板裂原岩抗压试验及显微特征分析

刘云鹏

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072）

板裂原岩抗压试验及显微特征分析

刘云鹏

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072）

选取典型板裂原岩（即已经发生了板裂化的岩石块体）,通过平行板裂和垂直板裂2个方向的抗压强度试验,获取抗压强度参数的各向异性特征；同时,采用偏光显微镜对板裂原岩薄片进行镜下鉴定分析,以便认识到岩石力学特性及自身组成、结构构造和岩体板裂化之间的内在必然联系,为岩体板裂化理论提供依据。研究结果表明：板裂原岩本身具有各向异性特征,而且与板裂方向关系紧密,说明在受力大小相同的情况下,与板裂方向一致时的受力比与板裂方向垂直时更加容易引起潜在板裂岩石发生变形破坏,形成板裂。碎裂花岗岩在地质历史时期曾遭受过强烈构造应力,且在平行板裂面的方向上受力明显,形成了平行板裂面方向的微小裂隙,部分被充填为细脉；对于绿泥石绢云母千枚岩和石英白云母片岩,其岩石构造的力学性质具有明显的各向异性,在后期的特定应力作用下也会形成与片理小角度斜交的微小裂隙,说明板裂原岩的结构、构造特征是发生板裂的内在因素。

板裂原岩；板裂方向；抗压试验；偏光显微镜；消光特征

2015,32（12）：60－66,81

1 研究背景

岩体作为水电工程建设的重要地质载体,其结构类型对岩体可利用性及工程适宜性具有重要影响,并通过岩体力学特性和变形破坏规律表现出来。板裂结构在边坡、坝基和硐室开挖中时常被揭示,其主要成因是岩体内部的应力释放和转移,即外生作用下由于应力调整或动力触发使得岩体受力状态达到板裂的临界强度所引起的次生结构。因此,板裂结构岩体的形成也可以看成是外部环境改变引起的岩体进一步劣化损伤的结果,是一种在地质体内具有一定赋存范围的岩体结构类型。除此之外,板裂结构的形成与岩体本身特性也有必然联系,可以说板裂原岩建造过程中的岩石组构和缺陷特征、构造和浅表生改造引起的初始损伤往往为板裂结构的形成提供了必要条件。

岩石的结构构造、内部各种缺陷和初始损伤直接影响其宏观破裂[1］,因此有必要从微观或细观角度研究岩石破裂的内在属性。张学民[2］采用偏光显微镜和X光衍射技术研究了砂岩宏观各向异性的微观机理；周翠英等[3］针对华南地区广为分布的“红层”特殊软岩,利用偏光显微镜、能谱分析等多种手段揭示了软岩软化的微观机制；蒋德全等[4］利用光学显微镜和扫描电镜对混合花岗岩矿物颗粒的受损状态进行观察以研究岩石在高应变率作用下的微观损伤特征；温世亿等[5］采用电镜扫描得到某水电站引水隧洞围岩大理岩试样破坏断口处的信息,利用计算机对微细结构要素进行信息提取和量化,从而获得了岩石微细结构与宏观力学行为的关系。

此外,国内外其他学者在此方面也取得了一定突破[6－11］,但目前仍鲜见对板裂原岩抗压特性和显微特征的研究。因此,通过抗压强度试验可以获取板裂体在平行板裂和垂直板裂2个方向的各向异性特征,采用偏光显微可鉴定矿物成分、分析岩石结构构造、测定应力微小裂隙定向性。同时,通过本文的研究,有助于明确板裂原岩内在特性与板裂破坏之间的相互联系,对于认识板裂结构岩体的板裂破坏机制具有重要指导意义。

2 板裂原岩抗压试验

2.1 试验准备

本文的试样材料分3类：一类是取自国道213线彻底关大桥附近一处陡立板裂结构边坡的花岗岩,另外2类为取自沙窝子板裂结构高边坡的千枚岩和片岩（通过偏光显微镜观察定名）。板裂面方向由现场板裂结构岩体的调查情况确定并在现场标定,运至实验室后,使用钻床和锯床分别从平行板裂方向和垂直板裂方向钻切岩样。试样分为圆柱体和方柱体2种：其中圆柱体圆形截面直径取5 cm,高度为10 cm；方柱体的正方形截面边长取5 cm,高度为10 cm。用成型的标准定向试样进行相关强度试验,其制作过程如图1所示。

