深圳地铁5号线暗挖段风化花岗岩的组构特征分析

李 涛,刘继强,尹文平

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2.中铁南方投资发展有限公司,广东深圳 518055)

深圳地铁5号线暗挖段风化花岗岩的组构特征分析

李 涛1,刘继强2,尹文平1

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;2.中铁南方投资发展有限公司,广东深圳 518055)

室内采用颗粒分析试验、压汞试验、比表面及孔隙度分析仪、X射线衍射和荧光光谱仪、透射和扫描电子显微镜等多种仪器和方法对取自深圳地铁5号线暗挖段地层的典型风化花岗岩试样进行分析,获得试样的颗粒组成与级配、孔隙组成及分布、化学元素及矿物组成、微观结构特征等信息,同时对这些组构特征与风化花岗岩工程特性的关系作了简要探讨。研究成果有助于深入了解深圳地区风化花岗岩的工程特性及预测和控制地铁隧道开挖时引起的地层变形和地表沉降。

矿物成分;孔径;微观结构;风化花岗岩;工程性质

1 概述

深圳全区面积约50%的地区分布着燕山期侵入的花岗岩,在物理、化学及生物等风化营力长期作用下,加上华南地区湿热和多雨的气候使花岗岩体产生不同程度的风化,其性质介于岩石和土之间,尤其是遇水软化,强度水稳性很差。深圳地铁5号线暗挖区间隧道多穿过全、强风化花岗岩地层,由于风化花岗岩组成复杂和风化程度不同,再加上地下水的作用,造成隧道开挖时掌子面非常容易坍塌和地层变形过大且难于预测和控制。

岩石风化后一般都保留着母岩原有的内部结构,风化岩石的应力应变特性,除与所施加的应力水平有关外,还与自身的组成和内部微观结构有关。由于风化花岗岩的组构(组成和微观结构)特征是影响和决定其工程性质的关键因素,因此要了解深圳地区风化花岗岩的变形与强度特征,必须对其组构特征进行研究。

根据文献调研,国内(包括香港)学者已对华南,尤其是与深圳比邻的香港地区的风化花岗岩组构特征及其与工程特性的关系开展了不少研究,主要工作围绕风化花岗岩的矿物与化学组成[1-2]、微观结构特征[3-5]、组构特性与物理和力学特性的关系[6-10]等方面进行。研究成果表明,风化花岗岩的组构特征是影响和决定其工程特性的关键因素,代表性特征包括粒度成分、孔隙特征和矿物成分。从现有情况看,尚未有人对深圳地区风化花岗岩的组成特征和微观结构进行过类似研究。

本文结合深圳地铁5号线工程,采用现场观察和室内实验方法,对取自隧道暗挖段地层的典型强风化花岗岩试样的组成及微结构进行了分析,同时对组构特征与风化花岗岩工程特性的关系作了探讨,研究成果有助于深入了解深圳地区风化花岗岩的工程特性,从而有利于预测和控制地铁隧道开挖时引起的地层变形和地表沉降,此外对深圳地区今后地下工程的设计和施工也有重要的参考价值。

2 暗挖段风化岩层构造及取样

2.1 岩层构造

深圳地铁5号线西丽—大学城区间下伏基岩为震旦系花岗片麻岩和加里东期混合花岗岩,其中全风化混合花岗岩为褐黄、褐红、肉红、黄褐、灰白、灰黑色,呈土状、砂土状,厚1.6～11.3 m。强风化混合花岗岩为褐黄、褐红、肉红、黄褐、灰白、灰黑色,呈坚硬土状、砂土状,局部夹碎块状,最大揭示厚度21.2 m。中等风化混合花岗岩呈碎块～长柱状,节理裂隙较发育到很发育,最大揭示厚度8.5 m,岩石坚硬程度为较硬岩,岩体完整程度破碎,基本质量等级为Ⅳ级。

