深埋隧道炭质板岩微观结构及单轴压缩试验研究

2020-02-12谢云鹏陈秋南黄小城

水文地质工程地质 2020年1期

谢云鹏，陈秋南，黄小城，2，罗鹏,3

(1.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201； 2.重庆大学土木学院，重庆 400044；3.湖南尚上建设开发有限公司，湖南长沙 410022)

近年来隧道开挖过程中复杂地质条件隧道围岩稳定性受到广泛关注。炭质板岩属常见典型软岩，其结构呈片状层理结构，在高地应力条件下，表现为挤压流变破坏，使二次衬砌的长期稳定性及耐久性不断劣化，直接影响其服役性能。因此，研究炭质板岩在含水率影响下微观结构及单轴压缩试验破坏特征规律，对工程设计、施工及运营维护具有重要的现实意义。

前人对不同岩石流变特性作出广泛研究。李勇盛[1]对四种不同强度的深埋隧道炭质板岩岩样做单轴压缩试验，得到其轴向变形和侧向变形，随加载应力的增大而逐步出现衰减、稳定和加速形变过程。王更峰[2]通过炭质板岩蠕变试验，随加载应力水平提高，侧向与轴向应变之间的关系由近似线性增加趋于破坏应力水平时的非线性增加。王宇[3]研究软岩及流变力学特性试验，软岩破坏方式无明显脆延转化点，其峰值强度、屈服强度及残余强度均随围压的升高呈线性增大。唐皓[4]在大理石力学特性研究中，得出应力加载速率，对大理岩力学特性及其主要变形发展方式的影响。

由于炭质板岩地层中隧道工程增多，深埋高地应力条件下对炭质板岩的侵蚀作用使形变特性显著，然而目前对深埋隧道炭质板岩单轴压缩试验研究还未有报道。本文从深埋炭质板岩微观化学结构和宏观破碎形态两个角度，对高地应力炭质板岩的单轴力学特性进行分析研究。

1 炭质板岩微观结构分析

本实验岩样选自云南丽香铁路圆宝山隧道长约10.6 km，最大埋深687 m，属深埋隧道，隧道区属剥蚀构造高中山深切河谷地貌，相对高差过千米，岩体卸荷强烈[6-7]。岩体为黑灰色且有显著水平层理面，结构较致密。采集炭质板岩岩样近于长方体，长30～35 cm，宽20～25 cm，高12～16 cm，且均不存在宏观可见裂隙(图1)。

图1 采集岩样Fig.1 Collection of the rock samples

采用D8 Advance型X-粉末衍射仪与SM-6380LV型扫描电子显微镜对炭质板岩进行矿物组成分析[8-11]。制取粉末状岩样和岩石薄片两种样品，岩石薄片沿岩石层理面选取。背散射谱图选取点及能量谱图见图2。

图2 背散射谱图选取点，能谱图和X衍射图谱Fig.2 Selection points of the backscatter spectrum, backscattering spectrogram and the atlas of XRD

扫描电镜背散射发现，岩样表面由Si、O、C、Na、Al、K等元素组成，含少量Fe与Zr。经X衍射分析，岩样中主要有石英，石墨，白云母及钠长石。得到各矿物的含量见表1。

表1 矿物成分含量及性状

岩样主要由石英、白云母、钠长石及少量石墨组成。石英、白云母都具亲水性，钠长石具水溶性，石墨具较好润滑性，故岩样亲水受含水量影响明显。进而探究岩性及微观结构，用扫面电子显微镜进行微观观察(图3)。

图3 扫面电显下的白云母(垂直视图)和岩石微裂隙(岩石薄片侧视)Fig.3 Mica under scanning electron microscope (observation direction) and microfractures of rock (Observation from the side of a thin piece of rock)

岩石薄片侧面有肉眼不可见较长微裂隙，由白云母极完全解理，推断该裂隙为白云母集合体在外力作用下沿结晶方向(水平方向)解理所成。

炭质板岩在风化、沉积及富水等变质作用下，白云母具有沿层理面平行分布的典型特征。白云母单晶体间有沉积物风化作用收缩形成的微孔隙，且在外力作用下，白云母集合体极完全解理而易形成贯穿裂隙。

2 单轴力学特性试验

为避免试验结果离散性过大，所取试样均来自同一岩体。采用水钻法严格按照《工程岩体试验方法标准》制成直径50 mm，高度100 mm的圆柱体试件(图4)。

图4 加工后试件Fig.4 Post processing rock samples

岩样制备后，将其置于无水常态、浸水10 d、20 d及30 d处理并分别标号为DZ-1、DZ-2、DZ-3及DZ-4。

岩石单轴力学特性试验通过不同浸水时长下炭质板岩的全应力应变曲线揭示其强度和变形破坏特征[12-15]。试样分别进行单轴压缩力学特性试验，开展试验均在RYL-600型微机伺服三轴岩石流变试验机上完成(图5)。

图5 RYL-600岩石三轴流变试验仪Fig.5 RYL-600 triaxial rheological test instrument

本次试验采用的RLY-600型微机伺服三轴岩石流变试验机主要技术参数为：最大法向(垂直)试验力600 kN，试验力测量误差≤1%。岩样尺寸Ø50 mm×100 mm，轴向变形测量范围0～5 mm，径向变形测量范围0～3 mm。当荷载、轴向变形、径向变形等参数达到极限值或预设值、试样断裂时均可自动保护。

单轴压缩力学特性试验步骤如下：

(1)装样：用热缩套管将试件与试件两端垫块套紧，热缩套管经电吹风热烘数分钟后能产生收缩并与试件和垫块贴紧，然后安装轴向和环向引伸计，并通过插销安装其他底部和顶部过渡装置，最后将装好的件放入流变仪的台座上，将引伸计与台座上的接口连接好，并通过插销使整个装置与台座固定，使岩样轴线与加载中心重合，避免产生偏心受压(图6)。