图1 板裂结构岩石定向试样制作Fig.1 Process of making directional sample of rock mass with slab-rupture structure

试样数量根据受力方向（垂直板裂方向和平行板裂方向）及含水状态而定,即首先分为天然和饱水2种情况,然后每种情况又分为2种不同受力方向,共计36个试样；其中天然状态是拆除密封后立即取样测定,而饱水状态则采取完全淹没法（完全浸水48 h）试验测定。最后,在电液伺服控制刚性压力机（由长春机械科学研究院研制,型号为CSSWAW600DL）上对3类板裂原岩试样进行单轴抗压强度试验,轴向加载速率为1.0 mm/min。

2.2 成果分析

2.2.1 抗压强度特征

通过对岩石试样的单轴抗压强度试验,证实了3类板裂原岩的变形和强度都具有明显各向异性特征,分别表现为：

（1）板裂花岗岩的抗压强度大于100 MPa,压缩弹性模量可达10.0 GPa以上,根据岩质类型划分标准判定该花岗岩属于坚硬岩[12］。天然状态下,垂直板裂方向的平均压缩弹性模量和抗压强度分别是平行板裂方向的1.20倍和1.41倍；饱水状态下,垂直板裂方向的平均压缩弹性模量和抗压强度分别是平行板裂方向的1.16倍和1.45倍。说明两向异性特征都较为明显。而且不管垂直板裂方向受力还是平行板裂方向受力,饱水后的变形和强度参数都要小于天然状态的变形和强度参数。

（2）板裂千枚岩的抗压强度平均在19～21 MPa之间,最大为32 MPa,压缩弹性模量不小于1.9 GPa,属于较坚硬岩—较软岩。天然状态下,垂直板裂方向的平均压缩弹性模量和抗压强度分别是平行板裂方向的1.16倍和1.72倍；但饱水状态下,垂直板裂方向的平均压缩弹性模量和抗压强度分别是平行板裂方向的0.50倍和0.71倍。分析认为由于这类岩石内部的一些微裂隙对水的作用比较敏感,因此在垂直板裂方向进行压缩试验时,会沿这些微裂隙发生破裂使得力学强度降低,造成的结果反而小于平行板裂方向的相应参数。但不论天然还是饱水,两向异性特征都较为明显。

（3）对于板裂片岩而言,抗压强度平均在12～18 MPa之间,压缩弹性模量大于0.5 GPa,属于较软岩—软岩。天然状态下,垂直板裂方向的平均压缩弹性模量和抗压强度分别是平行板裂方向的1.54倍和1.92倍；饱水状态下,垂直板裂方向的平均压缩弹性模量和抗压强度分别是平行板裂方向的3.94倍和3.73倍。说明在饱水状态下,两向异性特征更为明显。2种受力状态下,饱水后的变形和强度参数都要小于天然状态的相应参数。特别是饱水后平行板裂方向受力时,岩石的变形和强度指标下降较大,平均压缩弹性模量由1.9 GPa迅速降低为0.5 GPa。

上述3类板裂岩石试样的单轴抗压强度试验结果表明,天然状态下,平行板裂方向的压缩弹性模量、最大压缩力以及抗压强度明显小于垂直板裂方向的相应参数。即受力大小相同的情况下,与板裂方向一致时的受力比与板裂方向垂直时的受力更易引起潜在板裂岩体发生变形破坏,也证明了板裂化之所以能沿板裂方向进行的必然性。

2.2.2 破坏形态特征

岩石破坏形态可以揭示岩石试件在荷载作用下的破坏机制,这是因为不仅受力过程中的应力分布状况由其直接表现,而且岩石组成和各向异性特征对强度的影响也能由其间接反映出来。根据板裂岩石单轴压缩试验过程中的试件破坏形态,主要有4种破坏机制,包括：Ⅰ类剪破裂、Ⅱ类剪破裂、张破裂和以张为主的破裂。本次试验中,前2种多发生在垂直板裂面的试件中,而后2种则多见于平行板裂面的试件中,如图2所示。

