晶体粒径对花岗岩力学特性影响规律的试验研究

杨 闯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

我国西南地区规划建设的部分铁路面临着地质条件复杂、施工难度高等大量挑战。为在如此复杂的地质环境条件下修建铁路,充分认识铁路沿线地质体的力学特征是分析复杂地质环境的基础,也是该地区破解铁路建设难题的一个重要突破口[1]。

怒江西藏拥巴段地表浅层主要分布的岩石有:①火成岩、片麻岩类硬质岩;②第三系、第四系软质岩;③可溶岩类硬质岩。各类岩石的分布占比情况见图1。从图1中可以看出,火成岩、片麻岩类硬质岩占比约为53%,花岗岩是火成岩中最为常见的一种硬质岩,广泛分布于规划建设中的各个边坡和隧道区域。地质调查揭示,怒江拥巴段地表浅层花岗岩的晶体粒径变化较为复杂,因此,有必要针对不同粒径花岗岩的力学特性开展研究,方可准确评价该地区以花岗岩为主的地质环境,为西南地区铁路建设提供有益参考。

图1 怒江拥巴段岩性统计

上述研究表明,不同晶体粒径的花岗岩在力学特性上具有显著差异,总体表现为花岗岩的粒径越大,抗剪强度越低[5-9]。然而,由于花岗岩的采集地点不同,有的研究人员认为花岗岩的强度随晶体粒径的增加而线性降低[6,8],有的则认为是非线性降低[7,9],见图2。由于不同地区的花岗岩力学特性差异较大,为准确掌握怒江拥巴段花岗岩的力学特性,服务于西南区域铁路建设,需要针对该路线段不同粒径的花岗岩开展大量的岩石力学试验研究。

图2 花岗岩抗压强度与粒径相关性统计

以怒江拥巴段浅层弱风化花岗岩为研究对象,将花岗岩按晶体尺寸分为粗粒、中粗粒、中细粒和细粒共4种类型,并基于此开展不同围压下三轴压缩试验,分析花岗岩的应力-应变响应特征、峰值抗压强度、最大轴向应变、黏聚力、内摩擦角、变形模量和泊松比等力学特性随晶体粒径的变化规律,并基于花岗岩晶体的微观结构图像讨论晶体粒径对花岗岩宏观力学特性的影响机制。

2 取样地点及试样特征

试验采用的花岗岩均取自怒江拥巴段某峡谷边坡附近,该地位于西藏自治区昌都市境内,取样深度为边坡自然坡面竖直向下10～30 m深度范围内,取样点的位置见图3。

图3 花岗岩取样地点示意

花岗岩试样风化程度为弱风化,整体呈灰白色,粒状～片状变晶结构,晶体粒径分布呈现较为显著的不等粒特征,粒径主要分布范围为0.2～12 mm。张帆[10]根据晶体颗粒直径将花岗岩分为粗粒(>5 mm)、中粒(1～5 mm)、细粒(<1 mm)、微粒(<0.1 mm)等结构。对照此粒径划分方法,将试验采用的花岗岩按粒径大小分为4组,分别为粗粒(5～12 mm)、中粗粒(3～8 mm)、中细粒(0.5～3 mm)和细粒(0.2～1 mm),不同晶体粒径的花岗岩表面特征见图4。

图4 不同晶体粒径的花岗岩表面特征

采用铁四院武汉检测技术有限公司的偏光显微镜ECLIPSE LV100POL检测不同粒径的花岗岩矿物成分,检测结果见表1。从表1中可知,不同粒径的花岗岩矿物成分及占比大体相等,即石英占比为25%～30%,斜长石占比为40%～45%,钾长石占比为15%～20%,云母占比为5%～10%。由此说明,本文采用的花岗岩保证了矿物成分及占比等无关变量大致相同,试验的控制变量为试样的晶体粒径。

表1 不同粒径花岗岩矿物成分占比 %

3 不同粒径花岗岩三轴压缩试验

3.1 试验条件及分组

采用常规三轴压缩试验研究不同应力状态下试样的强度和变形特征。三轴压缩试验在中国科学院武汉岩土力学研究所MTS815型岩石力学试验机上开展,试样形状为圆柱状,尺寸为:直径(50±0.2) mm,高度(100±0.5) mm。实验采用的围压有5,10,20,40 MPa共4个等级。为减小岩石试样力学特性的随机性对试验结果的影响,对不同粒径的试样在同一围压下开展3～4次重复试验,试验分组及重复试验次数见表2。

