不同种类片岩耐崩解特性试验研究*

芦涌峰，侯克鹏，孙华芬，孙 伟，蒋 军

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室，云南 昆明 650093)

0 引言

片岩广泛分布于曼家寨矿区东帮边坡，其物理力学性质决定该边坡在开挖过程中的安全和地质灾害防治措施的实施。受风化作用、岩石自身性质及地质环境等因素影响，露天矿边坡表层片岩因温度变化和雨水入渗，易发生风化崩解，导致边坡表层局部区域岩体强度降低[1-4],局部台阶边坡出现浅层垮塌，因此，片岩的崩解特性对东帮边坡稳定性及安全生产尤为关键。岩石的耐崩解特性研究一直受到国内众多学者的关注，主要集中在以下3方面：

1)在宏观及微观崩解机制方面，一些学者通过开展岩石崩解试验分别从水理性质、崩解残留物质量等宏观条件下描述崩解过程中的变化规律[5]。同时采用CT扫描等技术手段研究软岩的物质组成成分和裂隙发育程度来解释崩解内在因素。刘小红等[6]，柴肇云等[7]，曹运江等[8]分析岩石耐崩解性差异产生机理，并得出岩石崩解与孔隙结构和内部成分含量相关的结论。

2)在软岩崩解颗粒方面，许多学者引入分形理论分析软岩崩解过程中的颗粒粒度变化，计算出分形维数来描述软岩崩解过程，提出多种基于质量的分形分布模型，并指出岩石崩解是其内部微裂隙不断萌生、发育、扩展、贯通及破碎成小块度的结果[9-10]。

3)围绕岩石所处环境特征，众多学者从气温变化和溶液环境开展研究。邓涛等[11]分别对同一风化程度的泥质页岩进行不同pH溶液中的静态崩解试验和耐崩解试验,得到pH值变化对泥质页岩崩解的影响规律。张先伟等[12]针对某地玄武岩残积土,考虑当地高温及低温的气候影响,设计室内崩解试验,建立反映气候影响的干湿循环过程与崩解率、崩解速率的相互关系。

以上针对砂岩、泥岩崩解的研究集中在宏观和微观机制方面，但很少有学者对片岩开展崩解特性的研究，且在实际工程中，同一边坡不同区域的片岩的物质组成成分存在差异，因此对不同种类片岩的耐崩解特性进行研究显得尤为重要。本文通过对曼家寨东帮边坡3种片岩的耐崩解性试验，结合薄片鉴定分析结果，研究3种片岩崩解物形态特征和耐崩解性指数的变化规律，同时探讨3种片岩崩解差异性产生的机理和崩解模式。室内耐崩解试验可以较好模拟边坡受风化作用影响所造成的岩石软化、崩解等劣化过程，研究结果对曼家寨东帮片岩边坡安全生产具有一定的参考价值。

1 片岩耐崩解试验

1.1 研究对象概况

以曼家寨东帮边坡片岩为研究对象，根据现场调查及地质勘查资料，该边坡不同区域的片岩特性有所差异，岩性主要为石英云母片岩、云母石英片岩及绿泥石化片岩，呈强风化状，碎裂结构，工程特性差，3种片岩在边坡坡面的分布区域如图1所示。边坡在开挖和卸荷作用下，岩体易出现崩解碎裂现象[13]，为研究曼家寨东帮边坡片岩的崩解特性，在边坡上采集3种片岩试样开展耐崩解性试验，取样点位置如图1所示。片岩为典型片理岩石，以其特有的片理构造区别于层理或层状岩石，造成其破坏机制区别于常规意义上的层理或层状岩石[14]。本文选取3种不同表观特征的片岩，通过薄片鉴定分析结果可得不同片岩内部物质成分和岩石结构特征，分别如表1和表2所示。

表1 3种片岩主要矿物成分Table 1 Main mineral components of three kinds of schist

表2 3种片岩结构特征Table 2 Structural characteristics of three kinds of schist

1.2 试验过程

岩石的耐崩解性是指岩石抵抗软化和崩解的能力，根据DL/T 5368—2007《水电水利工程岩石试验规程》(以下简称《试验规程》)，并结合东帮边坡岩性分布特征，试验过程如下：将试样置于烘干箱中(温度设定为110 ℃)烘干12 h后取出并冷却至室温称量，记录试样重量，然后置于水槽中静置12 h使其充分饱水；将饱水后的试样放入耐崩解仪中开始试验。试验结束后将试样取出置于烘干箱中烘干12 h后称量，即完成1次“干12 h-湿12 h-干12 h”的崩解循环。