可通过试件中的缺陷和初始损伤分布特征分析来解释上述现象：应力垂直板裂面的试件中,由于存在（潜在）微弱面等缺陷和初始损伤与应力方向近于垂直的特点,起初这些微弱面通过受压闭合来响应逐步提高的压应力并耗散能量,但当压密到一定程度以后,能量耗散路径开始分叉,其最终破裂表现为类似均质岩石中的压-剪破坏形式；相反,在应力平行板裂面的试件中,由于微弱面同受力方向近于平行,因此受力过程中,容易造成微弱面末端处的应力集中,从而导致微弱面沿末端继续扩展、搭接、贯通,能量耗散路径较为单一,强度降低迅速,宏观表现为横向拉应力超过岩石抗拉极限时的破坏形式。下面采用微观技术进一步验证这种解释。

图2 单轴抗压试验中的板裂岩石破坏机制Fig.2 Failure mechanism of three types of rock with slab-rupture structure in uniaxial compression tests

3 板裂原岩显微特征

对上述3类岩样按1＃,2＃和3＃区分类型。利用偏光显微镜（其型号为Nikon Edipse LV100 POL,见图3）对这3类已发生板裂的岩石进行薄片鉴定分析,其内容包括矿物成分鉴定、岩石结构构造分析、应力微小裂隙定向性测定等。

图3 Nikon Eclipse LV100 POL型偏光显微镜Fig.3 Polarizing microscope（Nikon Eclipse LV100 POL）

3.1 偏光显微镜概述

偏光显微镜是以晶体光学为基础,可以鉴定岩石矿物组成和分析结构、构造的一种显微镜。它将白光转化为用来镜检的偏振光,具有单折射（各向同性）或双折射性（各向异性）的物质可被鉴别出来。凡具有双折射性的物质通常在正交偏光下会显示出四明四暗的消光现象,这种特征可被用来与单折射物质区分。

与普通显微镜不同的是偏光显微镜光源前有偏振片（起偏器）,使进入显微镜的光线转变为固定振动方向的偏振光；镜筒中有检偏器（一个偏振方向与起偏器垂直的起偏器）,这种显微镜的载物台是可以旋转的,当载物台上放入单折射的物质时,无论如何旋转载物台,由于2个偏振片是垂直的,显微镜里看不到光线,而放入双折射性物质时,由于光线通过这类物质时,偏振光振动方向发生偏转,因此旋转载物台便能检测到这种物体。例如,当矿片光率体椭圆切面长、短半径与上、下偏光振动方向一致时,就会出现消光现象（图4）。

图4 矿片在正交偏光镜间的消光现象Fig.4 Extinction phenomenon of ore pieces under orthogonal polarizer

3.2 岩样薄片选取

岩石薄片的选取,分为平行板裂面和垂直板裂面2种,其中垂直板裂面又分为Ⅰ型垂直板裂面和Ⅱ型垂直板裂面2种,其定向方向见图5。需要强调的是：本文关于镜下结果的插图中,从下至上方向与图5岩石薄片箭头所示方向一致。

图5 板裂原岩切片方向Fig.5 Slicing direction of original slab-rupture rock

在每个方向制作3件0.03 mm厚的岩石薄片,共计9件；对前述3种岩石类型进行切片,共计获得27件薄片样品（图6）。

图6 板裂原岩中的岩石薄片Fig.6 Rock slices from original slab-rupture rock

3.3 镜下主要特征分析

通过偏光显微镜分析1＃,2＃和3＃三类岩样的矿物成分和结构构造,其鉴定结果见表1。

表1 板裂原岩岩样定名及主要特征Table 1 Names and main characteristics of the rock samples with slab-rupture structure

同时发现,3类岩石薄片中的应力微小裂隙定向性特征与板裂方向确实存在一定的联系,主要表现为：

（1）通过平行板裂面的碎裂花岗岩岩石薄片镜下观察,发现石英可见明显波状消光现象（图7）,并伴随碎裂而发生细粒重结晶。已有研究[15－16］表明,波状消光属晶内应变的效应,是由于过量的位错引起晶格扇状或不规则状畸变而使受力晶体在正交偏光下出现水波纹状的消光特征。板裂原岩中石英波状消光特征是该岩石在某个地质历史时期曾遭受过高应力作用的重要标志,同时也是引发花岗岩原岩碎裂的主要因素。此外,镜下还可见到钾长石中的弱弯曲解理纹（图8）。依据解理纹弯曲方向,可以大致判断其受力方向与解理方向一致。根据岩石薄片的方向性定位可以推断,地质历史时期上的板裂原岩受力方向大体平行于后期板裂面。

图7 平行板裂面岩石薄片中的石英颗粒波状消光Fig.7 Wavy extinction of quartz particles in rock slice parallel to the slab-rupture surface

