干湿循环作用下云母石英片岩强度劣化度研究

黄永强，徐光黎，赵德文，李昊熹

(1. 中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

1 研究背景

云母石英片岩分布较为广泛，在区域变质岩分布地区经常可见。秦岭—大巴山是我国十分重要的造山带，主要岩性为典型的变质岩，位于秦巴山脉东部的鄂西北地区盛产区域变质岩，其中又以片岩最为发育，各类片岩占比约60%[1]。鄂西北地区已修建开通的十漫高速公路、襄十高速公路、通省隧道等民生工程，地层岩性以中—强风化绢云母石英片岩为主，在建造和运营的过程中均出现了一定数量的边坡和隧道变形破坏事故，对当地人民群众的生命和财产安全产生很大威胁[2-3]。

岩体长期裸露在空气中会遭受包括太阳辐射、风力吹蚀、雨水侵蚀、雷电等自然营力的综合风化作用，由于岩体是一种非均质多相复合结构的材料，在外界条件的反复作用下，会导致岩体结构的劣化和力学性质变差，甚至会对组成岩石的矿物成分产生分解作用。在雨热气候条件同期的地区，地下水的渗流和天然降水进入地表岩体，同时受外界光热影响，易形成降水—蒸发型干湿循环作用。干湿循环对岩石力学特性的相关研究表明，相比于长时间浸水，反复干湿循环作用下的岩体力学特性衰减作用更为强烈[4]。为探究干湿循环对岩石力学特性的影响，国内外许多学者做了大量的工作，并取得了一定的成果。徐志华等[5]采用波速、单轴压缩和三轴压缩试验，对库岸边坡消落区红砂岩的强度劣化特性及损伤演化规律进行了研究，定量分析了砂岩的强度、波速、孔隙率、粘聚力和内摩擦角等指标。YUAN W等[6]将砂岩放置不同酸碱度环境中进行干湿循环试验，用单轴、三轴试验确定砂岩的粘聚力和摩擦角的劣化效应，并分析了砂岩的主要矿物在酸性、中性、碱性条件下的稳定性。刘新荣等[7]运用SEM电镜扫描技术对干湿循环作用下的泥质砂岩的微细观结构的变化进行探究，并对该条件下的泥质砂岩的莫尔—库伦强度理论表达式进行了修正。LIU X[8]等对三峡库区的泥质砂岩进行室内单轴和三轴压缩试验发现：干湿循环对粘聚力的劣化的影响大于对摩擦角的影响。以上试验研究成果表明：干湿循环作用会对岩石产生不可逆的渐进性损伤，主要表现为岩石的单轴抗压强度、弹性模量、抗剪强度、粘聚力等指标会随干湿循环次数的增加而降低。

不难发现，国内外干湿循环试验多以砂岩、泥岩等沉积岩为主、为数不多的变质岩多是岩质较为坚硬且完整的大理岩，而强度较低的云母石英片岩在干湿循环作用下其岩石强度劣化度演变规律研究鲜有见闻。本文以鄂西北元古宙武当山群云母石英片岩为研究对象，结合针贯入试验，研究干湿循环作用下云母石英片岩的强度劣化度演变规律。

2 试验制备和试验方法

2.1 试验材料

从湖北省在建汉十高铁十堰北站北侧新开挖的高陡岩质边坡的同一区域内采取5组岩性基本一致、表面较为平整规则的岩石样。对试样进行薄片鉴定(见图1)。

图1 显微结构

鉴定结果表明：试样为灰黄色绢云母石英片岩，粒状变晶结构，片状构造。岩石主要矿物为石英(72%)、绢云母(22%)、方解石(3%)、斜长石(2%)、角闪石(1%)。岩石具片理发育，石英、绢云母、斜长石呈不连续性定向排列。绢云母呈片状，一组完全解理，干涉色达Ⅱ级蓝绿，岩石局部连续定向明显。斜长石呈他形板状、粒状，可见聚片双晶及卡纳复合双晶。角闪石为变质残余粒状，局部已蚀变为绿帘石及绢云母。岩体风化程度为强风化，角闪石、斜长石均有蚀变。岩石具硅化。岩石可见后期的方解石脉，方解石两组完全解理，可见聚片双晶，干涉色呈高级白—Ⅳ级浅蓝绿。

对5组试样进行室内常规物理试验，其基本物理参数见表1。

表1 云母石英片岩基本物理指标

2.2 试验仪器

试验采用日本发明的一种便携式仪器——针贯入仪，进行室内实验，如图2所示。

图2 针贯入室内试验

针贯入仪是一种专门测定软岩强度的仪器，已被国际岩石力学协会(ISRM)采纳为岩体强度测试方法，实验表明其测定结果合理有效[9]。他的最佳测定范围为0.5～20 MPa，能够有效地测试出所测范围之内的岩性所代表的完整岩石的强度，力和位移量都能够满足本次试验测试的要求。相比于以往的干湿循环试验测定试样单轴抗压强度时需要采用一组标准试件，不仅制样繁琐，对试样扰动大，而且每一个试样测定一个单轴抗压强度值后便发生破坏。此次引用的针贯入试验具有以下优点：无需制备标准试件，试样长、宽、高分别满足大于20，20，5 cm的标准，表面较为平整规则即可；试验的结果不存在“尺寸效应”；在干湿循环试验中，由于贯入针较细，试验过程中对试样的破坏区域较小，基本上可以忽略其对试样完整性和单轴抗压强度的影响。一块试样可以完成干湿循环试验的整个流程，测定多个不同干湿循环次数下的单轴抗压强度值，直至试件破坏。针贯入仪的具体操作流程和数据处理方法可参考参考文献[10]。