1.3 试验计算方法

《试验规程》中定义岩石的耐崩解性指数为试件在经历干燥和浸润2个循环后，试件残留质量与原质量的百分比[15]。露天矿边坡在自然环境中，降雨与日晒对应于浸润和干燥2个状态，但是矿山边坡岩石不仅仅只经历2个周期的降雨与日晒，所以在试验中用2组循环后的数据指标来确定岩石耐崩解指数是远远不够的[16]。基于上述考虑，将耐崩解循环次数增加为N次，按式(1)计算岩石耐崩解性指数：

(1)

式中：IdN表示岩石(N次循环)的耐崩解性指数,%；md表示原试样烘干质量，g；mN表示第N次循环后残留试样烘干质量，g。

本试验将岩石试样经历的干湿循环次数设计为6次。

2 试验结果

2.1 崩解循环对不同种类片岩形态变化影响

2.1.1 石英云母片岩

石英云母片岩，在经过1，3，6个标准循环的过程中，岩块主体剥离崩解，其崩解物呈块状、片状和颗粒状。随着循环次数的增加，岩样棱角逐渐磨圆，崩解物的粒径总体上呈减小趋势。图2为石英云母片岩初始形态及经历不同次数循环后岩样残留块体形态。

图2 石英云母片岩初始形态及残留块体形态变化Fig.2 Initial morphology and morphological change of residual blocks of quartz mica schist

2.1.2 云母石英片岩

云母石英片岩，在经过1，3，6个标准循环的过程中，岩块主体表面有多条裂纹产生。到循环后期岩块主体沿着原先的裂隙开裂剥离崩落，崩落物为片状。图3为云母石英片岩初始形态及经历不同次数循环后岩样残留块体形态。

图3 云母石英片岩初始形态及残留块体形态变化Fig.3 Initial morphology and morphological change of residual blocks of mica quartz schist

2.1.3 绿泥石化片岩

绿泥石化片岩，在经过1，3，6个标准循环的过程中，岩块主体表面无裂纹。岩块主体崩落剥离5个小碎块，粒径约1～6 mm，岩块棱角磨圆，岩块主体表面无裂纹。图4为绿泥石化片岩初始形态及经历不同次数循环后岩样残留块体形态。

图4 绿泥石化片岩初始形态及残留块体形态变化Fig.4 Initial morphology and morphological change of residual blocks of chlorite schist

2.2 循环次数对耐崩解性指数影响

岩石耐崩解性试验结果如表3所示，3种片岩耐崩解性指数与循环次数关系曲线如图5所示。

表3 岩石耐崩性试验结果Table 3 Test results of rock disintegration resistance

图5 3种片岩耐崩解性指数与循环次数关系曲线Fig.5 Relationship curves between disintegration resistance index and number of cycles of three kinds of schist

依据图5可知，Id和N之间呈线性关系，且相关性比较高，关系表达式为Id=aN+b(式中a和b为系数)，从图中可知在相同干湿循环次数作用下，绿泥石化片岩的耐崩解指数最高，云母石英片岩耐崩解指数居于中间，石英云母片岩耐崩解指数最低。结合上文所述3种片岩的物质组成成分比例存在差异性，这表明片岩的耐崩解指数受其矿物组成成分的影响，因此在探讨同一边坡3种片岩的崩解机理时，需结合其矿物成分特征分析。

3 崩解残留物形态特征及崩解模式

对图2～4中片岩崩解残留物进行形态分析，结合崩解物形态划分[17]，根据片岩崩解物自身的特征，将其形态划分为3种形式：第1种为岩石在初次循环中表层岩石剥离破坏，崩解物为薄片颗粒状，粒径1～6 mm；第2种为顺片理面破坏时，崩解物呈片状物,厚度5～20 mm，长度20～50 mm；第3种为在片状崩解物基础上的次生劈裂破坏，呈块状，粒径约10～20 mm。

依据上述崩解物形态种类，片岩的崩解模式有：表层剥落、顺节理面劈裂、次生劈裂。根据崩解模式可知，3种片岩的崩解模式示意图分别如图6、图7和图8所示。

图6 石英云母片岩崩解模式示意Fig.6 Schematic of disintegration mode of quartz mica schist

图7 云母石英片岩崩解模式示意Fig.7 Schematic of disintegration mode of mica quartz schist

图8 绿泥石化片岩崩解模式示意Fig.8 Schematic of disintegration mode of chlorite schist

通过3种片岩崩解模式示意图可知，石英云母片岩的崩解模式有表层剥落、顺节理面劈裂和次生劈裂3种模式，云母石英片岩的崩解模式有表层剥落和顺节理面劈裂2种模式，绿泥石化片岩的崩解模式为表层剥落模式。