图8 平行板裂面岩石薄片中的长石弱弯曲解理纹Fig.8 Weak bending cleavage lines on feldspar in rock slice parallel to the slab-rupture surface

在Ⅰ型和Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片上,可观察到与板裂面延伸方向近于平行的绢云母细脉和细粒绿泥石细脉（图9）。其成因是：岩石内部早起的微小裂隙为热液流体提供了运移通道,而岩浆岩中的长石族矿物和铁镁质矿物（黑云母等）通常在低温热水作用下易形成层状结构硅酸盐矿物（绢云母或绿泥石等）。这说明早期的微小裂隙是近平行板裂面的,或者说后期岩石板裂化的过程是沿平行微小裂隙的方向形成的。

（2）对绿泥石绢云母千枚岩岩石薄片进行镜下观察时发现,在平行板裂面的薄片中可观察到与主体定向排列小角度斜交或大体平行的微小裂隙（图10）。

同时,在Ⅰ型垂直板裂面岩石薄片上,可观察到与主体定向排列呈接近30°～45°斜交的微小裂隙（图11）,其中部分已被方解石充填为细脉,少量未被充填；但在Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片上,可见细脉或微小裂隙又与主体定向排列近于平行（图12）。然而由于Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片本身平行片理面的延伸方向,因此上述特征说明板裂千枚岩中的微小裂隙的走向与片状矿物定向排列方向大体一致,但其倾向具有一定的随机性,而这应和受压应力作用的方向有关,符合剪切破裂角的一般规律。

图9 Ⅰ型和Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片中的细脉Fig.9 Tiny dykes in typeⅠandⅡrock slices vertical to the slab-rupture surface

图10 平行板裂面岩石薄片中的贯通裂隙Fig.10 Penetrated crack in rock slice parallel to the slab-rupture surface

图11 Ⅰ型垂直板裂面岩石薄片中的贯通裂隙和细脉Fig.11 Penetrated crack and tiny dyke in typeⅠrock slice vertical to the slab-rupture surface

图12 Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片中的细脉Fig.12 Tiny dyke in typeⅡrock slice vertical to the slab-rupture surface

（3）观察镜下平行板裂面的石英白云母片岩岩石薄片,发现其片状矿物含量大,变质程度相对2＃岩样大,其定向排列方向与板裂面方向近于平行（图13）。根据片状矿物对黑云母包绕情况,可以断定这类岩石地质历史时期曾经历过的区域变质作用是在与片理方向近于垂直的应力条件下发生的。

图13 平行板裂面岩石薄面中的定向排列Fig.13 Orientational layout of mineral in rock slice parallel to the slab-rupture surface

另外,在Ⅰ型垂直板裂面岩石薄片上,可观察到与主体定向排列呈接近10°～20°斜交的微小裂隙（图14）,角度相比2＃岩样小；在Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片上,可见方解石细脉或微小裂隙与主体定向排列近于平行（图15）,这与2＃岩样基本一致。这说明片状矿物的发育程度和微小裂隙的发展方向具有相关性,即在以片状、柱状和粒状3种主要矿物为主的岩石内部,随片状矿物发育程度的增高,其微小裂隙面越接近片状矿物的主平面（片理面）。

图14 Ⅰ型垂直板裂面岩石薄片中的贯通裂隙Fig.14 Penetrated crack in typeⅠrock slice vertical to the slab-rupture surface

图15 Ⅱ型垂直板裂面岩石薄片中的细脉Fig.15 Tiny dyke in typeⅡrock slice vertical to the slab-rupture surface

通过上述3类岩石薄片的岩相学特征研究可以得出：板裂原岩在地质历史时期曾遭受过强烈构造运动或造山运动所产生的定向压力作用。

对于碎裂花岗岩来说,在平行板裂面的方向上受力明显,形成平行板裂面方向的微小裂隙,在后期热液作用下发生蚀变,形成含水层状硅酸盐矿物细脉,成为岩石中的薄弱点,在后期外生作用下发生沿这些微小裂隙或细脉贯通的板裂,形成板裂结构岩体。

