千枚岩饱水状态下软化效应试验分析

2021-04-22蔡国军程宇航赵大安冯伟强

科学技术与工程 2021年8期

蔡国军，程宇航，仲闯，贾俊，赵大安，冯伟强，周扬

(1.成都理工大学，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.成都理工大学，地质工程国家级实验教学示范中心，成都 610059； 3.中国地质调查局，西安地质调查中心，西安 710054)

在地质作用过程中，矿物在水岩作用下会发生物质成分的交换，尤其对于某些软变质岩而言，在水作用下其力学性质将大幅度下降，内部微裂纹扩展极其明显。近年来，为了对地质灾害风险作出评价并且找到影响滑坡滑动的控制性因素，众多学者研究了岩石在不同遇水情况下的力学性质的变化规律。赵建军等[1]设计了不同饱水时间下的常规三轴压缩试验，发现千枚岩力学特性随着饱水时间增加逐渐降低至70 d时趋于稳定；刘镇等[2]建立了红层软岩的微观结构模型，分析了红层软岩软化过程中微观结构的演化；邓华锋等[3]对砂岩进行浸泡-风干循环水岩作用，发现水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应相比完整岩样更加明显；赖远超等[4]通过研究红层泥岩在干湿循环作用下的剪切蠕变特性，发现饱水-湿水循环次数会影响剪切蠕变曲线的“台阶”现象；黎康平等[5]以西域砾岩为研究对象，分析了边坡坡脚软化对边坡破坏模式的影响程度；White等[6]以岩石含水量为基础，探讨了水对岩石力学特性的影响；Yu[7]通过对不同围压下干燥试样与饱和试样的力学参数进行比较，得出千枚岩是一种水敏性岩石并且受围压影响；金俊超等[8]基于H-B准则，通过常规三轴压缩试验提出了一种适用于大量软硬岩的应变软化模型；Feng等[9]通过水与岩石的化学作用得出砂岩的剪切摩擦系数取决于离子浓度和酸碱度；Liu等[10]基于重整化处理分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据；Chen 等[11]通过力学试验发现层理方向对千枚岩的释能机制和损伤破裂演化机制影响不大，而其储能和释能机制则对含水状态的变化比较敏感；Chen等[12]对不同层理角度的黑色页岩进行三轴压缩试验，得出了其强度各向异性系数随着围压的增加而降低；郑达等[13]利用扫描电子显微(scanning electron microscope，SEM)观察千枚岩断口的微观形貌特征，揭示了绢云母千枚岩的切晶擦花剪切破裂和硅质板状千枚岩的沿晶断裂的拉断破裂形式。岩石的微变形与其宏观破裂存在紧密联系，分析其宏观破裂必须从微观破裂[14]开始，这样才能够更好地对比其破坏前后状态变化，由此结合工程实际问题对地质灾害点进行防护与治理。

千枚岩遇水软化现象在陕南地区尤为严重，这是造成边坡灾变的关键所在。现有研究仅仅是通过单一试验分析千枚岩的力学性质，现以陕西省略阳县菜籽坝楔形块体千枚岩为研究对象，分析千枚岩在不同浸水时间下的剪切破坏情况，利用SEM试验观察其断口和裂纹，探讨其微观破裂情况与宏观力学性质的差异，为研究水对陕南软变质岩区边坡岩体力学性质的影响提供理论支撑。

1 滑坡地质条件与矿物分析

所选地质原型位于略阳县城西北侧，马蹄湾镇南部，坡体位于县道“X222”旁，交通方便。该地灾隐患点地理坐标为33°26′42.35″N，106°02′32.70″E，高程692 m，威胁下部过往车辆(如图1所示)。该滑坡由于节理裂隙发育及风化作用，坡体破碎，下部堆积大量强风化千枚岩碎块石；主滑方向60°，向外倾角26°，坡体走向330°。此处常年雨水较多，年均降水量826.2 mm，7—9月降水约占全年降水量的50%以上，因此，在7—9月这段时间内高强度降雨量易激发滑坡、泥石流等地质灾害。试验选取菜籽坝楔形块体滑体部位的浅表层新鲜千枚岩为研究对象。根据X射线衍射分析试验结果，所取岩样中云母占13%，绿泥石和石英占主体部分，分别为47%和36%，另外还含4%的斜长石，其矿物成分衍射图如图2所示。千枚岩的3.337 5 nm(对应于绿泥石)，7.064 6 nm(对应于石英)，9.966 6 nm(对应于云母)，14.140 1 nm(对应于斜长石)等特征衍射峰非常明显，峰形尖锐，表明其含量大。

