巖粉匯聚于斷口附近低洼處；在浸水21 d的條件下，可見少許鱗片狀綠泥石及細粒石英不均勻分布，無序穿插于片狀絹云母間，并且相較于之前的浸水條件，發(fā)現(xiàn)微裂紋數(shù)量逐漸增多。

結(jié)合千枚巖的礦物組成及SEM分析，千枚巖中綠泥石充填于石英、云母等粗顆粒之間，起膠結(jié)作用，并且能夠降低裂隙透水性能。根據(jù)SEM照片粒徑測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：浸水7 d時，綠泥石長軸與短軸方向的粒徑均變大，產(chǎn)生不均勻膨脹，千枚巖中原有的微觀結(jié)構(gòu)被破壞，可見明顯的骨架剝落現(xiàn)象，水沿著層理面附近的裂隙進入巖石內(nèi)部，孔隙擴張；浸水14 d后，隨著軟化的繼續(xù)，巖石內(nèi)部裂隙擴大，剝落的顆粒進入大孔隙中，使得孔隙總表面積增大，為水對千枚巖的軟化提供了便利條件；通過SEM照片可見微觀破裂形式包括平坦面花樣的斷口及沿晶面的擦花破裂[13]，千枚巖中石英含量占36%，可見明顯的階梯狀斷口，云母薄片狀結(jié)構(gòu)松散并且孔隙較多，片狀結(jié)構(gòu)在剪切作用下極易產(chǎn)生面-面滑動，從而造成千枚巖抗剪強度降低，巖體結(jié)構(gòu)面也將因此而張開；同時礦物顆粒之間的鑲嵌及膠結(jié)程度變差，千枚巖黏聚力和內(nèi)摩擦角均發(fā)生劣化，從而引起巖體變形，一旦結(jié)構(gòu)面的抗剪強度降至與剪應力相等，巖體便發(fā)生破壞，造成邊坡變形失穩(wěn)。

綜上所述，千枚巖宏觀力學參數(shù)隨水分的變化規(guī)律與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

綜合上述試驗結(jié)果，在不同浸泡時間條件下的千枚巖其抗剪強度以及力學參數(shù)有著明顯的劣化效應，結(jié)合地質(zhì)原型，分析其主要失穩(wěn)原因如下。

(1)巖體往往是由不均勻的礦物顆粒所組成，因此其本身的結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部具有較多的微裂紋和孔隙，并且由于陜南地區(qū)降雨較多，千枚巖經(jīng)過長期的水巖作用，其結(jié)構(gòu)面不是完全平直光滑，水溶液可能會首先腐蝕結(jié)構(gòu)面上的凸起，從而降低結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的咬合程度；由于水巖作用的浸潤，其內(nèi)部微裂紋逐漸擴大，開度增強，因此千枚巖抗剪強度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角都會逐漸降低，從而引起滑坡災變。

(2)略陽縣的降雨量呈明顯的季節(jié)性特征，全年降雨量主要集中于7、8、9月，這3個月的降雨占全年降水量的 56.1%，且多以暴雨和連陰雨為主，最大日降水量161.8 mm，最大小時降水量56.5 mm，最大10 min降水量24.7 mm。在雨水的長期浸潤條件下，巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度逐漸降低，巖層之間和結(jié)構(gòu)面之間的連接陸續(xù)削弱，其自由度及活動度增加，這就加速了巖塊由密實狀態(tài)向碎裂松散狀態(tài)再到完全松散狀態(tài)過程的進度，從而使得其本身的強度等力學性質(zhì)大幅度下降，逐漸劣化，因此巖體浸水軟化效應是誘發(fā)陜南地區(qū)軟變質(zhì)巖滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的重要因素之一。陜南地區(qū)軟變質(zhì)巖在多雨水的氣候條件下極易發(fā)生變形破壞，黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小是其受雨水侵蝕破壞的關(guān)鍵因素，因此研究千枚巖的浸水軟化效應能夠為當?shù)氐牡刭|(zhì)災害防護與治理提供主要的理論支撐。

4 結(jié)論

采用X射線衍射分析、巖石直剪試驗與SEM等測試方法，對略陽縣菜籽壩楔形塊體千枚巖在水巖作用下的力學特性與微觀破裂機理進行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)浸水初期巖石破壞主要由顆粒間相互摩擦導致，此時產(chǎn)生較多巖粉；在浸水中后期，顆粒在水巖作用下產(chǎn)生磨圓效應，巖石破壞以礦物顆粒間的滑動為主，巖粉明顯減少。

(2)在水巖作用下，巖石的峰值應力、黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化程度呈現(xiàn)遞減趨勢，其影響程度依次為黏聚力>峰值應力>內(nèi)摩擦角。

(3)在水巖作用下千枚巖剪切破壞出現(xiàn)的階梯狀斷口愈發(fā)密集。

(4)在水巖作用條件下，巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙度降低，自由度增加，千枚巖的力學特性大幅度劣化，這是誘發(fā)陜南地區(qū)軟變質(zhì)巖滑坡災變的關(guān)鍵因素。