2.2 现场取样

为使试样具有代表性,风化花岗岩试样分别取自西丽—大学城区间暗挖段(AW)和天虹广场附近风道(FD)的风化花岗岩层。前者如图1所示,为褐红色全风化中粗粒黑云花岗岩,风化程度很高,岩体中残留有缓倾原生冷凝面和中等倾斜的剪切节理,试样开挖较容易,但遇水后软化,风干后则变成散土状。后者如图2所示,为褐黄色细粒强风化花岗岩,风化程度相对较低,呈褐黄色条斑结构,夹有粗大钾长石斑晶条块;试样较硬,不易切削,易沿着陡倾节理面裂开,遇水后软化。

图1 褐红色中粗粒风化花岗岩试样

图2 褐黄色细粒风化花岗岩试样

岩石样品取出后,进行颜色、结构和矿物成分观察并记录,然后对样品进行装箱和统一编号命名。

3 测试仪器和分析方法

3.1 组成及粒度分析

根据土工试验规范,采用筛分法和比重计法分析试样的颗粒大小和粒径组成。为保证样品均匀和有代表性,采用了四分法和蒸馏水浸泡样品等方法。

采用日本SHIMADZU公司XD-D1型X射线衍射仪和XGT-1000型X射线荧光光谱仪分析试样的矿物和化学成分,确定各种矿物和元素的含量。试样制备采用基体清洗法(K值法)和自清洗法(绝热法)相结合进行。

3.2 微观结构特征分析

采用日立公司的H-700透射电子显微镜分析风化花岗岩试样的微观结构。

采用日立公司的S4800型冷场发射扫描电子显微镜观察岩样的微观形貌和微观物质分布,结合特征X射线能谱图,可以对样品的整体微结构特征、粒间联结力方式、矿物成分及形态、风化蚀变产物成分及形态以及分布形式等进行分析。

采用美国康塔公司PoreMaster-GT60全自动孔隙度分析仪(压汞仪)测量风化岩石样品的孔隙度,可分别得到同毛管压力和汞饱和度相对应的孔径和其所占体积百分比的累积曲线,间接了解样品的微结构特征。测试中采用的汞表面张力为480 erg/cm2、汞接触角为140°,膨胀计体积0.5 mL。

采用康塔公司的NOVA4200e比表面及孔隙度分析仪测定风化花岗岩样品的孔隙度和其中矿物颗粒的比表面积。

由于风化花岗岩微观结构的复杂性,微结构的研究需要采用多种分析方法并对实验结果进行综合分析和对比,才能取得符合客观实际的结果。

4 测试结果及分析

4.1 颗粒组成与级配

图3为联合应用筛析法和密度计法[11]得到的上述2种试样的代表性粒径级配曲线。从图中可见,全风化花岗岩的级配良好,粗颗粒占了绝大多数,而二者的黏粒含量都不超过10%。

图3 风化花岗岩试样的粒径级配曲线

4.2 孔隙组成及分布

对褐红色和褐黄色两种风化花岗岩试样,使用压汞仪测得的代表性孔径分布曲线分别如图4(a)和图4(b)所示,其不同孔径大小的分布见表1。

图4 风化花岗岩孔径分布曲线

表1 风化花岗岩试样的孔径分布

从表1中可以看出,尽管两种不同颜色风化花岗岩试样的粒径分布大致相同(图3),但二者孔隙大小的分布有较大的差异,这种差异会影响它们的工程性质,现场开挖情况也证实了这一点。

4.3 化学和矿物组成与分布

(1)化学元素组成

风化花岗岩中,片状颗粒多为已风化为黏土的矿物,而尚未风化的矿物则呈晶体状。因此,在进行化学成分分析时,主要针对这两者进行。

褐红色和褐黄色风化花岗岩试样的代表性能谱分析分别如图5(a)和图5(b)所示,比较两图可知,二者差别不大。图中的元素Au是制作样品时带入,非试样中原来所含有。

综合其他实验的分析结果,风化花岗岩试样含的主要元素包括Al、Si、O和K,另外还有其他少量Mg、Fe等元素。

图5 风化花岗岩试样的能谱图

(2)矿物成分

根据X射线衍射分析结果,花岗岩试样的主要成分为石英、钾长石、钠斜长石、黑云母及风化作用形成的黏土。若以颗粒总面积百分含量为岩石中该矿物的体积百分含量,表2为各种不同矿物成分的百分比。