图1 现场地质条件Fig.1 Field geological condition

2 试验设计

为研究在不同浸水时间下的千枚岩的剪切破坏特性，将现场取回来的岩样制成50 mm×50 mm的标准试样。千枚岩裂缝的扩展不仅与受力条件有关，还受加载方向，层理位置因素的影响，因此试验加载均垂直于层面方向，为防止某些试样内部微裂纹较为发育，试验前利用声波仪测试试样波速，选取波速大小一致的试样进行试验。将试样没入水中进行浸泡，包括以下状态：天然状态、饱水1、3、7、14、21 d。每一次浸泡完成后，采用电脑控制全自动双剪试验仪器在法向应力1、2、3、4、5 MPa下对试样进行直接剪切试验，总共进行6组试验，每组分为5个试样，具体试验方案如图3所示。

图2 千枚岩矿物成分衍射图Fig.2 Diffraction pattern of mineral composition of phyllite

图3 试验设计Fig.3 Test design

3 软化效应分析

3.1 岩石力学特性及破坏特征分析

根据试验设计方案进行千枚岩在不同浸水时间下的岩石直剪试验分析，岩样分别浸水：0、1、3、7、14、21 d，每隔24 h称重1次，浸水14 d以后岩样质量仅有微小变化，说明此时岩样已饱和。各个试样破坏时的峰值应力如表1所示。

在不同法向应力的情况下千枚岩的总体剪切破坏情况类似，但是随着浸水天数的增加，其峰值后剪应力存在突然下降[15]的现象。观察不同浸水时间下的千枚岩力学参数表：随着浸水时间的增长，峰值应力逐渐下降；岩样的内摩擦角及黏聚力随着浸水时间逐渐降低，在浸水14 d以后变化较小，逐渐趋于稳定；在同一浸水条件下，随着法向应力的增大，试样的峰值剪切应力也逐渐增大；由于岩石结构面的剪切破坏会释放能量，所以当结构面上的突起被剪断时，其峰值应力可能会突然下降。在不同法向应力下千枚岩的剪应力-剪切位移曲线变化情况相像，选取典型曲线如图4所示。

表1 力学参数表Table 1 Mechanical parameter table

图4 法向应力4 MPa下剪应力-剪切位移曲线Fig.4 Shear stress-shear displacement curve under normal stress of 4 MPa

观察试样破坏情况，发现在同样法向应力下，随着浸水时间的增长，岩样被剪坏后会更加松散破碎(图5)。由岩样剪切面的破坏情况可见，剪切面上可以观察到大量岩粉，这种现象在0、1、3、7 d的浸水条件下尤为明显，这是因为在浸水初期，试样内部较密实，剪切破坏时颗粒间的摩擦力较大，产生较多岩粉；在浸水时间达到14、21 d时，试样重量变化不明显，此时已完全饱和，内部矿物与水产生物质交换，其孔隙扩大的同时矿物颗粒发生磨圆效应，其剪切破坏主要以矿物颗粒之间的滑动为主，因此剪切面上的岩粉明显减少。

图5 4 MPa下直剪试样破坏情况Fig.5 Failure of direct shear specimen under 4 MPa

3.2 劣化效应分析

为了更好地反映千枚岩在不同浸水条件下的劣化程度，用式(1)分别计算峰值应力、黏聚力和内摩擦角在水岩作用下的变化幅度，其中T0为天然状态下的岩石力学参数；Ti为不同浸水时间下的岩石力学参数。

