云南大开门片区风化板岩力学性质及工程特性研究

2022-10-13寸春发赵永顺郇久阳邱子娟何明明

岩土工程技术 2022年5期

寸春发赵永顺郇久阳邱子娟何明明

（1.云南建投基础工程有限责任公司，云南昆明 650000；2.西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 710048）

0 引言

天然岩体中通常分布有纵横交错的节理裂隙，这使得其宏观力学指标较完整岩石有较大差异[1-2]。板岩具有显著的板状构造，其力学性质具有天然的各向异性[3]。在长期风化、水流侵蚀作用下，不同地质环境下的板岩出现了不同程度的风化现象，通常表现为微、中、强和全风化状态，因此实际工程中板岩的工程特性非常复杂。通常情况下，岩石风化程度越高，其工程性质越差。现有研究中，已有学者针对板岩的力学性质作了许多有益的研究。

李二强等[4]基于室内物理力学试验和数值模拟方法进行了不同层理倾角炭质板岩的巴西劈裂试验，发现板岩的抗拉强度和破坏形态与层理角度有很大关系。宋勇军等[5]基于室内物理力学试验对干燥和保水状态下炭质板岩的力学性质进行了研究，讨论了水对炭质板岩强度和变形特征的影响规律。冒海军等[6]基于单弱面理论研究了板岩岩体抗压强度随结构面方位的变化情况，并讨论了结构面方位对板岩破坏模式的影响。江宗斌等[7]对腐蚀环境下含贯通裂隙板岩的渗透特性进行了研究，发现不同化学溶液对裂隙宽度有截然不同的影响。左清军等[8]通过三轴压缩蠕变试验分析了富水泥质板岩的蠕变力学特性，并提出了考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型。陶志刚等[9]基于现场监测试验对公路隧洞炭质板岩的蠕变变形规律进行了研究，得到了不同含水率下炭质板岩的蠕变规律方程。

可以看出，现有研究已经对炭质板岩的力学性质有了一些阐述，主要关注于裂隙面分布形式、渗流以及含水状态对板岩强度和变形特性的影响。这些研究大多基于室内物理力学试验或者理论模型，并且针对的板岩以微风化或全风化类型为主，缺少对中等风化板岩、强风化板岩力学性质的研究，因此很难全面揭示实际工程中不同风化程度板岩的真实力学行为。

为了弥补现有研究的不足，本研究以云南玉溪某新建大型项目为依托，借助多项室内物理力学试验和原位试验相结合的方式，对中等风化炭质板岩和强风化炭质板岩的基本物理力学指标、力学行为以及工程特性进行了较为全面的研究。本次研究着重讨论了含水率从天然状态提升至饱和状态后炭质板岩力学指标的变化规律，并很好地揭示了炭质板岩力学指标的离散性，研究成果可以为本区域后续类似工程的勘察设计和安全评价提供重要的参考价值。

1 工程背景及地质概况

某新建钢铁厂区项目地处云南省玉溪市大开门区域，该地区位于云南省中部偏西南，地处哀牢山中段东麓，北纬23°38′15″-24°26′05″、东经101°16′30″-102°16′50″，属于多构造复合体系交织的部位。整个区域受自北西向的构造控制，主要构造为北东侧的楚雄-化念断裂（F69）、化念-石屏断裂（F70）和曲江断裂（F65），南西侧的哀牢山山前断裂（F23）和水塘-元江断裂（F27）。厂区处于断裂带之外，与断裂带的距离为5.5～53 km。

该场地基底地层主要为中元古界黑头山组（Pt2hs）炭质板岩，岩层薄厚不均匀，且揉皱现象明显（见图1）。从图1中可以看出，该场地表面岩体裂隙极其发育，理面多成“X”形、“米”形组合状态，完整性很差，部分节理面中存在不同程度的填充物。

