围岩微观结构力学特性研究

2019-07-20张迪

四川建筑 2019年6期

张迪

(西南交通大学，四川成都 611756)

1 岩石薄片分析

本文研究对象是盆因拉隧道岩体样本，拉日铁路盆因拉隧道有明显的地应力重分布现象，隧道施工过程中易发生岩爆[1]。本文以岩样薄片入手，结合应力试验，得出应力应变指标。初步阶段主要对岩石薄片进行微观鉴定，将取回的岩芯制作成薄片，利用显微镜观察，分析矿物组成成分，矿物相关特性，进行微观分析。

1.1 盆因拉隧道二号横洞岩样1

样品编号：2#-1，2#-2：具有中-粗粒结构，块状构造及不明显的片理构造。矿物主要有半自形钾长石、他形石英、半自形-他形板条状斜长石和暗色矿物(半自形-他形黑云母和嵌晶状角闪石)组成。副矿物主要有绿泥石、榍石、绿帘石、方解石、磷灰石、锆石、赤铁矿等。其中半自形钾长石含量为25 %～35 %，他形石英含量为25 %，半自形-他形板条状斜长石含量为25 %～28 %，半自形-他形黑云母含量为12 %，嵌晶状角闪石含量为6 %，零星分布的其他矿物含量大致为1 %。矿物粒径大小石英为0.3～1.2 mm，钾长石为0.5～3 mm，斜长石为0.5～3 mm，黑云母为0.5～3 mm，角闪石为0.2～1.9 mm，绿帘石为 0.2～0.8 mm，榍石为0.2～0.7 mm，赤铁矿0.05～0.1 mm。其中石英无解理，正突起低，单偏光下无色透明，正交偏光下波状消光，干涉色一级灰。钾长石主要为正长石和微斜长石，其中正长石半自形，板状，负突起低，常见一组不完全发育的解理，单偏光下无色透明，表面浑浊，糙面明显，正交偏光下干涉色一级灰，部分见不规则裂纹，部分已蚀变为灰黄色，长石因表面浑浊呈褐色而清晰的区别于石英。斜长石中主要是自形的更长石，由于高岭土化，表面显示为污浊，正突起低，单偏光下无色，正交偏光下具有聚片双晶纹，干涉色一级灰。石英-斜长石的共生物有很好的蠕虫结构。黑云母呈红褐色，有时候呈绿色，褐色，为半自形-他形鳞片状，正突起中，无解理或见一组较发育的波状解理，单偏光下呈绿色或褐色，正交偏光下呈浅绿、褐绿、褐红、黄绿、蓝等多种干涉色，黑云母似堆状或断续似波痕状分布，部分显定向排列，局部轻绿泥石化、绿帘石化，另在晶体解理面间可见赤铁矿。角闪石也已部分绿泥石化，在原晶体界面发育较好的针状晶体。绿帘石呈棱状结晶体，主要产生在黑云母的破裂处。磷灰石被包裹在长石和黑云母中。锆石晶体以多色晕出现[2]。可见图1显微镜下所示。

(a)样品编号：2#-1

(b)样品编号：2#-2

1.2 盆因拉隧道DK138+020岩样2

1.2.1 样品编号S020-1(岩脉)

具中粒结构，块状构造。矿物以钾长石(微斜长石、正长石、条纹长石)、斜长石(钠长石)为主，含少量石英。正长石含量为25 %，半自形，板状，负突起低，常见一组不完全发育的解理，单偏光下无色透明，表面浑浊，糙面明显，正交偏光下干涉色一级灰，部分见不规则裂纹被方解石交代，表面绢云母化。微斜长石含量为30 %，板状，负突起低，无色透明，正交偏光干涉色一级灰，格字双晶纹阴暗相间分布。斜长石含量为25 %，他形粒状～半自形长条状，粒径最大达3.5 mm，表面浑浊，有蚀变现象，呈绢云母化。正突起低，单偏光下无色，正交偏光下具有聚片双晶纹，干涉色一级灰，斜长石斑晶有弯曲现象，说明岩石曾处于强烈的区域应力条件。半自形-他形石英含量为10 %，他形粒状、港湾状，粒径大小为2～3 mm，无解理，正突起低，单偏光下无色透明，正交偏光下波状消光，干涉色一级灰，石英常以包含物的形式出现在两个长石之间，另外石英与白云母可在正长石和斜长石中见到。钾长石不等粒均匀分布，粒径大小2～5 mm，表面浑浊，已蚀变为高岭土、绿帘石、白云母和高岭石，含量大致为5 %，另零星分布绿泥石、黑云母、黄铁矿、方解石等约占5 %，斑晶和基质成分相同，3～5 mm大小的斑晶分布在细小-中等基质之间[3]。