表2 花岗岩三轴压缩试验分组

3.2 应力-应变响应特征

图5～图8分别给出了粗粒、中粗粒、中细粒和细粒花岗岩试样在不同围压下的应力-应变曲线,由图可知:(1)在轴向压力逐渐增大的过程中,不同围压下不同粒径的花岗岩试样应力-应变曲线均经历初始压密阶段、近似线性上升阶段、屈服阶段和脆性跌落阶段;(2)不同粒径的花岗岩试样在不同围压下均表现出明显的脆性破坏,即试样的轴向压力达到峰值强度后突然跌落,峰后未表现出明显的塑性流动特征。

图5 不同围压下粗粒组花岗岩应力-应变曲线

图6 不同围压下中粗粒组花岗岩应力-应变曲线

图7 不同围压下中细粒组花岗岩应力-应变曲线

从图5～图8中提取同一粒径的几个花岗岩试样在相同围压下的峰值抗压强度均值,分析花岗岩峰值抗压强度均值随粒径的变化规律,见图9。由图9可知:在同一围压下,花岗岩试样的峰值抗压强度随着晶体粒径的减小而逐渐增大;例如,在低围压(σ3=5 MPa)下,细粒花岗岩试样的峰值抗压强度(254 MPa)约为粗粒花岗岩试样峰值抗压强度(115 MPa)的2.2倍;即使在高围压(σ3=40 MPa)下,细粒花岗岩试样的峰值抗压强度约是粗粒花岗岩试样的1.5倍。

图9 不同围压下花岗岩抗压强度随粒径的变化规律

图10给出了不同围压下花岗岩试样峰值抗压强度均值对应的轴向应变量随粒径的变化规律。最大轴向应变反映了岩石试样在特定围压下的极限压缩变形能力,广泛应用于岩石多参量破坏准则(例如,引入了应变、能量等参量的破坏准则)中[11-13]。由图10可知:在同一围压下,花岗岩试样最大轴向应变随着晶体粒径的减小而逐渐增大;例如,在低围压(σ3=5 MPa)下,细粒花岗岩试样的最大轴向应变(0.012 6)约为粗粒花岗岩试样的最大轴向应变(0.008 1)的1.6倍;而在高围压(σ3=40 MPa)下,细粒花岗岩试样的最大轴向应变约为粗粒花岗岩试样的2.1倍。

图10 不同围压下花岗岩最大轴向应变随粒径的变化规律

3.3 抗剪强度参数分析

采用Mohr-Coulomb强度包络线分析不同粒径花岗岩的抗剪强度参数,得到不同粒径的花岗岩黏聚力和内摩擦角,分析过程见图11。

图11 不同粒径花岗岩的Mohr-Coulomb强度包络线

图12给出了花岗岩黏聚力和内摩擦角随粒径的变化情况。由图12可知:黏聚力和内摩擦角均随粒径的减小而逐渐增大;花岗岩粒径从粗粒(5～12 mm)、中粗粒(3～8 mm)、中细粒(0.5～3 mm)到细粒(0.2～1 mm)变化的过程中,黏聚力从13 MPa分别增加至21,27 MPa和32 MPa,内摩擦角从45.2°分别增加至47.1°、48.5°和52.5°。

图12 花岗岩抗剪强度参数随粒径的变化规律

3.4 变形参数分析

采用变形模量和泊松比作为花岗岩试样变形特征的表征参数。提取花岗岩试样轴向应变-轴向应力曲线中近似线性变化段的斜率作为变形模量,分析花岗岩试样变形模量随晶体粒径的变化规律,见图13。

图13 花岗岩变形模量随粒径的变化规律

由图13可知:(1)相同围压下,变形模量整体上随着晶体粒径的减小而增大;花岗岩晶体粒径从粗粒到细粒变化的过程中,在5 MPa围压下变形模量从13.6 GPa增加至33.8 GPa,增幅为1.5倍,在40 MPa围压下变形模量从27.3 GPa增加至46.7 GPa,增幅为0.7倍;(2)相同围压下,中细粒和细粒花岗岩的变形模量相差不大,而粗粒、中粗粒花岗岩的变形模量相差较大;(3)不同粒径的花岗岩变形模量整体上随着围压的增大而逐渐增大。