图1 地基板岩出露现场照片

经过实地勘查后发现，该场地深部炭质板岩包括中等风化和强风化两类，均属于板状构造。其中，中等风化板岩呈灰黑色，节理裂隙发育一般。其岩芯呈碎块状和短柱状，局部炭化严重，采取率约70%，RQD约15%。而强风化板岩多呈黄褐色，节理裂隙极其发育，裂隙间大多填充灰色黏土，岩芯呈土状、角砾状和碎块状，采取率约50%，RQD均小于2%。现场调查与监测结果表明，在水的浸泡软化、外荷载及挖方卸荷等作用下，在建场地局部地基出现了不均匀沉降，多处边坡体出现滑移破坏等不良作用，对工程建设的安全造成了很大威胁。

2 中等风化炭质板岩力学特性

2.1 岩样制备及试验方案

本节研究对象为中等风化炭质板岩，在工程现场不同位置分别进行钻孔取芯，埋深为30～50 m，岩芯采取率为68%～90%，如图2(a)所示。挑选无可见裂隙、尺寸较长的岩芯在室内实验室进行切割和打磨，并保证岩样端部的平整度满足相应规范的要求。由于完整岩心尺寸参差不齐，最终制成的圆柱型试样的高度为80～120 mm，直径大约为50 mm，与规范中所述标准试样的尺寸非常接近，部分试样见图2(b)。

图2 炭质板岩试样制作过程

为清晰掌握炭质板岩的力学特性，分别从天然和饱和这两个含水状态对炭质板岩试样的力学指标进行讨论。本研究所需天然试样的取样、制作过程均采取专门的密封、保湿和保温措施，所需饱和试样采用水浸结合真空抽气法得到。本次研究中，炭质板岩试样共22组，每组6个，其中天然和饱和试样的数量均为3个。试样制备期间，对炭质板岩试样的基本力学指标进行了详细测定和记录。随后，依次对这些试样进行单轴压缩试验。

本次室内物理试验所采用的设备为YAW-2000型微机控制电液伺服压力试验机（见图3）。该仪器具有精度高、可靠性强以及稳定性佳等优点，最大轴向力为2000 kN，试验力示值相对误差 ≤ ±1%。本次试验采用位移加载方式控制，加载速度设定为0.5 mm/s，共进行132次试验。

图3 YAW-2000型微机控制电液伺服压力试验机

2.2 试验结果分析

2.2.1 基本物理指标

基于试样制作期间记录的数据，整理了22组炭质板岩试样的基本物理指标数值，包括比重、密度、吸水率和孔隙率（见表1）。可以看出，不同炭质板岩试样基本物理指标数值的差异较小，说明本次所取炭质板岩试样的常规物理性质非常接近。天然试样浸水后密度均有所增加，说明天然试样均处于非饱和状态，并且含水率非常接近。

表1 炭质板岩基本物理指标统计表

2.2.2 单轴抗压强度

根据单轴压缩试验的应力-应变曲线，得到不同组炭质板岩试样在天然和饱和两种状态下的单轴抗压强度数据。由于本次试验所用试样的尺寸并不统一，因此非标准尺寸试样的单轴抗压强度数值均按规范要求进行尺寸修正，最终结果整理见表2所示。其中，单轴抗压强度数值为每组试样的平均值，软化系数为饱和试样单轴抗压强度与天然抗压强度的比值。

表2 炭质板岩单轴抗压强度 MPa

从表中数据可知，天然试样的单轴抗压强度为8.10～11.06 MPa，平均9.61 MPa；饱和试样单轴抗压强度为4.58～6.80 MPa，平均5.39 MPa。另外，不同组试样的软化系数为0.47～0.67，平均0.56。上述结果表明，随着试样内部含水率由天然状态增加至饱和状态，炭质板岩试样的单轴抗压强度出现了急剧下降，并且岩体自身软化程度各有不同。

