水岩作用下露天矿坑蚀变岩三轴压缩试验分析

冯佰研，付厚利，秦 哲，牛传星，亓伟林

(1.山东科技大学，山东青岛 266590；2.临沂大学，山东临沂 276000；3.山东省防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590)

水岩作用下露天矿坑蚀变岩三轴压缩试验分析

冯佰研1，3，付厚利1，2，秦 哲1，3，牛传星1，3，亓伟林1，3

(1.山东科技大学，山东青岛 266590；2.临沂大学，山东临沂 276000；3.山东省防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590)

本文研究水位升降对边坡稳定的影响。选取莱州仓上露天矿坑边坡蚀变岩样，对不同饱水-失水循环次数的蚀变岩进行了三轴压缩试验。对SγJH粘聚力与循环次数关系、内摩擦角与循环次数关系做了回归分析，考虑到粘聚力受水岩作用影响较大，构建粘聚力与应变软化参数联系方程，描述峰后粘聚力变化。进一步分析饱水-失水溶液成分，讨论饱水-失水循环对蚀变岩力学性质损伤机理。结果表明，随循环次数增加，SγJH内摩擦角呈指数形式减小，粘聚力呈二次多项式形式降低；峰后粘聚力随轴向应变变化规律可用双曲函数描述。关于蚀变岩受水岩作用影响机理，从水物理角度看，SγJH内部的微缺陷进一步发展，导致其力学性质的改变；从水化学角度，SγJH中由蚀变产生的黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换，力学性质发生变化。水位升降时蚀变岩粘聚力变化明显，对边坡稳定性有较大影响。

水岩作用 蚀变岩 三轴压缩试验 岩石损伤规律

Feng Bai-yan, Fu Hou-li, Qin Zhe, Niu Chuan-xing, Qi Wei-lin. Triaxial compression tests on altered rock at an open pit under water-rock interaction[J]. Geology and Exploration, 2016,52(3):0564-0569.

0 引言

蚀变岩是近矿围岩与热液发生反应时，一系列新物质通过交代作用替代旧物质而形成岩石。蚀变岩相对其他岩石有着明显区别，经历水岩作用后其力学性质将发生显著改变。常规岩质边坡稳定性分析中以普通岩石为研究对象，很难得出水位升降对岩质矿坑边坡稳定性影响。

王旭东等(2007)、杨燕等(2009)、魏伟等(2012)、苗朝等(2014)对自然状态及饱水状态下蚀变岩的力学特性进行研究，通过三轴压缩试验探明水岩作用对其力学性质损伤以粘聚力降低及内摩擦角减小为主。王永新(2006)、刘新荣等(2009)、王新刚(2014)对水岩作用影响下的边坡稳定性进行探索，提出了水位升降是影响边坡稳定性的重要因素。曹平等(2010)、姜永东等(2011)、邓华峰等(2012)、刘业科(2012)、郭宏云等(2013)、朱敏(2013)、宋勇军等(2014)通过试验对经过饱水-失水循环的岩石力学性质进行研究，得出了水岩作用下岩石的力学性质损伤规律。杨庆等(2003)、付金伟等(2013)、张明等(2013)、张巍等(2013)、杨逾等(2014)、柴肇云等(2015)在探索岩石损伤规律的基础上进一步进行了岩石的损伤机理分析。

国内外在有关水对蚀变岩的力学性质影响研究及水岩作用下岩石力学性质变化机理研究方面已有很多成果，但仍然很难定性定量描述蚀变岩受水岩作用影响规律，同时饱水-失水循环作用下的蚀变岩力学性质变化机理尚未探明，不能满足水位升降工程条件下的露天矿坑边坡稳定性研究的需要。

本文依托《三山岛仓上露天坑尾矿库边坡安全状态监测、分析及预警技术开发与应用研究》科研项目，仓上露天坑于2013年开始作为三山岛选矿厂尾矿库使用，坑内水位不断升降对边坡稳定性的影响日益突出。故选取仓上露天坑尾矿库边坡3#蚀变带处黄铁绢英化花岗质碎裂岩(SγJH)制成标准岩样，将经历不同饱水-失水循环次数的岩样进行岩石三轴压缩试验。分析岩样的粘聚力与循环次数关系，内摩擦角与循环次数关系，对SγJH力学参数进行回归分析，构建回归函数对水岩作用下蚀变岩力学参数变化进行描述；选定受水岩作用影响较大的力学参数，进一步探究力学参数与应变软化参数关系；结合不同饱水-失水循环次数溶液成分比较，讨论水岩作用对蚀变岩力学性质损伤机理，探究水岩作用对蚀变岩石的影响。

