祁门县地质灾害及其相似试件力学试验分析

2024-01-05孟繁漪施国栋王轶康林加剑万东林

四川轻化工大学学报(自然科学版) 2023年6期

孟繁漪，施国栋，王轶康,2，林加剑，万东林

（1.安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230601；2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211106；3.安徽大学电气工程与自动化学院，合肥 230601）

引言

皖南山区和皖西山区是安徽省地质灾害两大集中区，其中皖南山区地质灾害点占全省地质灾害点的60.07%，是滑坡、崩塌、泥石流的主要防治区[1]。祁门县所在的黄山市是安徽省地质灾害的重灾区，发生数占全省总数的31.34%。这一带地质灾害点主要分布在浅变质岩区域，千枚岩为该区浅变质岩的主要岩石类型，它以特殊的千枚状片理发育为主要特征，对边坡的稳定性及地质灾害的发生起到了控制作用。杨朝发[2]总结出贵州灾害点多发育在浅变质岩中。郭金龙等[3]提出岩体片理角度对隧道稳定性有较大影响。朱振华[4]发现了片理和边坡的倾向与倾角决定边坡破坏部位进而影响边坡的稳定性。本文以皖南山区黄山市祁门县的千枚岩为研究对象，分析千枚岩的断裂和片理及其相似试件的力学性能，可以为皖南地质灾害防治提供参考。

1 安徽省及皖南山区地质灾害分布

安徽省是我国地质灾害多发省份之一，灾害的主要类型有：崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地面沉降。它们的发育受地层岩性、地形地貌和地质构造等控制。据统计，安徽省现有地质灾害隐患点共计6318个。根据地貌区划分，皖南山区地质灾害隐患点3795 个，占全省总数的60.07%；皖西山区1477个，占23.38%；沿江平原区831 个，占13.15%；江淮丘陵区197 个，占3.21%；淮北平原区18 个，占0.28%。截止到2019 年底，安徽省地质灾害总数为2939 次。较为常见的地质灾害为滑坡、崩塌以及泥石流等。其中滑坡出现次数为1470次、崩塌次数为1309 次，泥石流等其他地质灾害发生160次[5]。图1所示为2010—2019 年安徽省地质灾害统计情况。从图1 中可见，近十年来皖南黄山市发生地质灾害的数量为全省第一。

图1 2010—2019年安徽省各市地质灾害统计图

2 黄山市祁门县地质灾害发育特征

祁门县地处安徽省最南部，县境内多为浅变质岩。故以皖南山区祁门县为例，针对性研究祁门县岩性特征与地质灾害的发育关系，并提出合理有效的防治治理措施，使皖南山区的经济建设更加顺利，更加和谐。祁门县有178处地质灾害点，灾害种类有崩塌、滑坡、泥石流3种。

通过统计可知，崩塌灾害主要分布于蓟县系—长城系木坑组（Pt2m）千枚岩、牛屋组（Pt2n）千枚岩和含砂千枚岩地层中，如图2 所示。易于产生崩塌的地层多属塑性地层，它们的抗剪强度较低，容易发生变形破坏，因此在内、外力的共同作用下易破碎从而发生崩塌。这也是区内蓟县系—长城系木坑组（Pt2m）千枚岩、牛屋组（Pt2n）千枚岩、含砂千枚岩地层中崩塌发生比率高的原因；其他地层岩性强度较好、抗剪强度高，崩塌发生的比率较低。

图2 崩塌发育与地层关系统计图

滑坡灾害主要分布于蓟县系—长城系木坑组（Pt2m）千枚岩、牛屋组（Pt2n）千枚岩、含砂千枚岩及第四系全新统残坡积的粘土碎石层中，如图3所示。这从很大程度上说明易风化的岩土强度低、透水性弱，因而易沿松散层的层面及强风化层的层面产生滑动，从而诱发滑坡灾害。

