乌东德水电站库区板岩遇水软化微观机理及强度模型研究

2018-11-24念红芬张春华

三峡大学学报(自然科学版) 2018年6期

念红芬张春华

(攀枝花学院土木工程学院，四川攀枝花 617000)

天然形成的岩石作为一种包含众多孔隙、胶结物、矿物颗粒以及其他成分的非均质混合体，在形成过程中，受到地质构造运动、环境侵蚀等的作用，其物理力学特性将发生巨大变化[1]．其中水的侵蚀作用最为明显[2-3]．在乌东德水电站中，高水位作用下，岩石边坡受到高压水的侵蚀作用，若侵蚀严重，可能发生较大破坏，危及岩质边坡安全和稳定．从岩石工程角度来看，这种影响称为“水岩相互作用”，最早由苏联地球化学家A.M.O.Bynhhnkob提出．国内学者也较早的进行了跟踪研究．陈钢林等[3]为了探究岩石在水的作用下表现出的宏观力学效应，设计了砂岩、灰岩、大理岩以及花岗岩在不同饱和度下的单轴压缩试验．周翠英等[4-5]为探究软岩遇水软化的机制，对3种不同类型岩石在饱水状态下进行力学行为测试．冯夏庭等[6]采用不同种类的化学溶液对含裂纹的试件进行腐蚀，并通过细观力学试验系统监测了试件的裂纹扩展过程，研究表明试件的裂纹排列次序及扩展与化学腐蚀作用关联度较大．姚华彦等[7-8]实时观测了含预制裂纹灰岩在化学溶液作用下的压缩破裂过程，并分析了化学溶液使岩石劣化的机理．吴平[9]通过三轴加、卸载试验分析应力路径下水对砂岩的影响，发现砂岩在卸荷状态下较之加载状态下内摩擦角降低而黏聚力增加．郑晓卿等[10]通过微观和宏观试验，探讨了鄂西北页岩的软化机理，认为饱水时间影响了岩石的抗压强度和弹性模量．本文针对水岩相互作用现象，采用宏观试验和微观(XRD、SEM)分析，揭示了水对板岩软化的微观机制，并且依据多孔介质力学理论，提出板岩遇水软化模型，以期为岩质高边坡蓄水稳定性评价提供参考．

1 试验

1.1 试样准备

采用钻孔法在乌东德水电站工程施工区域钻取板岩，加工成直径50 mm，长度100 mm的标准圆柱试样．

选取加工完成的12个板岩试样，一共分成4组，每组3个．第1组试样(A1～A3)置于箱内温度为105℃的干燥箱内干燥48 h；第2组试样(A4～A6)置于真空饱和仪中加水饱和7 d，饱水压力为0.5 MPa；第3组试样(A7～A9)置于真空饱和仪中饱和7 d，饱水压力为1.0 MPa；第4组试样(A10～A12)置于真空饱和仪中饱和7 d，饱水压力为1.5 MPa．在加压饱水过程中，要求每隔5 h检查压力表读数，确保压力表读数始终保持预设压力，如发现有压力泄露，应及时进行压力补充．待饱和结束后，取出岩石试样用橡胶套套住，防止水分蒸发．

1.2 试验方法

试验主要为了探究不同饱水压力下板岩宏观特性的变化规律和微观软化机理．主要测试方法如下．

1)使用利曼APD2000PRO型X射线衍射仪对岩石试样进行X射线衍射试验，获得岩石矿物成分．其测角仪精度为0.000 1度，重现性接近0.000 1度[11]．

2)利用美国MTS岩石力学伺服试验机，按照相关规范要求进行单轴压缩试验，获得试样应力-应变曲线和抗压强度，据此分析岩石宏观力学特性．

3)扫描电镜(SEM)试验采用荷兰FEI公司生产的Teneo型，其加速电压为200～30 000 V，放大倍数可达20～200 000倍，分辨率达到3.0 nm[11]．

2 微观机理分析

2.1 矿物成分分析

通过XRD图谱，获得板岩内部成分．各矿物含量从高到低依次为2M1型白云母(42.53%)、斜绿泥石(27.30%)、石英(20.02%)、镁方解石(6.87%)以及白云石(3.28%)．这些矿物遇水稳定，结构致密，说明板岩遇水后，其软化机制并不是由于矿物遇水溶解造成的．

2.2 电镜扫描分析

试验采用电子显微镜分别对经过干燥、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa水压力真空饱和处理后的4种板岩试样的表面形貌进行微观扫描．试验选择放大倍数为1 000倍的SEM图像进行对比分析，具体如图1所示．

图1 不同饱水压力下板岩SEM图像(×1000)