Si=(T0-Ti)/T0×100%

(1)

千枚岩峰值应力劣化程度随着浸水时间不同而变化明显，由表1、图6可以看出，在1～5 MPa的法向应力下，其劣化程度总体变化规律相似，都是逐渐增加；在浸水14 d之前法向应力1、2、3、4、5 MPa的剪切应力强度分别下降了24.32%，23.33%，22.55%，18.90%，18.72%；在浸水14 d以后变化则趋近于平稳，这与之前称重得出的试样已经饱和结果相匹配；在法向应力为1 MPa的情况下出现了异常，这可能是所选试验样品本身的问题，后续有待进一步作出补充试验来验证其规律。

图6 峰值应力劣化度与浸水时间关系Fig.6 Relationship between deterioration degree and soaking time of peak stress

在水岩作用过程中，千枚岩的黏聚力和内摩擦角劣化程度明显，总体下降趋势类似，并且两者下降幅度基本持平，如图7、图8所示：浸水14 d前黏聚力下降了21.35%，内摩擦角下降了12.66%；浸水21 d以后其黏聚力下降了60.67%。内摩擦角下降了22.97%；观察二者劣化曲线可以看出，饱水初期劣化程度较弱，后期劣化程度相比之前较大并且内摩擦角劣化曲线趋于平稳。这是因为矿物颗粒之间的胶结程度主要影响其黏聚力大小，由于浸水软化效应，水进入岩样内部孔隙而造成其胶结能力下降；相反，胶结程度不影响岩石内摩擦角，其主要取决于矿物颗粒之间的镶嵌程度以及岩样自身强度的大小。因而黏聚力的劣化程度大于内摩擦角，这与赵建军等[1]研究结果一致。

峰值应力的平均总劣化度[2]在21 d时为39.58%，黏聚力及内摩擦角的劣化度在21 d时分别为60.67%和22.97%，因此，饱水对千枚岩力学参数的影响程度主要为：黏聚力>峰值应力>内摩擦角。

试验结果表明，在浸水条件分别为0、1、3、7、14、21 d的情况下，千枚岩的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随之呈现不同程度的下降。分别对千枚岩3个力学参数进行回归分析，探讨三者在不同浸水条件下的定量关系，具体联系如表2所示。

图7 岩石力学参数与浸水时间关系Fig.7 Fitting curve of rock strength parameter and saturated time

图8 黏聚力和内摩擦角劣化度与浸水时间关系Fig.8 Relationship between deterioration degree and soaking time of cohesion and angle of internal friction

通过分析表2：在1～5 MPa法向应力条件下，抗剪强度与浸水天数的回归方程遵循线性法则，拟合系数R2分别为0.697 8、0.995 0、0.807 6、0.964 2、0.908 7，除去1 MPa条件下存在异常，其余岩样相关性较好，回归方程有效；黏聚力和内摩擦角的回归方程同样遵循线性法则，拟合系数R2分别为0.961 1与0.921 2，均大于0.9，拟合效果较好(如图9所示为拟合曲线)。以上数学分析表明千枚岩抗剪强度、黏聚力及内摩擦角在水岩作用下的响应均为衰减，而且互相之间存在着极大的关系。

表2 浸水天数与力学参数回归分析Table 2 Regression analysis of soaking days and relevant parameters

图9 力学参数回归曲线Fig.9 Regression curve of mechanical parameters

图10 不同浸水条件下的千枚岩SEM照片Fig.10 SEM photos of phyllite under different soaking conditions