1.2.2 样品编号S020-5-1

具细粒-中粒变晶结构，片麻状构造。矿物有石英、钾长石、斜长石、绿泥石、白云母、少量黑云母、绿帘石、方解石、白云石、菱铁矿、赤铁矿、磷灰石等。微斜长石、正长石，次要矿物主要有绿泥石、绢云母、方解石。赤铁矿、锆石、磷灰石、菱铁矿、白云石是副矿物。其中石英含量为40 %，他形粒状、港湾状，无解理，正突起低，单偏光下无色透明，正交偏光下波状消光，干涉色一级灰，部分粒状石英条带状分布，颗粒大小不同，从非常细小到1 mm，石英呈他形细粒状集合体分布于长石间，颗粒边缘略显缝合线状接触。斜长石含量为30 %，他形粒状～半自形长条状，粒径大小从0.3～1.2 mm，有蚀变现象，部分或全部蚀变为绢云母、高岭石和绿泥石，正突起低，单偏光下无色，正交偏光下具有聚片双晶纹，干涉色一级灰。正长石含量为20 %，半自形，板状，粒径大小从0.3～1.2 mm，负突起低，常见一组不完全发育的解理，单偏光下无色透明，表面浑浊，糙面明显，正交偏光下干涉色一级灰，部分见不规则裂纹被方解石交代，表面绢云母化。微斜长石含量为3%，板状，负突起低，无色透明，正交偏光干涉色一级灰，格字双晶纹阴暗相间分布。黑云母含量为1 %，半自形，薄片状，正突起中，无解理或见一组较发育的波状解理，单偏光下呈绿色或褐色，正交偏光下呈浅绿、褐绿、褐红、黄绿、蓝等多种干涉色。绿泥石、绢云母、微斜长石及绢云母约占4 %。从薄片得出该岩石以脆性变形为特征，受到应力断裂的石英和呈线理定向排列的黑云母(长达1.3 mm)，说明此岩石曾处于较高的应力状态[4]。可见图2显微镜下所示。

(a)样品编号S020-1

(b)样品编号：S020-5-1

2 力学实验部分

2.1 环境扫描电镜分析

试验采用美国Quanta450型号的环境扫描电子显微镜，断口背面磨平，厚度0.5 cm左右，断口面积取2 cm2左右，将试样用导电胶粘于样品台上，置于真空喷涂仪中，喷涂金膜后上镜。

张裂、剪切及张剪复合型断口是依据在室内单轴抗压试验所获得的岩石断裂面在扫描电镜下的性质及其所表现的形貌，参照金属断口分析图谱分析[5]。本次试验岩样破坏形式均为拉裂破坏和拉裂剪切复合型破坏。

2.1.1 张裂断口

(1)在张应力的作用下，如果结晶颗粒的结合力大，则晶间胶结作用减弱或解理面脆化，晶间和解理面被拉开。结晶角明显。晶体上没有岩石和碎片的堆积。弱化的材料有时是破碎的，分布在晶体颗粒之间。

盆因拉隧道二号横洞中单轴抗压试验样品的破坏为拉裂破坏，断口扫描图片如图3(a)和图4(a)，为沿晶拉花。

(2)穿晶拉花，如果结晶颗粒强度小于胶结物时，颗粒本身常被拉断。石英晶体断面不规则，晶体整体形态不明显，呈贝壳状断口，并有少量碎片散布。如图3(b)图4(b)。

(3)在结晶度差、力和方向变化的岩体中，经常出现台阶状的构造，裂缝呈阶梯状，顺序边缘的边缘角明显，台阶上散布较大的岩石，如图3(c)图4(c)。在剪切应力作用下也发现这种台阶断裂，但岩石粉体大多位于块体运动的一侧。即台阶下堆积。

(a) 沿晶拉花

(b) 穿晶拉花

2.1.2 剪切断口

(1)沿晶面擦花，由于相对剪切滑移，晶体表面或解理表面沿运动方向被划伤，或者沿着相同的一般方向沿着晶体表面发现错误的裂缝。晶间材料被摩擦成岩石粉末并堆积在低洼或交错的间隙中[6]。

(a) 沿晶拉表

(b) 穿晶拉表

(2)切花，抹花。当晶体表面或解理面与剪切方向有一定的交点时，晶体往往被切断，角磨损，有的部分也会产生解理表面的擦除。

(3)擦阶花样，岩石被切割错开，断裂面呈阶梯状或后退台阶状，并伴有划痕。岩石粉主要集中在试块的前侧。

(4)整平断口花样，在强烈的剪切应力作用下，断裂被剥离和平整，晶体不清楚。断裂面上分布有大量糜棱岩粉末，划痕和反台阶明显。

2.1.3 张剪复合型断口

断口形貌特征介于张裂断口与剪切断口之间，构成复合型形貌花样。图中部断口为剪性，见有明显擦痕；其余部位分别为穿晶拉花和拉裂岩片。

2.2 应力实验

力学实验部分主要是三轴应力实验，岩石三轴试验是在三向应力状态下，测定和研究岩石变形和强度特性的一种试验。

根据应力组合的方式，可分为两种情况：

(1)横向等压三轴压缩试验(σ1>σ2、σ2=σ3)；主要研究围压(σ2=σ3)对岩石变形、强度和破坏的影响，测量岩石三轴的抗剪强度指标。

(2)三轴不等应力试验(真三轴，σ1>σ2、σ2>σ3)，重点研究中间应力σ2的影响。通过大量的实验研究，σ2对岩石的三轴极限强度和变形有影响，但其效果比σ3小得多。但对于各向异性岩石，当弱平面垂直于中间主应力时，σ2对岩石强度的影响可达到约20 %。为了确定岩石的极限应力圆包络，应同时确定岩石的单轴拉伸强度和单轴抗压强度[7]。