由图1(a)可知，板岩在干燥状态下，基质呈薄片层状，整体完整，表面风化程度较低，薄片结构紧密，边缘形状不规则，以面与面接触形式为主，呈有序定向排列方式，仅有少量细微孔隙；与图1(a)对比，图1(b)中开始有颗粒从基质中脱离出来，薄片边缘开始模糊，结构变得松散；当增加饱水压力至1.0 MPa后，如图1(c)所示，基质表面风化加剧，大量颗粒脱离基质，少许颗粒掉落入孔隙中，部分薄片结构破碎松散，孔隙附近的薄片结构边缘磨圆程度加重；在经历1.5 MPa水压力真空饱水后，板岩基质表面风化程度进一步加剧，表面粗糙程度增强，不仅有大量散碎颗粒脱离基质，更有许多较大块体剥离，片状结构边缘基本被磨圆，孔隙明显增多．

将不同饱水压力下的SEM图像导入Image J软件[12]，可提取板岩试件的孔隙率φ．同时，绘制孔隙率和饱水压力的关系图，如图2所示．由图可知，随着饱和压力的增大，孔隙率不断增大，含水率也在不断增加，与SEM分析结果一致．

图2 板岩孔隙率与饱水压力关系

综合试验结果和前人研究[12]，板岩在不同饱水压力作用下的微观结构变化可概括为：从微观结构来说，岩石是矿物颗粒由一定的规律积聚而成的含有孔隙、裂隙等缺陷的非均质性固体．在水的润滑侵蚀作用下，连接岩石矿物颗粒的胶结物质发生溶解，进而内部结构松散，当饱水压力持续增大时，开始有部分矿物颗粒甚至块体剥落．这使得原有岩石内部微小空隙增大，同时又产生次生空隙．因此孔隙率随着饱和压力的增加逐渐增加．这种微观结构的变化可导致宏观强度的软化．

3 板岩遇水软化理论模型

由上述微观分析可知，板岩遇水后，水的侵蚀造成了内部孔隙不断增加．因此，借鉴多孔介质理论，从孔隙率角度出发，建立板岩遇水强度软化模型．

1)孔隙率与饱和压力关系

拟合表1中孔隙率与饱水压力的关系可知，孔隙率与饱水压力之间满足一次线性函数关系，见式(1)，拟合系数为0.955，拟合曲线如图2所示．

φ=0.197P+0.182 (1)

2)孔隙率与弹性模量关系

由多孔介质力学理论Walsh公式(2)[13]可知，

(2)

式中，K为多孔介质体积模量，Km为基质的体积模量，V为岩石的体积，Vc为岩石孔隙的体积，Δp为作用在岩石外表面压力．

假设孔隙为球体，内径为b1，外径为b2，如图3所示．在孔隙率φ较小，Δp作用下，孔隙的半径方向上变化量Δb1为：

式中，λ和μ为拉梅常数．假设板岩为各向同性，则存在一等效半径c，使板岩的弹性性质与所有的孔隙都被半径为c的球所代替的岩石的弹性性质相同，则每个孔隙球体体积变化为：

代入Walsh公式(2)并简化得

(6)

(7)

图3 多孔介质受力示意图

3)抗压强度与弹性模量关系

众多文献[14]指出，岩石试件的单抽抗压强度σc与弹性模量E呈线性正相关，见式(8)：

σc=aE(8)

式中，a为修正参数，取决于岩石性质．

综上所述，板岩单轴抗压强度σc与饱水压力P之间具有以下关系：

(9)

板岩遇水强度软化模型是基于多孔介质力学理论和经验公式推导获得的，参数简单明了，物理意义明确，充分反映了板岩浸润后，孔隙率增加导致的板岩强度软化特征．

4 板岩软化模型试验验证

4.1 单轴压缩试验分析

通过美国MTS岩石力学伺服试验机得到板岩的应力-应变曲线，该曲线能够反映岩石宏观强度和变形特性．试验采用位移控制加载，轴向位移速率为0.002 mm/s．

图4是在岩石力学伺服试验机上得到的板岩标准圆柱试样在干燥状态以及不同饱水压力状态下的应力-应变全程曲线．

图4 板岩的单轴压缩应力-应变曲线

干燥状态下，板岩的应力-应变曲线经历了5个阶段，分别是裂隙压密阶段(OA段)、弹性变形阶段(AB段)、裂隙稳定扩展阶段(BC段)、裂隙加速扩展阶段(CD段)以及峰后段(DE段)，如图4(a)中B2曲线所示．但在饱和压力作用下，板岩试样峰后段变得不明显，应力-应变曲线在达到峰值应力后出现骤降，试样表现出明显的脆性破裂特征，如图4(b)～4(d)所示．

图5给出了不同饱水压力下板岩峰后破坏形式．由图5可知，板岩的破坏主要由相邻矿物颗粒的错开或分离导致，破坏形式呈两种破坏特征，当饱和水压力较小时，表现为轴向多劈裂面破坏．当饱水压力大于1.0 MPa时，表现为剪切破坏特征．