粉砂质板岩各向异性特性研究

2018-11-07吴章雷

水电站设计 2018年3期

吴章雷

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

近年来，由于工程建设的需要，板岩被广泛用作建筑物的基础、隧洞或地下洞室围岩、建筑材料等，人们对板岩的认识也越来越深入，开展了大量的研究工作，尤其在板岩的物理力学特性方面。在雅砻江中游大范围内发育一套三叠纪(T3)浊积相碎屑建造岩，经后期变质后，形成浅变质的砂板岩。砂岩一般因其坚硬、抗风化能力强，具有较高的物理力学指标，在工程建设中成为较理想、可利用的岩体和建筑材料。板岩因其坚硬性较差，抗风化能力较弱，物理力学指标较低，需进行改造后方可利用。

雅砻江中游发育的该套变质板岩，组成矿物主要有黏土矿物、绢云母、绿泥石、石英等，胶结物主要为泥质胶结，该板岩具有板理发育、各向异性明显、变质浅等特点。雅砻江中游某水电站修建于这套浅变质砂板岩出露地区，工程建设需大量的利用板岩，才能满足枢纽布置和工程建设要求。因此，对该浅变质板岩开展了大量的室内和现场试验，对其各向异性特性进行研究，为板岩的利用和改造提供科学依据。

本文依托该水电工程开展的大量板岩室内试验和现场试验成果，分析整理了试验数据，梳理出板岩各向异性特性的一般规律，为今后类似工程建设提供经验和参考。

1 板岩的矿物成分分析

岩石是矿物的集合体，矿物的类型和胶结物是岩体物理力学特性的基础，因此对板岩物理力学特性的研究，首先应对其矿物成分进行分析研究。在地表及探洞内取样，开展板岩的矿物成分分析工作，岩石磨片矿物鉴定采用偏光显微镜进行，在偏光显微镜下观察组成岩石的各种矿物，以及它们的结构构造及含量等。具体成果见表1。

岩石磨片矿物鉴定成果表明板岩为浅变质岩，板状构造，变余结构，由黏土岩或黏土质粉砂岩浅变质而形成。主要矿物成分为黏土矿物、绢云母、绿泥石、石英等。在变质不均匀的情况下，局部将可能部分显现原岩的矿物成分、构造及结构状态。组成板岩的矿物除石英的硬度较高外，其余硬度均较低。

在沉积过程中，由于环境的动荡，板岩中各种矿物及砂质的含量不均一。现场调查发现板岩因其砂质的含量不同，新鲜断口的表现不同。砂质和石英含量较高板岩，断口呈浅灰色，断面较粗糙，强光下可见砂质光泽，反之，断口岩石呈深灰色，染手，断面较光滑。

2 板岩的物理特性

为了研究板岩的物理力学性能，依托勘测设计的水电项目开展了大量的室内试验，共完成了72组室内物理力学试验。下面重点介绍工程中常用的几个物理指标的试验成果。

试验数据分析统计表明：板岩干密度范围值2.62～2.78 g/cm3，多数集中在2.72～2.78 g/cm3区间内(见图1)；比重范围值2.69～2.80，大多数集中2.76～2.80区间内(见图2)。

表1 岩石磨片矿物鉴定成果

图1 板岩干密度统计散点分布

图2 板岩比重统计散点分布

板岩的饱和吸水率较低，范围值0.1%～1.2%，大部分不大于0.9%(见图3)；软化系数范围值0.6～0.8，主要集中在0.7～0.8之间(见图4)。

经分析研究，板岩的物理特性与矿物组成及成分密切相关，当岩石中石英、砂质碎屑含量较高时，干密度、比重、弹模、软化系数，抗压强度等数值也会较高；当岩石中黏土矿物、泥质、云母等含量较高时，上述值则较低，基本呈线性关系。大量的试验值表明粉砂质板岩干密度2.72～2.78 g/cm3，比重2.76～2.80，饱和吸水率不大于0.9%，软化系数0.7～0.8。

图3 板岩饱水率统计散点分布

图4 板岩软化系数统计散点分布

3 板岩的各向异性特性

由于板岩在变质过程中，受高温高压影响，矿物定向排列形成板理面，因此，在对板岩开展室内力学试验时，加载方向分为(∥)板理面和(⊥)板理面。试验成果表明，(∥)板理面的湿抗压强度为25～80 GPa，大部分为40～80 MPa(见图5)；(⊥)板理面湿抗压强度为40～100 GPa，大部分为60～1 000 MPa(见图6)。

图5 (⊥)板理面湿抗压强度统计

图6 (∥)板理面湿抗压强度统计

试验数据表明板岩各向异性明显，(⊥)板理面方向湿抗压强度大于(∥)板理面的湿抗压强度。由于板岩的板理面往往是黏土矿物、云母及绢云母富集，为一软弱面，平行板理面方向加载时，试验表明试样容易沿板理面破坏，强度低，垂直板理面加载，试样往往是岩体被剪坏，强度高，(⊥)和(∥)板理范围为1.25～1.5。

统计表明岩体的泊松比范围值0.22～0.26，大多数为0.23～0.24；进一步统计表明，垂直板理的泊松比大于平行板理方向的泊松比，最大值可达0.26，最小值0.23，由此可见泊松比也反映了板岩具有各向异性的特点。但无论是垂直还是平行板理泊松比值主要集中在0.23～0.24(见图7)。

图7 泊松比统计散点

现场开展了9组现场岩体变形试验，试验成果表明，微新板岩(⊥)板理面E0=11～14 GPa，(∥)板理面E0=30～36 GPa；弱下风化板岩(∥)板理面E0=4～5 GPa，(⊥)板理面E0=3 GPa(见表2)。

表2 现场原位变质板岩岩体变形试验成果

统计结果表明，平行板理面的板岩模量大于垂直板理面模量，弱风化的粉砂质板岩为1.5倍，新鲜面可达2～3倍。由此可见相同的压力下，垂直板理面方向板理面被压密实，变形较大，因而模量较小，平行板理面则反之，反映了板岩各向异性的特点。压力和变形关系曲线表明，垂直板理面以直线型或准直线型为主，平行板理面以下凹型为主(见图8)。