提取花岗岩应力-应变曲线中线性上升段的径向应变增量和轴向应变增量,通过计算其比值得到花岗岩的泊松比,用于分析花岗岩泊松比随晶体粒径的变化规律,见图14,图中泊松比的误差为径向应变增量和轴向应变增量的不同取值位置所致。由图14可知:花岗岩的泊松比随晶体粒径的减小而降低;花岗岩晶体粒径从粗粒、中粗粒、中细粒到细粒变化的过程中,花岗岩的泊松比从0.29分别降至0.25、0.23和0.22。

图14 花岗岩泊松比随粒径的变化规律

3.5 破裂面形态特征

一般来说,岩石试样的破坏特征受自身物理特性(如胶结程度、内部微裂隙)的控制,此外,也受围压、加载速率等外部因素的影响[2,5,8,14]。通过对比本文开展的59个岩石试样破坏后的形态,发现花岗岩在三轴压缩下的破裂面形态与晶体粒径之间存在一定的相关性。

图15给出了同一围压(20 MPa)下不同粒径花岗岩试样三轴压缩后的典型破坏情况,由此可以看出:(1)不同晶体粒径花岗岩试样的主要破裂面与大主应力方向(轴向)均存在一定的夹角,说明花岗岩试样整体上以剪切破坏为主;中细粒和细粒花岗岩试样的局部破裂面与大主应力平行,说明中细粒和细粒花岗岩试样局部发生压致拉裂破坏;(2)随着花岗岩晶体粒径减小,试样破坏时破裂面的数量增多,破裂面的形态也变得更加复杂;粗粒和中粗粒花岗岩破裂面主要为1～2条贯穿的剪切破裂面,而中细粒和细粒花岗岩破裂面则以多条剪切破裂面为主,同时在局部出现1～2条分布不规则的拉伸破裂面。

图15 不同粒径花岗岩试样的典型破坏特征(σ3=20 MPa)

破裂面断口形貌是判断岩石内部微裂纹扩展的一个重要依据,通常认为岩石的破坏过程是内部微裂纹萌生、扩展和贯通的过程,该过程伴随着微裂纹以不同扩展类型(拉张/剪切/拉-剪)在晶体内部或晶体之间发生的开裂损伤和演化,可分为“穿晶”“沿晶”和二者耦合等3种类型[15-16]。例如,周辉等[17]基于花岗岩破裂面断口的扫描电镜图像探讨了花岗岩脆性破坏的发生机制。基于前人对破裂面断口的分析方法,对比分析图15中不同粒径的花岗岩破裂面断口形貌可知:(1)粗粒花岗岩破裂面较为粗糙、干净,在破裂面上可见明显的晶体颗粒凸起,表明粗粒花岗岩的宏观破裂面主要沿晶体之间的微裂纹发展,即以“沿晶”破坏为主;(2)相比之下,细粒花岗岩的破裂面较为光滑,部分破裂面上附着一层晶体粉末,破裂面晶体凸起相对不显著,表明细粒花岗岩晶体之间的微裂纹对宏观破裂面发展的影响相对较弱。

4 晶体粒径对力学特性的影响机制讨论

岩石的应力-应变曲线、强度、刚度及破裂面形态等力学特征均受其自身晶体颗粒的类型、强度、大小、排列及胶结程度的控制,因此可以通过岩石微观结构解释岩石的宏观力学特性[18-19]。采用偏光显微镜拍摄不同粒径花岗岩的3D微观结构特征,见图16。由图16可知:不同粒径花岗岩的微观结构特征为:(1)不同粒径的花岗岩均由石英(Qtz)、斜长石(Pl)、钾长石(Kfs)和云母(Bt)等晶体组成,其中石英和钾长石呈他形粒状,斜长石呈半自形板柱状,云母呈片状;(2)粗粒和中粗粒花岗岩的晶体在偏光显微镜下反射的光线整体较为暗淡,且不同亮斑之间的界限较为模糊,表明晶体内部相对松散,晶体之间存在较多孔隙;(3)中细粒和细粒花岗岩的晶体在偏光显微镜下反射的光线较为明亮,不同亮斑之间的层次和界限较为清晰,表明晶体内部相对致密,晶体之间的接触较为紧密。