实验数据记录如表1～表4所示：

由以上实验数据所得，得出岩样1和岩样2在饱和和干燥状态下的应力-应变曲线图，以上数据和下图5应力应变曲线得到岩样在应力状态下应变的发展情况，得出其弹性模量及破坏的临界值。

表1 单轴实验和声波数据记录

纵波基值/us横波基值/us实测P值/us实测S值/us纵波时差/(us·m-1)Vp/(m·s-1)横波时差/(us·m-1)Vs/(m·s-1)弹性模量/MPa泊松比纵横波比22.48 41.50 10.42 17.20 211.0 4739.9 348.2 2871.5 53604.0 0.210 1.65122.48 41.50 10.42 17.90 198.7 5032.6 341.3 2929.6 57607.6 0.244 1.718 22.48 41.50 10.22 17.80 194.1 5152.6 338.0 2958.4 59389.0 0.254 1.742 22.48 41.50 9.32 17.00 179.1 5583.7 326.7 3061.2 65005.6 0.285 1.824 22.48 41.50 9.12 15.90 171.6 5826.8 299.2 3342.1 75886.1 0.255 1.743 22.48 41.50 9.12 16.80 174.1 5744.5 320.7 3118.5 68514.9 0.291 1.842 22.48 41.50 9.92 17.80 193.4 5170.4 347.0 2881.5 57983.2 0.275 1.794 22.48 41.50 10.32 17.40 201.9 4953.5 340.4 2937.9 57552.5 0.229 1.686 22.48 41.50 10.42 18.60 201.1 4973.1 358.9 2786.0 54488.6 0.271 1.785 22.48 41.50 9.02 16.50 174.4 5735.0 319.0 3135.2 69543.6 0.287 1.829 22.48 41.50 9.02 15.10 172.2 5806.0 288.3 3468.2 80932.9 0.223 1.674 22.48 41.50 8.82 14.80 172.2 5806.1 289.0 3460.1 80715.2 0.225 1.678

表2 三轴实验和声波数据记录

纵波基值/us横波基值/us实测P值/us实测S值/us纵波时差/(us·m-1)Vp/(m·s-1)横波时差/(us·m-1)Vs/(m·s-1)弹性模量/MPa泊松比纵横波比6.40 11.80 15.50 24.00 285.9 3497.8 442.7 2258.8 31533.9 0.142 1.549 6.40 11.80 11.80 16.00 221.7 4510.3 300.7 3326.0 53934.8 (0.096)1.356 6.40 11.80 13.95 20.20 261.3 3826.4 378.5 2642.2 39389.4 0.044 1.448 6.40 11.80 13.20 19.90 243.7 4103.7 367.4 2721.7 44545.9 0.107 1.508 6.40 11.80 13.40 23.60 256.2 3902.8 451.3 2215.7 33721.9 0.262 1.761 6.40 11.80 12.10 18.20 236.1 4236.3 355.1 2816.1 47994.3 0.104 1.504 6.40 11.80 11.90 17.90 227.7 4392.5 342.5 2919.8 51339.8 0.104 1.504 6.40 11.80 11.80 22.70 234.7 4260.2 451.6 2214.1 35124.5 0.315 1.924

表3 岩样密度记录

表4 岩样抗拉强度记录

3 结论

岩石岩性及其应力状态的研究不仅对于岩体力学研究的重压内容，也是地质工程领域一个重要的研究内容。该盆地位于西藏雅鲁藏布江流域。地应力测量表明，隧道处于高构造应力场。在高地应力区，隧道施工极易发生岩爆等地质问题[8]。研究隧道围岩的微观结构特征及其在构造应力状态下的微观变形特征，本文通过室内试验对隧道围岩宏观力学特性进行了分析。微观分析主要是对岩样薄片的观察，分析其矿物组成、含量、相关特性，完成岩样的微观分析及鉴定工作。力学实验主要是环境电扫描分析和三轴应力实验，采集相关数据，分析岩石在高应力状态下的变形和抗压抗拉强度，为工程建设提供参考依据。该试验的创新之处在于通过研究岩石的微观结构特征与其宏观力学性能的关系。岩石在高应力状态下受到破坏这一内容，这是工程建设中常见的问题，希望能对以后相关问题有借鉴意义。