图4给出了不同组炭质板岩试样在两种含水状态下的单轴抗压强度分布图。结合表3和图4可以看出，不同组炭质板岩试样在天然状态和饱和状态下的单轴抗压强度均各不相同，表现出一定的离散性。经过简单计算可知，天然试样单轴抗压强度的标准差为0.96 MPa，而饱和试样单轴抗压强度的标准差为0.49 MPa。这说明，随着炭质板岩试样含水率的增加，其单轴抗压强度的离散性在逐渐降低。结合2.2.1节可知，本次研究中所用炭质板岩试样的基本物理力学指标是非常接近的，因此其抗压强度的离散性必然来源于试样内部的微裂纹分布状态的差异。

图4 炭质板岩试样单轴抗压强度分布图

表3 强风化板岩颗粒分析结果汇总

现有研究[3-4]表明，岩体的力学性质具有明显的各向异性，这一规律通过本节不同组炭质板岩试样的单轴抗压强度分布规律可以很好地体现。一方面，本文研究所依据的基岩构造非常复杂；另一方面，本次物理试验所用试样原本分布于场地多个位置。这两个主要因素使得炭质板岩试样内部微裂纹的组合状态完全不同，最终导致不同试样的单轴抗压强度出现较大差异。另外含水率的增加并不会改变试样内部微裂纹的组合状态，但会影响完整岩块以及微裂纹表面上的强度指标。

2.2.3 破坏模式分析

为分析炭质板岩的破坏机理，图5给出了部分试样经过单轴压缩试验后的破坏图，试样编号为y-1、y-5、y-9、y-13、y-17和y-21，均为天然含水率条件。

图5 炭质板岩试样破坏后照片

从图中可以看出，试样经历压缩过程后均破碎为若干岩块，这些岩块以片状居多，颗粒状的较小。其中，片状岩块表面呈较新鲜状态，部分岩块新露出的表面上存在少许泥渍，并且相邻岩块间基本保持吻合状态。由于本次单轴压缩试验在室内进行，不存在试验完成后将泥渍溅到试样上的可能，因此可以推断节理面上存在的泥渍痕迹为其自身携带的。这说明，这些表面存在泥渍的节理面在进行单轴压缩试验前就已经存在，但通过肉眼却很难分辨。

由于地基中水的渗流作用，部分水和微小粒径土颗粒进入到了岩体的微节理中，残留了部分土颗粒，形成了泥渍痕迹。由于重力作用以及节理面形态和位置的影响，节理面上泥渍痕迹的数量和分布各不相同。另外，部分岩块新露出的节理面上几乎没有泥渍痕迹，这说明这些节理面有很大概率是新产生的。

试样破坏后，大多数新露出节理面的整体倾斜方向与单轴压缩方向的夹角较小，大致为0°～45°，与图1中所示地基出露现场图中所示规律基本一致。勘探过程中，取岩芯的钻孔是垂直于水平地面的，因此可知该工程局部基岩出现了较为明显的褶皱现象。在单轴压缩应力作用下，炭质板岩试样大多表现为压剪破坏，新产生节理面的位置与试样内部微裂纹的分布特征有很大关系。现有研究表明，岩体内节理面的倾角以及其表面粗糙度对其宏观力学性质有重要影响[3-4]，而本文2.2.2节中试样单轴抗压强度的离散性能很好地验证这一机制。

3 强风化板岩物理力学特性

该工程场地中强风化板岩的揭露层为0.50～19.20 m，节理面非常发育，且内部大多含有软弱夹层。本次研究分别基于室内颗粒分析试验以及原位剪切试验对其力学特性进行分析。

3.1 室内颗粒分析试验

采用钻孔取芯的方式获取强风化板岩的样本，典型钻孔结果如图6所示，其中图6(a)和图6(b)分别为不同钻孔的勘探结果。可以看出，强风化炭质板岩质地极其松散，岩芯经机械破碎后呈现为土状、角砾状以及碎块状。将一部分强风化板岩样本（共8个）按规范要求带回室内实验室，并进行颗粒分析试验，结果如表3所示。