2.3 试验步骤

每次试验通过干湿循环来模拟雨热同期地区岩体的真实赋存条件，采用针贯入仪来测定试样在不同循环次数下的强度变化规律。本次试验试样共有5组，编号SY-1、SY-2、SY-3、SY-4、SY-5，前4组为实验样，SY-5为预留样。干湿循环过程按照《工程岩体试验方法标准》设定。

在试样干湿循环次数达到第0，3，6，10，15次后，试件处于饱和状态下时，先用砂纸抹平试样表面，拭去表层杂质，然后用针贯入仪沿垂直试样片理面方向进行针贯入试验，记录每组试验的贯入力和贯入量。为了消除因矿物组合和排列不均匀对岩石整体强度的影响，应多次测试，取均值，每次试验采用1组测试12次作为针贯入的标准。每次试验时，针贯入点位距岩块边应大于1 cm，两点间距离也须大于1 cm[11]。

3 试验结果与分析

按照试验设计方案，当干湿循环次数达到设定的数量时，立刻对饱和状态下的试样进行针贯入试验，统计分析每组数据的单轴抗压强度最大值、最小值、平均值、变异系数。针贯入试验结果见表2。

表2 针贯入室内结果

为了定量描述干湿循环作用对岩石的损伤程度，引入劣化度概念来对5组试样进行了分析，公式如下：

(1)

(2)

式(1～2)中：Tσi，Tσ(i-1)分别为云母石英片岩单轴抗压强度在第i次和第i-1次干湿循环下的劣化程度；Mσi为试样第i次干湿循环作用下单轴抗压强度总劣化度较上一阶段总劣化度的差值比两阶段循环次数之差[12]；σc0，σci分别为云母石英片岩在第0次和第i次干湿循环作用下的饱和单轴抗压强度；ni，ni-1分别为第i次和第i-1次的干湿循环次数。

云母石英片岩的强度随着干湿循环次数的增加而逐渐降低，对表2中5组试样的数据进行拟合，以干湿循环次数n为横坐标，单轴抗压强度为纵坐标，拟合结果显示试样的单轴抗压强度随着干湿循环次数的增加呈现出幂函数关系，5组试样的相关系数R2的范围在0.948 3～0.986 7之间，相关性较好，拟合关系曲线见图3。

图3 5组试样单轴抗压强度和干湿循环次数的关系

为了探究云母石英片岩的整体强度衰减规律，将5组试样强度数据进行归一化处理：即将每次干湿循环得到的单轴抗压强度值与第0(饱和)次干湿循环的单轴抗压强度值所得到的比值进行拟合，得到云母石英片岩归一化强度随干湿循环次数变化的关系曲线，见图4。

图4 干湿循环次数对归一化强度的影响关系

结合表3和图3～4，可以看出，在水的软化作用和干湿循环的风化作用下，第3次干湿循环后，所有试样强度立刻出现相当明显的下降，强度衰减速度很快，平均衰减幅度达28.9%。但随着循环次数的增多，下降幅度逐渐变小，直至趋于平缓，最终曲线几近于平行横坐标轴。从试样的单轴抗压强度总劣化度来看，实验前期，总劣化度快速增长，到了试验中期，增长速度开始放缓，后期各阶段内的平均劣化度值更是接近于0，可见当干湿循环次数达到一定的数量之后，再进行干湿循环对岩石的单轴抗压强度影响微乎其微。5组试样的强度随干湿循环次数的增加一直呈渐进式下降趋势，经过15次干湿循环，5组试样的总劣化度分别为32.85%、35.56%、39.14%、42.41%和42.54%，平均劣化度为38.26%，说明干湿循环会对云母石英片岩的强度产生较大的且不可逆的损伤。试样强度的衰减与其基本特性和矿物成分的组成有关，云母石英片岩主要由石英等坚硬部分、云母等软弱部分和孔隙缺陷3部分构成[13]，在不断地干湿交替过程中，产生热胀冷缩，岩石内部颗粒间的作用力，如库仑力、范德华力和胶结作用力等都会慢慢减弱[14]，造成岩石整体强度降低。

4 结 论

1)云母石英片岩岩性较软，片理和细微节理等缺陷发育，导致其在取样、制样和试验的过程中都存在很大的困难，故目前对其的力学特性研究相对较少。引入针贯入仪对试样强度进行测定，利用针贯入仪对原样扰动小，不需要对样品进行加工处理，可在对原样几乎不造成影响的基础上获得每次干湿循环后的岩体单轴抗压强度，一个试样即可完成干湿循环试样的整个过程，这极大地保障了试验的连贯性和准确性。试验结果表明针贯入试验在研究干湿循环作用下强风化云母石英片岩的力学特性变化规律上有较好的适用性，有一定的推广应用价值。

2)在干湿循环作用下，云母石英片岩的强度随循环次数的增加呈现渐进式下降，下降趋势总体为先快后慢，第3次循环时，强度平均衰减即达到28.9%，相比于砂岩、大理岩等较为坚硬且完整的岩石，其强度前期衰减速度快得多。当循环次数达15次时，五组试样的强度劣化度分别为42.41%、42.54%、35.56%、39.14%和32.85%，说明干湿循环会对试样产生较大的且不可逆损伤效果，岩体的强度演变符合幂函数变化规律。从总劣化度和各阶段内平均劣化度分析可以看出：随着干湿循环次数的增加，试样强度的下降趋势趋于平缓，当循环次数达到一定数量时，试样的单轴抗压强度将趋于一个定值，不会无限制降低。

3)本次针贯入试验采用垂直层理面进行测定试样的单轴抗压强度，且只试验到第15次干湿循环，15次之后的云母石英片岩力学特性的变化规律及干湿循环作用下平行于层理面的针贯入试验还有待进一步探究。