1 三轴压缩试验

1.1 岩样制作与试验准备

现场采取钻孔取芯的方法对蚀变岩SγJH进行岩样采集，SγJH工程地质特征如表1所示。

根据含水率试验结果：SγJH岩样在浸水48小时状态下和浸水24小时相比含水率仅提高0.04%，综合考虑确定试验饱水-失水循环模拟时间为浸水24小时后烘干12小时。

加工岩样成标准岩样(高为100mm，直径50mm)，剔除外观上有明显层理和裂痕的岩样，再通过声波仪测定岩样波速，选取有代表性的岩样作为试验岩样。将岩样在水中浸泡24小时后取出，置于烘箱内12小时至恒重，为一次饱水-失水循环模拟；根据饱水-失水循环模拟方法制作不同循环次数的岩样试件(1次，5次，15次)。

表1 岩石工程地质特征一览表

1.2 试验方案

三轴压缩试验均采用山东科技大学自行研发的TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机。由于现场试验条件的局限性，三轴压缩试验运用假三轴试验方法(σ2=σ3)测定岩石的抗剪强度。

将经历不同饱水-失水循环次数(1次，5次，15次)的岩样，分别进行三轴压缩试验(围压分别为2MPa，5MPa，9MPa)。对试件的轴向进行缓慢加载并直到岩块发生破坏，记录试件应力-应变变化，并对破坏状态进行详细描述；注意在试件的破坏面比较完整的情况下，应当测定最大轴向力作用面与破坏面两者间的角度值，以校核由试验数据计算得到的内摩擦角。

1.3 试验数据

根据三轴压缩试验数据，利用摩尔圆求得岩样粘聚力C、内摩控角φ，三轴压缩试验数据见表2。

表2 饱水-失水循环作用下三轴压缩试验数据

2 力学参数回归分析

2.1 内摩擦角与循环次数关系

内摩擦角与循环次数关系曲线见图1。

图1 内摩擦角与循环次数的关系曲线Fig.1 Relation curve of inner-friction angle and cycle times

φ=7.934exp(-n/2.67)+42.197(n=0,1,5,15)

蚀变岩试件的内摩擦角随循环次数增加呈指数形式减小，振幅A1=7.934；经历15次饱水-失水循环后，SγJH内摩擦角减小至自然状态的84.6%。

水岩作用下SγJH内摩擦角变化规律与未蚀变花岗岩相似(王永新，2006)，振幅A1与普通岩石较为接近，损伤程度也与普通岩石基本相同。

2.2 粘聚力与循环次数关系

粘聚力与循环次数关系曲线见图2。

图2 粘聚力与循环次数的关系曲线Fig.2 Relation carve of cohesion and cycle times

C=3.927-0.326×n+0.010×n2(n=0,1,5,15)

由图2可知，SγJH试件的粘聚力随循环次数的增加呈二次多项式形式降低，15次饱水-失水循环作用下SγJH的粘聚力明显低于其他试件，损伤率可达到70%。

与花岗岩等未蚀变岩石不同，SγJH岩石内部由于蚀变作用产生较多微缺陷，且在水岩作用下微缺陷发育迅速，岩石损伤效应远大于硬化效应；SγJH经历水岩作用后，黄铁矿、绢云母及长石等矿物成分发生水解反应或离子交换，导致岩石矿物成分发生改变，岩石损伤效应进一步增强。故蚀变岩SγJH粘聚力损伤极为明显。

2.3 粘聚力与应变软化参数关系

边坡岩石在承受超过其承载能力的荷载后，将发生破坏，而破坏岩体力学性质随应变增加而变化的规律研究，对边坡安全评价有极为重要的作用。从力学性质损伤角度来看，水岩作用对蚀变岩力学性质的影响主要体现在粘聚力降低方面。故蚀变岩达到峰值应变后，其粘聚力随应变变化规律对露天矿坑稳定性分析有着重要意义。

图3 粘聚力随轴向应变演化曲线Fig.3 Evolution curve of cohesion with axial strain

3 蚀变岩经历水岩作用机制分析

从水物理角度分析：蚀变作用下岩石内部结构发生变化，特别在水岩作用下蚀变岩内部的微缺陷进一步发育，进而导致其力学性质的改变。

SγJH相对于花岗岩等未蚀变岩石有着更多的微缺陷或不均匀性，在饱水-失水循环作用下SγJH的微裂纹、无胶结空洞等进一步发育。具体表现为：经历饱水-失水循环后，蚀变岩内摩擦角呈指数形式减小及粘聚力呈二次多项式形式下降。