图16 不同粒径花岗岩的微观结构

将不同粒径花岗岩的微观结构特征与其宏观应力-应变曲线、强度、刚度及破裂面等力学特征进行对比,可以得到晶体特征对花岗岩力学特性的影响机制:(1)粗粒花岗岩的晶体相对松散,晶体之间孔隙相对较大,晶体之间的胶结程度较低,整体来看岩石内部原生缺陷(微裂纹)较多,在三轴压缩下岩石内部原生微裂纹容易发生扩展、“沿晶”破坏,使得宏观上岩石试样容易沿剪应力较大的方向发生贯通性剪切破坏,岩石力学特性总体表现为抗剪强度和刚度均相对较低;(2)细粒花岗岩的晶体相对致密,晶体之间孔隙相对较小,晶体之间的胶结程度较高,岩石内部原生微裂纹相对较少,抗剪强度相对粗粒花岗岩有较大提高,三轴压缩下岩石试样可能沿剪应力较大方向破坏(剪切破坏),也可能沿拉应力较大方向破坏(压致拉裂破坏),岩石宏观力学特性总体表现为抗剪强度和刚度均相对较高;(3)中粗粒和中细粒花岗岩的晶体致密程度和晶体之间的孔隙及胶结程度均介于粗粒和细粒花岗岩之间,因此其强度、刚度以及破裂面形态亦介于粗粒和细粒花岗岩之间。

需要说明的是,上述花岗岩晶体粒径对其力学特性的影响机制分析主要为基于花岗岩3D微观结构的一种定性讨论,后续可以基于荧光技术[20]、离子薄层化技术[21]等试验技术手段进一步开展不同粒径花岗岩的微观结构特征与力学特性的定量分析。

5 结论

以西南某铁路沿线浅层弱风化花岗岩为研究对象,针对该区域花岗岩在晶体粒径上的显著差异,在围压5,10,20,40MPa下对不同粒径的花岗岩开展了多组三轴压缩试验,分析花岗岩应力-应变响应特征、抗剪强度参数、变形参数及破坏特征随晶体粒径的变化规律。最后采用偏光显微镜分析了不同晶体粒径的花岗岩微观结构特征,讨论了花岗岩晶体粒径对其力学特性影响的微观机制。主要结论如下。

(1)怒江拥巴段浅层弱风化花岗岩根据其粒径可以分为粗粒(5～12 mm)、中粗粒(3～8 mm)、中细粒(0.5～3.0 mm)和细粒(0.2～1.0 mm)等4种粒径;不同粒径的花岗岩具有相似的矿物成分,包括石英(30%～35%)、斜长石(40%～45%),钾长石(15%～20%)、云母(5%～10%)和铁质(1%～2%)等。

(2)不同粒径的花岗岩具有相似的应力-应变响应过程:初始压密段→线性上升段→屈服上升段→脆性跌落段;花岗岩的峰值抗压强度及其对应的轴向应变均随粒径的减小而逐渐增大,细粒花岗岩的峰值抗压强度及其对应的轴向应变分别为粗粒花岗岩的1.5～2.2倍和1.6～2.1倍。

(3)花岗岩的抗剪强度和刚度均随粒径的减小而增大;花岗岩粒径从粗粒逐渐减小到细粒的变化过程中,黏聚力从13 MPa增加至32 MPa,内摩擦角从45.2°增加至52.5°;变形模量从1.0(归一化)增加至1.7～2.5,泊松比从0.29减小至0.22。

(4)不同粒径花岗岩的微观结构具有显著的差异;随着花岗岩粒径减小,晶体颗粒的致密程度增加,晶体之间的孔隙减小,晶体的胶结程度加强;细粒花岗岩强度和刚度显著高于粗粒花岗岩的内在原因主要为,细粒花岗岩晶体颗粒自身致密程度的增加和晶体之间胶结程度的加强。