岩石的破坏过程实质上是微裂隙的扩展过程，根据断裂能量消耗原理，裂隙的扩展路径总沿着弱面[18]，因此片岩在崩解过程中的岩崩解破坏沿着片理弱面方向发展。片岩内部的片状白云母与石英晶体之间的接触界面，即孔隙大小为片岩的崩解提供通道，同时孔隙大小决定着3种片岩的崩解能力。

4 片岩耐崩解性差异产生机理分析

岩石内部孔隙度这一微观结构的损伤是引起片岩崩解的内在因素，本文结合孔隙损伤理论从微观角度对3种片岩崩解差异性产生机理进行分析。在微观上片岩由石英等坚硬部分、云母等软弱部分和孔隙缺陷3部分构成[19]，因此可将片岩微观结构概化成以下模型，如图9所示。

将表1中不同种类片岩的白云母与石英比值绘制成关系曲线，如图10所示，通过曲线图可知石英云母片岩中云母的成分含量最高，绿泥石化片岩中云母的含量最低，又因片岩的孔隙率与云母矿物含量及生长规模呈正比关系[20]，即石英云母片岩的孔隙率>云母石英片岩的孔隙率>绿泥石化片岩的孔隙率。

图10 不同种类片岩云母及石英含量比值曲线Fig.10 Curves of ratios between mica content and quartz content of different kinds of schist

结合上述概化模型及3种片岩孔隙率大小关系，同一边坡3种片岩的微观结构概化模型如图11所示。

图11 3种片岩微观结构概化模型Fig.11 Generalized models of microstructures of three kinds of schist

根据3种片岩微观结构概化模型，同时结合图10中3种片岩云母石英比值，得到3种片岩孔隙空间体积关系如式(2)：

V1>V2>V3

(2)

式中：V1为石英云母片岩孔隙空间体积；V2为云母石英片岩孔隙空间体积；V3为绿泥石化片岩孔隙空间体积。又因岩样中的孔隙度n为式(3)：

(3)

式中：V孔为孔隙空间体积；V岩为岩样体积。

当所取岩样体积相同时，根据上述式(2)和式(3)可知：

n1>n2>n3

(4)

式中：n1为石英云母片岩的孔隙度；n2为云母石英片岩的孔隙度；n3为绿泥石化片岩的孔隙度。又因孟祥喜通过研究以孔隙度构建的损伤本构关系为式(5)[21]：

(5)

式中：n为岩石不同时刻的孔隙度；Dn为以孔隙度n为损伤变量的损伤因子。

结合式(4)和式(5)可知3种片岩以孔隙度为损伤变量的损伤因子相互间的关系，见式(6)：

D1>D2>D3

(6)

式中：D1为石英云母片岩的损伤因子；D2为云母石英片岩的损伤因子；D3为绿泥石化片岩的损伤因子。

从式(6)中可知，石英云母片岩的损伤因子最大，云母石英片岩的损伤因子次之，绿泥石化片岩的损伤因子最低。

通过上述孔隙损伤分析可知，孔隙度高的岩石其损伤因子越大，其力学性能越差，抵抗崩解的能力越弱，因此同一边坡3种片岩呈现出一定的崩解差异性。由于石英与云母的含量影响着该种片岩初始孔隙度的大小，能够进一步决定岩石损伤因子的大小，可得出岩石孔隙这一微观损伤是决定岩石崩解能力的内在因素。

5 结论

1)在进行片岩耐崩解试验中，对片岩进行的干湿循环次数会对其崩解能力产生影响，结果表明：片岩的耐崩解性指数随循环次数N的增加而降低,在相同循环次数下，同一边坡不同种类片岩的耐崩解性指数有以下关系：绿泥石化片岩>云母石英片岩>石英云母片岩。

2)室内耐崩解试验可以较好模拟边坡受风化作用影响所造成的软化、崩解等劣化过程，试验结果对曼家寨东帮片岩边坡安全生产有一定的参考价值。

3)通过片岩崩解物形态种类分析，片岩的崩解模式有：表层剥落，顺节理面劈裂，次生劈裂。

4)通过孔隙损伤分析可知，孔隙度高的岩石其损伤因子越大，其力学性能越差，抵抗崩解的能力越弱，岩石孔隙这一微观损伤是决定岩石崩解能力的内在因素，从而同一边坡3种片岩呈现出一定的崩解差异性。