图3 滑坡发育与地层关系统计图

祁门县区域的泥石流主要分布于北西部的渚口乡，已发生的两处泥石流灾害点均发生于同一条主谷的两条支沟内，这也从一定程度上说明该主谷是区内泥石流灾害易发的区段。泥石流发生区域为蓟县系—长城系牛屋组（Pt2n）含砂千枚岩、变质含砂粉砂岩，该地区浅部风化强烈，岩石破碎严重，从而导致山体滑坡。

综上所述，祁门县地区现有地质灾害发生点多数都位于蓟县系—长城系木坑组（Pt2m）及牛屋组（Pt2n），占总地质灾害的65.73%。木坑组（Pt2m）岩性为灰绿色中厚层千枚岩、含砂粉砂岩夹粉砂质千枚岩和千枚岩。牛屋组（Pt2n）可分为3 个岩性段。下段为灰黑色轻变质含砂粉砂岩、岩屑长石石英砂岩与粉砂质板岩和砂质千枚岩韵律互层。中段为灰及灰绿色千枚状含砂粉砂岩夹同色含砂千枚岩和含砂粉砂质千枚岩。上段为深灰、灰黑色含砂粉砂质千枚岩、千枚岩与同色千枚状含砂粉砂岩韵律互层。除第四系松散砂砾土与地质灾害关系密切之外，以千枚岩为代表的浅变质岩的特殊岩性与地质灾害频发之间有着一定的联系。

3 千枚岩特征与地质灾害

3.1 千枚岩微观断口分析

千枚岩手标本为银灰色，鳞片变晶结构，千枚状构造，岩石片理发育较强，片理面上有微弱丝绢光泽，岩石风化程度较高，如图4所示。其显微特征为：绢云母千枚岩的细鳞片状绢云集合体定向均匀分布，颗粒间一些绿泥石和细粒石英无序地相互穿插。硅质板状千枚岩石英细粒呈不规则粒状，无序穿插于绢云母片粒间，破裂形式为沿晶断裂与切晶擦花，与文献[6]研究结果一致。

图4 千枚岩手标本及显微图

通过对图4中千枚岩断裂的手标本和微观结构对比分析可知，不同矿物的微观形态各不相同：石英为细粒状，绿泥石为片状，绢云母为鳞片状。千枚岩断裂机理主要以剪切破裂为主，以拉断破裂为辅。当千枚岩的绢云母和绿泥石含量较高时，岩石结构为鳞片变晶结构，片理较发育，极易发生剪切破裂。当千枚岩石英含量较高时，岩石多形成脆性断裂，受到外力时容易变形产生破裂。千枚岩的矿物含量对岩石的强度和断裂破坏形式有较大的影响，比如，石英含量高的岩石强度较高，断裂形式多为脆性断裂，易发生崩塌地质灾害；绢云母含量高的岩石强度相对较低，多产生剪切断裂，易发生滑坡地质灾害。

3.2 千枚岩宏观破碎形式

通过观察千枚岩常规三轴试验破碎后的断裂情况，发现千枚岩石英含量较高时强度也较高，其断裂面比较粗糙；千枚岩绢云母含量较高时强度较低，其断裂面较光滑，断裂面可以看到明显的丝绢光泽，千枚岩的破裂面同最大主应力的平均夹角与片理面同最大主应力的平均夹角基本上是相同的，说明千枚岩剪切破裂追踪片理面而发育。可见岩石的矿物组成对岩石的力学强度和断裂方式有一定的影响。

当围压为0 MPa 时，千枚岩产生的断裂面并不是从上到下贯穿整个试件的，而是形成很多与最大主应力平行的脆性拉张破裂面，试件周围会发生剥落现象。当围压很低（2～6 MPa）时，千枚岩断裂面沿着岩石的片理面或者岩石内部的裂隙发展，并且贯穿整个试件，断裂面整体呈现阶梯状。当围压很高（8 MPa）时，千枚岩断裂面基本上沿着岩石的片理面发展，断裂面整体呈一条直线。

