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        粉砂質(zhì)板巖各向異性特性研究

        2018-11-07 02:06:08
        水電站設(shè)計(jì) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:物理

        吳 章 雷

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川 成都 610072)

        0 前 言

        近年來,由于工程建設(shè)的需要,板巖被廣泛用作建筑物的基礎(chǔ)、隧洞或地下洞室圍巖、建筑材料等,人們對板巖的認(rèn)識也越來越深入,開展了大量的研究工作,尤其在板巖的物理力學(xué)特性方面。在雅礱江中游大范圍內(nèi)發(fā)育一套三疊紀(jì)(T3)濁積相碎屑建造巖,經(jīng)后期變質(zhì)后,形成淺變質(zhì)的砂板巖。砂巖一般因其堅(jiān)硬、抗風(fēng)化能力強(qiáng),具有較高的物理力學(xué)指標(biāo),在工程建設(shè)中成為較理想、可利用的巖體和建筑材料。板巖因其堅(jiān)硬性較差,抗風(fēng)化能力較弱,物理力學(xué)指標(biāo)較低,需進(jìn)行改造后方可利用。

        雅礱江中游發(fā)育的該套變質(zhì)板巖,組成礦物主要有黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等,膠結(jié)物主要為泥質(zhì)膠結(jié),該板巖具有板理發(fā)育、各向異性明顯、變質(zhì)淺等特點(diǎn)。雅礱江中游某水電站修建于這套淺變質(zhì)砂板巖出露地區(qū),工程建設(shè)需大量的利用板巖,才能滿足樞紐布置和工程建設(shè)要求。因此,對該淺變質(zhì)板巖開展了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn),對其各向異性特性進(jìn)行研究,為板巖的利用和改造提供科學(xué)依據(jù)。

        本文依托該水電工程開展的大量板巖室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)成果,分析整理了試驗(yàn)數(shù)據(jù),梳理出板巖各向異性特性的一般規(guī)律,為今后類似工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

        1 板巖的礦物成分分析

        巖石是礦物的集合體,礦物的類型和膠結(jié)物是巖體物理力學(xué)特性的基礎(chǔ),因此對板巖物理力學(xué)特性的研究,首先應(yīng)對其礦物成分進(jìn)行分析研究。在地表及探洞內(nèi)取樣,開展板巖的礦物成分分析工作,巖石磨片礦物鑒定采用偏光顯微鏡進(jìn)行,在偏光顯微鏡下觀察組成巖石的各種礦物,以及它們的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及含量等。具體成果見表1。

        巖石磨片礦物鑒定成果表明板巖為淺變質(zhì)巖,板狀構(gòu)造,變余結(jié)構(gòu),由黏土巖或黏土質(zhì)粉砂巖淺變質(zhì)而形成。主要礦物成分為黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等。在變質(zhì)不均勻的情況下,局部將可能部分顯現(xiàn)原巖的礦物成分、構(gòu)造及結(jié)構(gòu)狀態(tài)。組成板巖的礦物除石英的硬度較高外,其余硬度均較低。

        在沉積過程中,由于環(huán)境的動(dòng)蕩,板巖中各種礦物及砂質(zhì)的含量不均一?,F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)板巖因其砂質(zhì)的含量不同,新鮮斷口的表現(xiàn)不同。砂質(zhì)和石英含量較高板巖,斷口呈淺灰色,斷面較粗糙,強(qiáng)光下可見砂質(zhì)光澤,反之,斷口巖石呈深灰色,染手,斷面較光滑。

        2 板巖的物理特性

        為了研究板巖的物理力學(xué)性能,依托勘測設(shè)計(jì)的水電項(xiàng)目開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn),共完成了72組室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。下面重點(diǎn)介紹工程中常用的幾個(gè)物理指標(biāo)的試驗(yàn)成果。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)表明:板巖干密度范圍值2.62~2.78 g/cm3,多數(shù)集中在2.72~2.78 g/cm3區(qū)間內(nèi)(見圖1);比重范圍值2.69~2.80,大多數(shù)集中2.76~2.80區(qū)間內(nèi)(見圖2)。

        表1 巖石磨片礦物鑒定成果

        圖1 板巖干密度統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

        圖2 板巖比重統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

        板巖的飽和吸水率較低,范圍值0.1%~1.2%,大部分不大于0.9%(見圖3);軟化系數(shù)范圍值0.6~0.8,主要集中在0.7~0.8之間(見圖4)。

        經(jīng)分析研究,板巖的物理特性與礦物組成及成分密切相關(guān),當(dāng)巖石中石英、砂質(zhì)碎屑含量較高時(shí),干密度、比重、彈模、軟化系數(shù),抗壓強(qiáng)度等數(shù)值也會(huì)較高;當(dāng)巖石中黏土礦物、泥質(zhì)、云母等含量較高時(shí),上述值則較低,基本呈線性關(guān)系。大量的試驗(yàn)值表明粉砂質(zhì)板巖干密度2.72~2.78 g/cm3,比重2.76~2.80,飽和吸水率不大于0.9%,軟化系數(shù)0.7~0.8。