从水化学角度分析：蚀变作用改变了岩石矿物组成，相较未蚀变花岗岩，SγJH中增加了黄铁矿、绢云母等矿物成分，主要阳离子有Fe2+、Fe3+、Al3+、K+等，主要阴离子有SO42-、CO32-、SiO32-等。

为探究水化学作用对蚀变岩影响，对饱水-失水循环后的溶液进行化学成分分析，结果见表3。

表3 试件浸泡溶液化学分析

在经历饱水-失水循环后，SγJH矿物成分发生水解反应及离子交换。根据溶液化学成分分析，溶液中Fe3+、K+、SO42-及CO32-成分增加明显，即SγJH中黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换。

在水化学作用下，岩体矿物成分及胶结物等由于水解反应或离子交换而溶解，从而使岩石微观结构发生变化，改变岩石性状。蚀变岩在蚀变作用下，矿物组成发生改变，新产生的矿物成分对水更加敏感，水化学作用下损伤更加明显。具体表现为：SγJH内摩擦角减小程度与普通岩石相似，但粘聚力降低极为明显，损伤率接近70%。

4 结论

本文以仓上露天矿坑为工程背景，考虑水位升降对矿坑边坡稳定性影响，对该地区蚀变带岩样进行了三轴压缩试验。通过探究不同循环次数下岩样的内摩擦角与循环次数关系、粘聚力与循环次数关系，选定受水岩作用影响较大的力学参数，建立力学参数与应变软化参数关系式，结合溶液化学成分分析，讨论水岩作用对蚀变岩力学性质损伤机理，得到结论如下：

(1)SγJH内摩擦角随循环次数增加呈指数形式减小，振幅A1=7.934；经历15次饱水-失水循环后，SγJH内摩擦角减小至自然状态的84.6%。水岩作用下SγJH内摩擦角变化规律与未蚀变花岗岩相似。

(2)SγJH粘聚力随循环次数的增加呈二次多项式形式降低，15次饱水-失水循环作用下SγJH的粘聚力明显低于其他试件，损伤率可达到70%。

(4)从水物理角度讲：水岩作用下SγJH内部的微缺陷进一步发育，进而导致其力学性质的改变，表现为：水岩作用下SγJH内摩擦角呈指数形式减小及粘聚力呈二次多项式形式下降。从水化学角度讲：蚀变岩在蚀变作用下，矿物组成发生改变，SγJH中蚀变产生的黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换，力学性质发生变化，表现为：SγJH内摩擦角减小程度与普通岩石相似，但粘聚力降低极为明显，损伤率接近70%。

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Triaxial Compression Tests on Altered Rock at an Open Pit Under Water-Rock Interaction

FENG Bai-yan1，3，FU Hou-li1，2，QIN Zhe1，3，NIU Chuan-xing1，3，QI Wei-lin1，3

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590；2.LinyiUniversity,Linyi,Shandong276000；3.ShandongProvinceKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigation,Qingdao,Shandong266590)

The objective of this study was to explore the effect of water level variation on slope stability. Samples of altered rock were collected from an open-pit slope in Cangshang, Laizhou of Shandong Province. On these samples, triaxial compression tests were carried out to examine the effect of different saturation-dehydration circulating frequencies. After regressing the variation rules of SγJH cohesion and friction angle with cycle times, the most influential factor under water rock interaction was determined. The influence of post-peak cohesion with strain softening parameter was described using the correlation equation. The solution composition after saturation-dehydration circulating was researched to reveal mechanical damage mechanisms of altered rock under water rock interaction. The results indicate that the friction angle of SγJH decreases exponentially with increasing cycle times and cohesion drops polynomially. The law of post-peak cohesion changing with axial strain can be described by a hyperbolical function. On the mechanism of water -rock interaction affecting altered rock, analysis of hydrophysics suggests that micro-defects in SγJH develops further, leading to the variation of mechanical properties. From hydrochemistry. mineral components from alteration, such as pyrite and carbonate, can cause hydrolyzation or ion exchange, also changing the mechanical properties. Altered rock cohesion changes significantly as water level rises and falls, which poses great influence on the long-term stability of the slope.

water rock interaction, altered rock, triaxial compression test, damage rule of rock

2015-12-26；

2016-04-26；[责任编辑]陈伟军。

冯佰研(1992年-)，男，硕士研究生，研究方向为岩土力学理论与应用。E-mail: 562636552@qq.com。

TU458+.3

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0495-5331(2016)03-0564-06