图6 强风化板岩钻孔结果照片

从表3中数据可以看出，不同钻孔所取样本的颗粒分析试验结果有很大差异。为了方便后续描述，现将粒径在0.075～2 mm的土颗粒统称为粗中细砂，将粒径在0.075 mm以下的土颗粒统称为粉黏土。

分析发现，碎块石含量的差异最明显，最大相差29.8%；角砾石和粉黏土含量的差异有所下降，最大相差分别为27.8%和13.2%；粗中细砂含量的差异最小，最大相差为7.3%。可知，强风化板岩中不同粒径土颗粒的比例有很强的离散性，尤其表现在较大粒径的碎块石和角砾石上。

根据表3中强风化板岩在不同粒径范围下土颗粒的比例数据，图7给出了不同样本对应的颗粒级配曲线以及平均级配曲线。可以看出，不同强风化板岩样本的级配曲线形态有一定差异，但整体规律基本相似。从平均级配曲线来看，碎块石的平均占比最大，为32.8%；角砾石的平均占比略小，为31.4%；粉黏土的平均占比为28.7%；粗中细砂的平均占比最小，仅为7.2%。因此可知，强风化板岩内部颗粒近似呈现两极分化的状态，其中较大粒径土颗粒的比例比粉黏土略大。

图7 强风化岩石颗粒级配曲线

从颗粒级配曲线形态上来看，粗中细砂对应段曲线局部表现为近似水平状态，这说明该粒径范围土颗粒在强风化板岩内部是缺失的。综上可知，岩石土颗粒的整体均匀性很差。

图8给出了该工程局部强风化板岩出露面的现场图。结合该工程地质勘探资料可知，较大粒径的碎块石和角砾石均属节理面壁岩石。强风化板岩内部节理面错综复杂，无数节理面将岩体切割为不同大小的岩块。由于长期风化和渗流作用，这些节理面间以软弱夹层居多，而砂粒较少。可以看出，岩体中不同位置岩块和软弱夹层的分布具有随机性，而节理面间软弱夹层厚度以及其分布特征是强风化颗粒分析结果出现强离散性的重要原因。由于钻孔取样的缘故，较大尺寸的岩块被钻壁切割，因此实验室条件下最大岩块的尺寸被限制在了50 mm以下。综上可以证实，本次颗粒分析结果与工程现场的实际情况完全一致。

图8 强风化板岩出露面现场图

3.2 原位剪切试验

从3.1中室内颗分实验得到的结果可以看出，强风化板岩的构成已经接近土体。如果将强风化板岩样本带回实验室进行相关试验，其内部天然结构会发生较大变化，最终测得力学指标的准确性会大打折扣。因此，为了真实反映其力学特性，在工程现场对强风化板岩依次进行了3组天然状态和3组浸水状态下的固结快剪试验。

3.2.1 试验方案和流程

本次试验方案依据《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)[10]及《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)[11]中的有关要求进行设定。每组试验的数量为5个，分别对应5种不同法向应力条件。本次试验中，设定作用在试样上的法向应力分别为75 kPa、155 kPa、235 kPa、315 kPa和395 kPa，通过钢结构梁堆重平台间接施加。本次原位试验所采用的剪切盒尺寸为55 cm×55 cm，高度为30 cm。另外，采用千斤顶施加剪切力，并采用压力表记录剪切力数据。强风化板岩原位剪切试验2号试验点的现场布置如图9所示。

图9 强风化板岩原位剪切试验现场布置图

本次原位剪切试验的实施点共有3处，每处场地首先在地下0.5 m深度处依次进行天然状态下强风化板岩在不同法向应力下的固结快剪试验，之后在原位置的0.7 m深度处进行浸水状态下强风化板岩的固结快剪试验。其中，实施不同法向应力的试样彼此相邻一定水平距离。实施不同含水率下强风化板岩原位试验的位置非常接近，这样可以将岩体各向异性的影响降到最低，因此试验结果也更有说服力。