表2 风化花岗岩试样的矿物成分%

一般情况下,花岗岩在从弱风化向强风化发展时,石英百分含量增加,黑云母百分含量减少,而斜长石、正长石百分含量则或增或减,但长石的百分含量总量减少,黏土矿物增加。这说明在花岗岩的风化过程中,黑云母是最易于风化的,而长石类次之,石英则很难风化。据此可以判断,AW系列(褐红色)花岗岩试样黏土成分含量较低,而斜长石和钾长石含量比FD系列(褐黄色)试样高,反映了AW系列花岗岩矿物成分改造程度低,风化程度比FD系列要低。

4.4 组构特征指标的相关性

测试结果表明,风化花岗岩的组构特征:孔径分布、颗粒组成和矿物成分3个方面的变化表现出一定对应性。粉黏粒含量小,而角砾和砂粒比例变化较大。大孔隙和中小孔隙基本相等,而微孔隙百分比变化大。石英含量变化范围小,而长石和黏土矿物变化幅度大。结构中最直接的表现是粒度不同,如褐红色花岗岩试样比褐黄色花岗岩试样的大孔隙多、角砾含量高、石英和黏土矿物多,而长石少。两种花岗岩试样中长石和黏土矿物含量变化情况正好相反。据此可以说明,风化花岗岩的组构特征指标在一定程度上能够反映其内部组成的影响。

4.5 微观结构特征

由于风化作用在改变花岗岩矿物成分和化学成分的同时,也会改变其微观结构特征。因此,有必要对风化花岗岩的微观结构进行观察。图6为具有不同风化程度的褐红色风化花岗岩试样部分不同放大倍数的扫描电镜照片。从这些照片中可以看出,花岗岩试样随着风化程度的不同具有如下微观结构特征。

图6 褐红色风化花岗岩试样的扫描电镜照片

(1)弱风化花岗岩为粒状堆砌微结构,微裂隙不发育,粒间联结紧密,受力不易变形;而强风化花岗岩则为粒状架空微结构,微裂隙很发育,粒间联结疏松,受力后易变形破坏。因此,强风化花岗岩的力学强度明显要低于弱风化花岗岩。

(2)弱风化花岗岩造岩矿物的蚀变主要体现在晶体边缘,而表面则仅在局部有蚀变产物附着,且蚀变产物主要以较低级的风化阶段产物如绢云母、绿泥石等为主;而强风化花岗岩造岩矿物的蚀变则不仅体现于晶体的边缘,而且在晶体表面也普遍可见蚀变产物附着,蚀变产物以较高级的风化阶段产物高岭石、埃洛石为主。

(3)强风化花岗岩中黏土矿物的含量明显要高于弱风化花岗岩中黏土矿物的含量,这是导致前者力学强度低于后者的一个重要原因。

本文限于篇幅虽然未给出褐黄色风化花岗岩试样微观结构的扫描电镜照片,但其风化作用对微结构的影响是类似的。

5 结论与建议

通过对深圳地铁5号线暗挖段两种典型风化花岗岩试样组构特征的分析,初步得到以下几点结论。

(1)褐红色与褐黄色风化花岗岩试样的粒径分布大致相同,但二者孔隙大小的分布有较大的差异,导致二者的工程特性会有所不同。

(2)风化花岗岩试样含的主要元素包括Al、Si、O和K,另外还有其他少量Mg、Fe等元素;主要成分为石英、钾长石、钠斜长石、黑云母及风化作用形成的黏土矿物。

(3)风化花岗岩试样的组构特征孔径分布、颗粒组成和矿物成分3个方面的变化表现出一定对应性,这说明风化花岗岩的组构特征指标在一定程度上能够反映其内部组成的影响。

(4)强风化花岗岩与弱风化花岗岩相比在微观结构特征上发生了明显的变化,导致强风化花岗岩的力学强度大为降低和强度水稳性变差,这是深圳地区强风化花岗岩强度低,遇水软化的内部原因。

鉴于深圳地区风化花岗岩组构特征的复杂性,有必要对其与力学性质的关系作进一步的研究。

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[12]陈颙,黄庭芳.岩石物理学[M].北京:北京大学出版社,2001.

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

国家自然科学基金项目(编号50878019)

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