而对于绿泥石绢云母千枚岩和石英白云母片岩而言,在地质历史时期遭受的区域性应力和后期的片理化定向方向基本呈大角度或垂直相交,从而发生区域变质作用,并形成千枚状和片状的变成构造（片理）。由于这类岩石构造的力学性质具有明显的各向异性,在后期的特定应力作用下（例如和片理方向近于一致时）也会形成和片理小角度斜交的微小裂隙,随片状矿物含量的增加,交角逐渐减小,在这些微小裂隙中也会发生蚀变或填充,当这些微小裂隙在后期外生作用下沿末端进一步扩展、搭接、贯通后,即可形成板裂结构岩体。

4 结 论

通过对板裂原岩的抗压强度试验,并采用偏光显微镜的镜下观察分析,获得如下认识：

（1）对于花岗岩、千枚岩和片岩3类板裂岩石块体而言,天然状态下,垂直板裂方向的压缩弹性模量、最大压缩力以及抗压强度明显大于平行板裂方向的相应参数,说明板裂原岩本身确有各向异性特征,而且与板裂方向具有密切关系；在受力大小相同的情况下,与板裂方向一致时的受力比与板裂方向垂直时更易引起潜在板裂体发生变形破坏,引起板裂。上述结果产生的原因可归结为岩石中一些（潜在）微弱面和岩石组成之间的相互联系,当最大主应力调整到与这些缺陷或初始损伤近似平行时,往往更容易发生板裂破坏,形成板裂结构岩体。

（2）3类板裂原岩的偏光显微结果表明,碎裂花岗岩在地质历史时期曾遭受过强烈构造应力,且在平行板裂面的方向上受力明显,形成了平行板裂面方向的微小裂隙,部分被充填为细脉；对于绿泥石绢云母千枚岩和石英白云母片岩而言,这类岩石构造的力学性质具有明显的各向异性,在后期的特定应力作用下也会形成与片理小角度斜交的微小裂隙,当这些微小裂隙在后期外生作用下沿末端进一步扩展、搭接、贯通后,即可形成板裂结构岩体。上述结果说明板裂原岩的结构、构造特征是发生板裂的内在因素。

（3）作为一种由岩石矿物组成、结构构造特征、历史损伤演化及由外生改造作用引起的受力环境共同作用影响的岩体结构类型,板裂结构有其形成的必然内在因素。本文的研究说明在适宜板裂结构产生的地区,边坡在形成过程中（卸荷过程）引起的应力调整变化是影响背景工程高边坡岩体结构类型形成、范围分布的直接因素；同时,板裂原岩建造过程中的岩石组构和缺陷特征、构造改造和浅表生改造引起的初始损伤为这种次生结构的形成提供了必要条件。

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（编辑：黄 玲）

Compression Test and Microscopic Characteristics Analysis of Slab-rupture Original Rock

LIU Yun-peng
（PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,China）

Representative slab-rupture original rocks（i.e.,slab ruptures have occurred in the rock blocks）were taken as examples.To obtain the anisotropic properties for related strength parameters,we perform the uniaxial compression tests with the loading directions vertical and parallel to slab rupture.At the same time,the microscopic identification and analysis of slices from the original slab-rupture rock are conducted by using polarizing microscope.We try to explore the potential relations among mechanical properties of the rock,compositions and slab rupture of rock mass.The study shows that：the original slab-rupture rock has anisotropic characteristics,closely relevantto the direction of slab rupture；under the same magnitude of load,the load parallel to slab rupture is more likely to cause deformation and failure of potential slab-rupture rock mass than that vertical to slab rupture.As for cataclastic granite,it had suffered a strong tectonic stress during geological period,and the stress is significant in the direction parallel to the slab rupture surface,forming the tiny（small）cracks parallel to the slab rupture surface which is partially filled with tiny dykes.Furthermore,for chlorite-sericite phyllite and quartz muscovite schist,the mechanical properties of such rock structures show obvious tendency of anisotropy,under given stress at the later stage,tiny（small）cracks will occur,which are oblique to the schistosity at a small angle.Finally,we conclude that the rock texture and structure feature of slab-rupture original rock are the intrinsic factors of generating slab ruptures.

slab-rupture original rock；slab-rupture direction；compression test；polarizing microscope；extinction characteristics

TU458

A

1001－5485（2015）12－0060－07

10.11988/ckyyb.20150244

2015－04－02；

2015－05－11

刘云鹏（1982－）,男,内蒙古通辽人,工程师,主要从事地质灾害与边坡工程方向的研究工作,（电话）15928752650（电子信箱）liuyunpeng＿2005＠163.com。