4 千枚岩的相似混凝土力学分析

祁门县地质灾害多发生在牛屋组（Pt2n）和木坑组（Pt2m）。该地区是以千枚岩为代表的浅变质岩，它岩性差、强度低且千枚理、裂隙发育严重。因此制作出3种千枚岩的相似材料进行进一步的力学试验研究，分别为：普通水泥混凝土、加入绢云母分层的水泥混凝土和加入玄武岩纤维的水泥混凝土。普通水泥混凝土，用来模拟无片理的岩石；加入绢云母分层的水泥混凝土，用来模拟含片理的千枚岩，与普通水泥混凝土试件进行强度对比，分析两种试件的力学性质和破坏形式，证明加入绢云母可以模拟千枚岩的片理构造；加入玄武岩纤维的水泥混凝土用来模拟改良的千枚岩。有学者开展过玄武岩增强技术的研究，如Lopresto等[7]提出玄武岩纤维可以代替玻璃纤维来增强塑料的力学性能；Stupishin等[8]发现相比于玄武岩粗纱复合钢筋，玄武岩纤维复合钢筋的抗拉强度有所提高。本试验创新性地使用玄武岩纤维改变岩土体的力学性质，达到增强千枚岩的力学性能的目的，从而从根本上降低千枚岩地区地质灾害发生的频率。

4.1 试验设计与流程

试验主要研究千枚岩片理构造，根据相似材料要求[9]，并参考学者们[10-13]对千枚岩相似材料的研究和模型制作经验，选用水泥混凝土作为相似材料，制作过程中加入绢云母模拟片理面。为使得实验效果明显，在选择玄武岩纤维尺寸时参考高真等[14]的研究经验，选择玄武岩纤维长度为6 mm。

在选择制备相似材料的骨料时，考虑到玄武岩纤维长度在6 mm 左右，如果按照普通水泥混凝土的配比选择较大粒径的粗骨料[14]（5～25 mm）会导致实验效果不明显，因此选择粒径大小和玄武岩纤维长度差不多的粗骨料（4～10 mm）进行相似材料的制作。

4.1.1 实验材料

P·O42.5 水泥，砂（粒径0.15～2.5 mm），碎石料，325目绢云母粉，Ⅱ级粉煤灰（45 μm 细度），6 mm 束状单丝压制条状玄武岩纤维，减水剂。

4.1.2 试样制备

用筛子筛选出合适尺寸的砂和碎石料，再用烘干机烘干。碎石料、砂、水泥等材料按照设计的质量称量好备用，再将其与自来水、粉煤灰等材料倒在木板上搅拌均匀。按照设计方案将搅拌好的材料有序放入模具中，最后放在振动机上震动密实排空气泡，避免试件强度过低影响实验结果。模具静置一天后使用空气压缩机进行拆模，拆模后将试件放入保养室内，保持相对湿度95%以上进行养护，如图5所示。

图5 试件制备过程

试件1 为普通水泥混凝土，用来模拟普通无片理的岩石，各组分见表1；试件2 为加入绢云母水平分层的普通水泥混凝土，用来模拟含片理的千枚岩；试件3 为加入玄武岩纤维和绢云母水平分层的普通水泥混凝土，用来模拟改良千枚岩；试件4-1、试件4-2 和试件4-3 分别为加入绢云母倾斜30°、45°和60°分层的普通水泥混凝土，用来模拟不同倾角片理发育下的千枚岩，如图6所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

图6 试件设计示意图

本试验配合比参照文献[15]并结合实验室现有材料和实际制作情况进行修正得出；另外，参照潘慧敏[16]的研究结果，将玄武岩纤维掺量控制在3.5 kg/m³范围内。试件1、试件2、试件3选用粒径为4～10 mm 的碎石料制作，试件4-1、试件4-2 和试件4-3 选用粒径为5～25 mm 的碎石料制作。所有试件的容重均约为21 kN/m³。