3.3 微观结构分析

试验中首先对不同浸水时间条件下的强风化千枚岩进行了直接剪切试验，继而利用扫描电子显微镜(SEM)观察剪断后的千枚岩。图10展示了天然、浸水7、14、21 d的强风化千枚岩SEM照片(分别放大200倍和500倍)，当放大200倍数时视野电磁移动范围为200 μm，放大500倍数时视野电磁移动范围为100 μm，观察照片可以看出：在天然状态下，千枚岩呈现其本身的细鳞片状集合体，分布较为均匀，平坦面有少量的岩粉分布，这是矿物颗粒沿剪切面产生摩擦作用的效果，这与试验后所观察到的现象一致；在浸水7 d的条件下，首先可以观察到其片理面足够发育，这种千枚状构造使得其在剪应力的作用下易于发生剪切破坏，同时发现其在剪切破坏后出现阶梯状的断口，但是分布并不广泛；在浸水14 d的条件下，阶梯状断口分布较为密集，并且由于剪切滑移的出现，矿物颗粒相互摩擦产生的岩粉汇聚于断口附近低洼处；在浸水21 d的条件下，可见少许鳞片状绿泥石及细粒石英不均匀分布，无序穿插于片状绢云母间，并且相较于之前的浸水条件，发现微裂纹数量逐渐增多。

结合千枚岩的矿物组成及SEM分析，千枚岩中绿泥石充填于石英、云母等粗颗粒之间，起胶结作用，并且能够降低裂隙透水性能。根据SEM照片粒径测量结果可以发现：浸水7 d时，绿泥石长轴与短轴方向的粒径均变大，产生不均匀膨胀，千枚岩中原有的微观结构被破坏，可见明显的骨架剥落现象，水沿着层理面附近的裂隙进入岩石内部，孔隙扩张；浸水14 d后，随着软化的继续，岩石内部裂隙扩大，剥落的颗粒进入大孔隙中，使得孔隙总表面积增大，为水对千枚岩的软化提供了便利条件；通过SEM照片可见微观破裂形式包括平坦面花样的断口及沿晶面的擦花破裂[13]，千枚岩中石英含量占36%，可见明显的阶梯状断口，云母薄片状结构松散并且孔隙较多，片状结构在剪切作用下极易产生面-面滑动，从而造成千枚岩抗剪强度降低，岩体结构面也将因此而张开；同时矿物颗粒之间的镶嵌及胶结程度变差，千枚岩黏聚力和内摩擦角均发生劣化，从而引起岩体变形，一旦结构面的抗剪强度降至与剪应力相等，岩体便发生破坏，造成边坡变形失稳。

综上所述，千枚岩宏观力学参数随水分的变化规律与微观结构密切相关。

综合上述试验结果，在不同浸泡时间条件下的千枚岩其抗剪强度以及力学参数有着明显的劣化效应，结合地质原型，分析其主要失稳原因如下。

(1)岩体往往是由不均匀的矿物颗粒所组成，因此其本身的结构使得其内部具有较多的微裂纹和孔隙，并且由于陕南地区降雨较多，千枚岩经过长期的水岩作用，其结构面不是完全平直光滑，水溶液可能会首先腐蚀结构面上的凸起，从而降低结构面两侧的咬合程度；由于水岩作用的浸润，其内部微裂纹逐渐扩大，开度增强，因此千枚岩抗剪强度、黏聚力以及内摩擦角都会逐渐降低，从而引起滑坡灾变。

(2)略阳县的降雨量呈明显的季节性特征，全年降雨量主要集中于7、8、9月，这3个月的降雨占全年降水量的 56.1%，且多以暴雨和连阴雨为主，最大日降水量161.8 mm，最大小时降水量56.5 mm，最大10 min降水量24.7 mm。在雨水的长期浸润条件下，岩体结构面的粗糙度逐渐降低，岩层之间和结构面之间的连接陆续削弱，其自由度及活动度增加，这就加速了岩块由密实状态向碎裂松散状态再到完全松散状态过程的进度，从而使得其本身的强度等力学性质大幅度下降，逐渐劣化，因此岩体浸水软化效应是诱发陕南地区软变质岩滑坡发生失稳破坏的重要因素之一。陕南地区软变质岩在多雨水的气候条件下极易发生变形破坏，黏聚力和内摩擦角的减小是其受雨水侵蚀破坏的关键因素，因此研究千枚岩的浸水软化效应能够为当地的地质灾害防护与治理提供主要的理论支撑。