3.2.2 试验结果分析

图10给出了1号原位剪切试验（编号DJ-1-A）在不同法向应力下的剪切应力剪切位移曲线以作代表性说明，试样为天然含水率状态，剪切位移大约为50 mm。从图中可以看出，剪切应力剪切位移曲线大致呈两个阶段，主要以剪切应力峰值点区分。峰前阶段，随剪切位移的增加，剪切应力快速增加，随后增长速率逐渐减缓，直至达到峰值点。法向应力越大，峰前阶段剪切应力的整体增长速率越大。峰后阶段，随着剪切位移的增加，剪切应力逐渐降低，降低速率不大且不受法向应力的影响。

图10 不同法向应力强风化板岩剪切应力-剪切位移曲线（DJ-1-A）

整理强风化板岩试样在不同法向应力下的剪切强度结果，汇总如表4所示。可以看出，随着试样所受法向应力的增加，风化板岩的剪切强度不断增加。图11给出了不同方案下法向应力与剪切强度的对应关系，并采用式（1）所示的M-C准则对数据进行拟合，分别得到抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，结果见图11和表4。

图11 强风化板岩法向应力与剪切强度关系

表4 强风化板岩剪切强度及抗剪强度指标汇总

从图11可以看出，随着法向应力的增加，强风化板岩试样的剪切强度呈线性增加趋势，相关性很好。

这说明，本次原位剪切试验的实施过程和结果均是可靠的，能够反映强风化板岩的真实抗剪强度特性。其次，强风化板岩在浸水后剪切强度有明显降低，降低幅度随着法向应力的增加有增加的趋势。另外，原位剪切试验进行的位置不同，强风化板岩的抗剪强度指标均有所差异但不是很大，进一步反映了岩体力学指标的离散性。

结合表4和图11可以看出，强风化板岩在浸水后抗剪强度指标均有所下降。其中，黏聚力c在1号、2号和3号试验中分别降低16.16%、6.31%和8.08%，平均降低10.18%；内摩擦角φ在1号、2号和3号试验中分别降低5.67%、10.18%和10.89%，平均降低8.91%。整体来看，强风化板岩中含水率的增加对黏聚力c的影响要大于内摩擦角φ。

4 地基岩体工程特性测定

从上文研究可知，中等风化板岩虽然强度不高，但仍属于岩石类，其作为工程地基时承载力通常是足够的。因此，本节仅对其化学特性进行了测定。而对于强风化板岩而言，其质地非常松散，与土的性质类似，工程性较差。因此，本节进一步对强风化板岩的工程特性进行了实地测定，分别从渗透性和承载力这两个方面进行。

4.1 中等风化板岩化学组成分析

本次研究共选取三组炭质板岩岩芯试样进行光谱半定量检测，通过该途径可以准确了解炭质板岩内部的化学组成和各自占比，检测结果见表5。结果表明，炭质板岩中硅（Si）元素的含量最高，为25%以上；其次为铁（Fe）元素，其含量在8.5%～9%；接下来为铝（Al）元素，其含量大于5%；钾（K）和镁（Mg）元素的含量也较高，均超过了1%。

表5 炭质板岩光谱半定量检测数据统计表(ω(B)/(10-2))

由上述结果可知，中等风化板岩含有大量硅酸盐矿物。根据江宗斌等[7]的研究，雨水中含有的酸性物质会通过微裂隙进入岩石内部，并与这些硅酸盐矿物发生反应，造成岩石局部出现溶蚀现象。其他矿物也会在外部腐蚀物质的影响下发生不同的侵蚀反应。总之，岩石在长期侵蚀作用下势必会导致其力学性质不断弱化，而弱化机理与各元素的含量有重要联系。

4.2 强风化板岩渗透性测定

为了了解强风化板岩的渗透性，本次研究对工程场地内5个不同位置的强风化板岩分别进行了试坑渗透试验，具体试验流程按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）[11]的相应要求进行。本次试验采用单环法，直径为50 cm。当供水瓶流出水量稳定后，每隔20 min对其渗流量进行记录，共记录6次。渗透系数采用式（2）进行估算。