        圖3 板巖飽水率統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

        圖4 板巖軟化系數(shù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)分布

        3 板巖的各向異性特性

        由于板巖在變質(zhì)過程中,受高溫高壓影響,礦物定向排列形成板理面,因此,在對板巖開展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)時(shí),加載方向分為(∥)板理面和(⊥)板理面。試驗(yàn)成果表明,(∥)板理面的濕抗壓強(qiáng)度為25~80 GPa,大部分為40~80 MPa(見圖5);(⊥)板理面濕抗壓強(qiáng)度為40~100 GPa,大部分為60~1 000 MPa(見圖6)。

        圖5 (⊥)板理面濕抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

        圖6 (∥)板理面濕抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明板巖各向異性明顯,(⊥)板理面方向濕抗壓強(qiáng)度大于(∥)板理面的濕抗壓強(qiáng)度。由于板巖的板理面往往是黏土礦物、云母及絹云母富集,為一軟弱面,平行板理面方向加載時(shí),試驗(yàn)表明試樣容易沿板理面破壞,強(qiáng)度低,垂直板理面加載,試樣往往是巖體被剪壞,強(qiáng)度高,(⊥)和(∥)板理范圍為1.25~1.5。

        統(tǒng)計(jì)表明巖體的泊松比范圍值0.22~0.26,大多數(shù)為0.23~0.24;進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明,垂直板理的泊松比大于平行板理方向的泊松比,最大值可達(dá)0.26,最小值0.23,由此可見泊松比也反映了板巖具有各向異性的特點(diǎn)。但無論是垂直還是平行板理泊松比值主要集中在0.23~0.24(見圖7)。

        圖7 泊松比統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)

        現(xiàn)場開展了9組現(xiàn)場巖體變形試驗(yàn),試驗(yàn)成果表明,微新板巖(⊥)板理面E0=11~14 GPa,(∥)板理面E0=30~36 GPa;弱下風(fēng)化板巖(∥)板理面E0=4~5 GPa,(⊥)板理面E0=3 GPa(見表2)。

        表2 現(xiàn)場原位變質(zhì)板巖巖體變形試驗(yàn)成果

        統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,平行板理面的板巖模量大于垂直板理面模量,弱風(fēng)化的粉砂質(zhì)板巖為1.5倍,新鮮面可達(dá)2~3倍。由此可見相同的壓力下,垂直板理面方向板理面被壓密實(shí),變形較大,因而模量較小,平行板理面則反之,反映了板巖各向異性的特點(diǎn)。壓力和變形關(guān)系曲線表明,垂直板理面以直線型或準(zhǔn)直線型為主,平行板理面以下凹型為主(見圖8)。

        圖8 垂直和平行板理面壓力~變形關(guān)系曲線

        現(xiàn)場開展了5組巖體強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)成果表明,微新板巖f′=0.79~1.38,C′=1.02~1.74 MPa;弱下風(fēng)化板巖f′=0.74,C′=0.66 MPa(見表3)。

        表3 現(xiàn)場原位變質(zhì)板巖巖體強(qiáng)度試驗(yàn)成果

        4 結(jié) 論

        本文依托雅礱江中游某水電站對淺變質(zhì)粉砂質(zhì)板巖開展的大量試驗(yàn),通過對其物理力學(xué)試驗(yàn)值分析,研究粉砂質(zhì)板巖各向異性特征,研究表明:

        (1)雅礱江中游大范圍出露的三疊紀(jì)(T3)變質(zhì)粉砂質(zhì)板巖,礦物成分主要為黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等,板巖變質(zhì)淺。板巖的物理特性與礦物組成及成分密切相關(guān),石英、砂質(zhì)碎屑含量高時(shí),巖石的干密度、比重、軟化系數(shù)等值也較高;黏土礦物含量較高時(shí),上述值則較低。

        (2)濕抗壓強(qiáng)度、變形模量等試驗(yàn)成果反映了板巖具有明顯的各向異性特征,究其原因,板巖在變質(zhì)過程中礦物定向排列,形成了板理面,板理面往往是黏土礦物、云母及絹云母富集,為一弱面。該面力學(xué)強(qiáng)度低,變形較大,因此垂直和平行板理面的濕抗壓強(qiáng)度及變形模量區(qū)別較大。

        (3)粉砂質(zhì)板巖具有明顯的各向異性特性,在工程建設(shè)中要充分認(rèn)識上述特征,趨利避害,盡量利用垂直板理面力學(xué)強(qiáng)度較高的特點(diǎn)來服務(wù)工程。

        (4)本文統(tǒng)計(jì)的粉砂質(zhì)板巖試驗(yàn)值可以作為以后類似巖石上修建工程的參考值。

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