4.1.3 试验目的及试验仪器

使用600 KN电液伺服万能试验机，将保养好的试件进行抗压强度试验，试件加压过程中观察每个试件的破裂情况。

本次实验采用无侧限单轴抗压方法对试件进行力学破坏实验，采用位移加压模式（速率为0.5 mm/min）进行加载。抗压强度计算公式如下：

其中，σ 表示试件的抗压强度，Pmax表示试件发生破坏时的最大荷载值，A表示试件的横截面面积。

4.2 试验结果及分析

整理试验数据后得出各试件的抗压强度，见表2。

表2 各试件抗压强度 MPa

当外应力达到试件最大抗压强度时，未加入玄武岩纤维的试件1 和试件2 会立即破碎，随后应力会随着应变的增加而迅速下降，而加入玄武岩纤维的试件3 不会立即破碎，随着应变的增加应力会维持在最大应力附近。相比于试件1 和试件2，试件3破坏后，随着应变的增加，应力的下降速度有所减慢。这说明玄武岩纤维可以增强试件的韧性，使得试件由脆性破坏转变为塑性破坏。

加载初期，未加玄武岩纤维的试件1 和试件2应力增加较慢甚至不增加，有一段很明显的试件压密过程；加入玄武岩纤维的试件3 应力提升速度很快，没有很明显的压密过程，如图7所示。这说明玄武岩纤维可以改善试件的密实性，避免在试件制作过程中其内部产生气泡，增加了混凝土的粘结性，提高了抗渗性，从而提高了试件3的抗压强度。

图7 应力-应变曲线（试件1—试件3）

对比试件1—试件3的最大抗压强度发现，试件1的最大抗压强度最高，达到了26.21 MPa；试件2 的抗压强度最小，只有13.31 MPa。这说明片理的存在使岩石强度下降了将近50%。试件3 的抗压强度为15.85 MPa，与试件2 相比抗压强度提高了19.1%。这说明玄武岩纤维对千枚岩身的力学性质有一定的加强作用。

观察试件的破坏情况，发现试件1 的表面破碎严重，但是内部却并未发生断裂且保存完整；试件2的内部破碎严重，破碎面是沿着绢云母粉模拟的片理构造发生破坏，较符合千枚岩宏观破碎形式；试件3 的破坏情况介于前两组之间，破坏方式由内而外和由外而内并存，如图8 所示。这说明玄武岩纤维可以改善千枚岩本身的力学性质，使得千枚岩的破坏方式发生改变，应力不都集中于岩石的脆弱面，对千枚岩有一定的改善效果。

图8 试件受压后的破坏形态

对比试件4-1—试件4-3 力学性能可见，试件4-2 的抗压强度最低，只有13.63 MPa；试件4-1的抗压强度最高，达到了18.72 MPa；试件4-3抗压强度为16.05 MPa，如图9 所示。由此判断出千枚岩片理面与最大主应力之间的夹角对千枚岩的强度有一定的影响，当夹角度数从60°减小到45°时千枚岩抗压强度会逐渐降低。但当夹角减小到30°时千枚岩抗压强度会增加。可见片理倾角为45°左右时，千枚岩的抗压强度最小，最容易发生地质灾害。

图9 应力-应变曲线（试件4-1—试件4-3）

试件4-1—试件4-3 的裂缝及其示意图分别如图10、11所示。由图10、11可见，试件4-1在加压过程中产生了6 条裂缝，其中两条平行于水平面，3 条与水平面大致垂直，1 条与水平面大角度相交。当试件4-1 完全破碎时，试件破裂面与水平面夹角约为30°。试件4-2 在加压过程中产生了7 条裂缝，有短裂缝4条，长裂缝3条。短裂缝中3条大致垂直于水平面，1 条与水平面夹角约为45°；长裂缝中，1 条平行于水平面，两条与水平面大角度相交。当试件4-2 完全破碎时，试件破裂面与水平面夹角约为45°。试件4-3 在加压过程中产生了6 条裂缝，有短裂缝3 条，长裂缝3 条。3 条短裂缝大多垂直于水平面；长裂缝中，1条与水平面垂直，1条与水平面夹角约45°，1 条与水平面夹角约15°。当试件4-3 完全破碎时，试件破裂面与水平面夹角约为60°。3 个试件最终破坏面都是沿着绢云母模拟的片理构造面发生剪切破坏。由此可见，千枚岩的层理构造对其力学性能和破坏形式有极大的影响，层理面的倾角为45°时，千枚岩的力学性能最差，破坏最严重，此地质构造的地区最容易发生地质灾害。