图6 安装引伸计后的试件Fig.6 Samples after installation of the extensomete

(2)应变调节：通过调节引伸计上的螺母，观测轴向应变与环向应变是否灵敏正常，若应变无变化，则需要重新装样，或重启试验机。

(3)预压：通过荷载控制方式以10 N/s加载速率对其施加1 kN左右的轴向压力，使设备与试样充分接触。

(4)加载：根据《工程岩体试验方法标准》的加载方式，通过荷载控制方式以100 N/s加载速率施加轴向压力直到试样破坏。

(5)记录：记录试验中应力应变变化情况。

(6)整理：力学试验结束后卸载，取出试件，保存数据，整理仪器。

4种状态下岩石单轴压缩力学特性试验所得岩石应力应变曲线，见图7。

图7 应力应变曲线Fig.7 Stressstrain curve

为清晰地描述岩石变形破坏全过程，对试件DZ-4应力应变曲线分段处理见图7(d)，将其分为4阶段：微空隙与裂隙压密阶段(OA段)，弹性变形至微弹性裂隙发展阶段(AB段)，非稳定破裂发展阶段(BC段)与峰值后阶段(CD段)。

(1)微空隙与裂隙压密阶段：原有微孔隙与裂隙逐渐闭合，形成早期非线性变形段，应力应变曲线呈上凹型。

(2)弹性变形至微弹性裂隙发展阶段：微孔隙与裂隙在前期加载中基本闭合，岩石发生弹性变形，岩石微破裂开始发生与发展，应力应变曲线近似于直线。

(3)非稳定破裂发展阶段：岩石进入塑性变形阶段，B点应力为屈服应力，微破裂发生质变，破裂不断发展，试件由体积压缩转为扩容，D点对应的应力为峰值强度(单轴抗压强度)。

(4)峰值后阶段：试件内部结构破坏，裂隙快速发展，形成宏观破裂面，试件沿宏观破裂面开始滑移，承载力迅速降低，但仍具一定承载力。

由图7可以发现：

(1)试件DZ-1应力应变曲线4阶段不明显，峰值强度前近于弹性变形，随浸水时间增长，试件应力应变曲线4阶段逐渐明显。

(2)随浸水时间增长，峰值点越“平滑”，峰值后应力跌落越慢，脆性越不明显。试件DZ-1的峰值点“尖”，脆性明显，破坏声音很大；试件DZ-4相反。

(3)岩石弹性变形至微弹性裂隙发展阶段整体较长，随浸水时间增长，该阶段逐渐蜕化为微空隙与裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙发展阶段及非稳定破裂发展阶段。

对各试件曲线近似直线段拟合，选取拟合直线两端点及中点对应的轴向应变与侧向应变值，得3次泊松比平均值见表2。

表2 岩石变形参数

深部炭质板岩矿物主要由石英、白云母等亲水性矿物组成，长期水浸作用下：

(1)水的作用表现

①润滑作用(结合水)：矿物中的盐，例如Na[AlSi3O8]溶解，导致矿物颗粒间连结力减小，摩擦力减小。

②水楔作用(结合水)：矿物(石英、白云母)亲水性使水分子吸附于表面，水分子由2个矿物颗粒接触处的吸着力向颗粒缝隙处挤入(图8)。压应力增大情况下，水分子挤入，增大两颗粒间距，矿物微空隙增大，岩石强度降低。

图8 水楔作用Fig.8 Water wedge effect

③潜蚀作用(自由水)：渗透水长期在矿物微空隙中流动，将可溶物质带走，微空隙增大，强度降低。

(2)由炭质板岩含较多白云母，且其具有弹性，主要以岩石层理面方向排列。因此，各试件在峰值前弹性变形阶段最显著。

(3)由水的润滑作用、水楔作用及潜蚀作用，白云母等矿物极完全解理，使岩石微观上微空隙增大。宏观岩石强度减低，随浸水时间增长，岩石破坏由脆性破坏向延性破坏转变。

3 破裂形态宏观分析

4种不同饱水量的炭质板岩试样在单轴压缩力学试验破坏形态见图9。

图9 炭质板岩单轴压缩破裂形式Fig.9 Uniaxial compression fracture form of the carbonaceous slate

从炭质板岩单轴压缩力学试验破裂形式可见[16-17]，水的损伤劣化作用使矿物结构遭到破坏，岩石变“软”。试件宏观破坏形态为脆性断裂破坏，随浸水时间增长，破裂面贯穿试件上下端部，试件破裂程度更明显。由此可得，含水量对炭质板岩破坏形态影响显著，岩体强度随含水率和浸水时长增长而减小。进而对富水炭质板岩实验破坏形态进行研究分析。

从宏观角度看，炭质板岩试样破坏面由DZ1到DZ4逐渐变缓，用绘图工具将破坏面描出，见图10。该试样沿轴向压缩至破碎，破坏面法线和轴线的角度，随饱水度增大而逐渐减小。

基于材料力学理想化模型分析，假定材料内部各向同性，不发生相对摩擦时，将在45°破坏斜面有最大剪应力产生。但考虑富水炭质板岩试样在压缩至临近破坏时，其破裂面间产生相对滑动趋势，相对内摩擦力阻碍上下部分的相对运动[18-19]。在DZ1-DZ4中，水分子改变相对摩擦系数，且相对摩擦系数随浸水时间增长逐渐减小，宏观表现为破坏面法线和轴线夹角逐渐减小，即裂隙变缓，见表3。