，

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610095)

在不同的壓力環(huán)境和溫度的條件下，地殼深處不同成分的熱液流體沿著一定的通道進入到巖石(體)體系后，與之發(fā)生相應(yīng)的化學反應(yīng)，使其礦物化學成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變，形成的新巖石即為蝕變巖[1-2]。蝕變巖與其他巖石有著明顯的區(qū)別，但類似于軟巖。蝕變巖經(jīng)過水巖作用后，不僅導致巖石微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而且導致化學元素在巖石(體)與水之間發(fā)生交代作用。水與巖石(體)的相互作用造成巖石(體)的軟化、崩解，導致了非常明顯工程性質(zhì)劣化效應(yīng)。

楊根蘭[3]對小灣水電站蝕變巖進行了三軸壓縮試驗等物理力學和水理性質(zhì)試驗，結(jié)果說明研究區(qū)蝕變巖隨著風化蝕變程度的增強，其抗壓、抗拉強度逐漸降低。郭健、許模[4]采用點荷載試驗和回彈強度試驗研究了熱液蝕變花崗巖相關(guān)的物理力學性質(zhì)，結(jié)果表明綠泥石化蝕變巖石(體)相較未蝕變巖石(體)其強度降幅較大。臧軍昌[5]對青石嶺水電站熱液蝕變巖帶進行了相關(guān)研究，結(jié)果表明隨著蝕變程度增強，蝕變巖石(體)孔隙率逐漸增大，抗壓強度逐漸降低。賈偉杰和孔繁輝[6]對研究區(qū)蝕變巖進行了抗壓強度試驗，認為其抗壓強度較低。于新華[7]等對蝕變巖塊在不同風化程度下進行了有關(guān)力學強度試驗，結(jié)果表明蝕變巖塊的抗剪強度、變形模量和飽和單軸抗壓強度遠遠低于微風化和弱風化巖，其相關(guān)力學性質(zhì)和強風化巖程度相當。楊燕和付小敏[8]對蝕變巖進行了直剪試驗等物理水理性質(zhì)試驗，研究結(jié)果表明巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均與孔隙度、含水率有著一定關(guān)系。張衛(wèi)中[9]對不同風化程度的砂巖進行了單軸、三軸強度試驗，認為砂巖的力學強度隨著風化程度的增加而逐漸降低。

前人研究內(nèi)容主要是針對蝕變巖的力學強度特性的研究，對于蝕變巖遇水的軟化效應(yīng)，尤其是三向應(yīng)力狀態(tài)下蝕變巖遇水后力學參數(shù)變化規(guī)律的研究較少。本文通過三軸壓縮試驗對蝕變巖的水巖軟化作用進行分析研究，對比分析天然試樣和飽水試樣在不同圍壓等級下的強度軟化效應(yīng)，為工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗巖樣制備

試驗所需蝕變巖采用西南某水電站右岸壩肩發(fā)生絹云母化蝕變和高嶺土化蝕變的糜棱化英安巖。在出露地表或近地表，受地表水和地下水的強烈影響，形成大量黏土類礦物，呈灰白色或淺黃色，局部呈褐黃色，強度較低，結(jié)構(gòu)松散，遇水易膨脹并發(fā)生崩解，手捏易碎,見圖1、2。對遇水不崩解的巖樣采用鉆機制備成φ50 mm×100 mm的標準圓柱試樣，篩選出無明顯裂痕和層理的巖樣，并通過聲波儀選取具有代表性的巖樣作為試驗巖樣。

從研究區(qū)天然狀態(tài)下糜棱巖化英安巖的掃描電鏡試驗得到的1 000倍掃描圖片可以看出其結(jié)構(gòu)為斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。石英斑晶主要呈眼球狀結(jié)構(gòu)，渾圓形狀，大小約為0.75 mm,定向分布；斜長石斑晶主要為半自形板狀晶體結(jié)構(gòu)，大小約為0.8 mm，大多發(fā)生了顯著的高嶺土化蝕變。絹云母都圍繞著斑晶分布，巖石發(fā)生了明顯的定向變形，裂隙及孔洞比較發(fā)育，為蝕變巖吸水軟化提供了有力條件，糜棱巖化英安巖發(fā)生強烈絹云母化蝕變，斑晶僅可見碎斑石英，見圖3。

1.2 試驗準備

本文利用美國產(chǎn)MTS 815程控伺服剛性試驗系統(tǒng)進行三軸壓縮試驗(圖4)，采用軸向位移控制，加載速率為0.1 mm/min,直至試樣破壞。根據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力條件和取樣點的位置設(shè)置圍壓級別分別為2、4、6、8 MPa。將野外取回的試樣密封保存，保持了原狀試樣的含水率。在原狀和飽水兩種狀態(tài)下進行試驗。進行飽水試驗時，先將原狀試樣放入抽真空飽和裝置內(nèi)抽氣，使整個飽水裝置處于完全真空的狀態(tài)，再向飽和缸內(nèi)緩慢注水并靜置24 h，使巖樣吸水飽和充分。在標準試樣外部套上熱縮管，以避免油液影響試驗結(jié)果。利用三軸壓縮試驗獲得了巖樣在原狀狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的應(yīng)力～應(yīng)變曲線，分析試樣遇水的軟化規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線分析

本次常規(guī)三軸壓縮試驗共進行了15組，其中天然狀態(tài)5組，飽和狀態(tài)10組。挑選其中典型的應(yīng)力～應(yīng)變曲線進行分析。蝕變巖試樣的三軸應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線可被概化為典型的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線，見圖5、6。該曲線分為5個階段，見圖7。

a) 壓密階段(OA段)：OA段表示蝕變巖在開始壓縮到體積壓密完成時的狀態(tài)。壓縮開始后，隨著軸向壓力的增長，蝕變巖試樣的內(nèi)部原生的孔隙、裂隙和次生裂隙被壓密，逐漸閉合。在此階段中，蝕變巖力學特性的主要影響因素是試樣內(nèi)部的裂隙，相對的軸向應(yīng)變增長較快，為體積壓密階段。

b) 彈性階段(AB段)：經(jīng)過體積壓密階段后，巖樣的應(yīng)力～應(yīng)變曲線基本上呈現(xiàn)為線性增長，巖樣結(jié)構(gòu)沒有明顯變化。此階段蝕變巖的變形可被看作線彈性變形，其本構(gòu)關(guān)系可用彈性體的虎克定律描述，稱為線彈性變形階段。

c) 屈服階段(BC段)：蝕變巖樣在經(jīng)歷壓密和線彈性變形階段后，其內(nèi)部的次生裂隙逐漸積累發(fā)生質(zhì)變，使得更多次生裂隙開始大量的產(chǎn)生和擴張。在該變形階段中，蝕變巖內(nèi)部的裂隙逐漸擴展并伴隨著大量的能量釋放，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，稱之為塑性變形階段。

d) 應(yīng)變軟化階段(CD段)：巖樣經(jīng)過短暫的塑性變形階段后很快達到峰值,峰值過后隨著應(yīng)變的持續(xù)增加,應(yīng)力水平降低。此階段蝕變巖內(nèi)部的微裂隙逐漸貫通，為應(yīng)變軟化階段。

e) 塑性流動階段(DE段)：蝕變巖樣發(fā)生應(yīng)變軟化后，巖樣開始破壞，此階段應(yīng)力開始迅速下降，應(yīng)變?nèi)栽诶^續(xù)增長。當蝕變巖樣塑性變形開始迅速增長，而軸向應(yīng)力值不再變化，則蝕變巖樣完全破壞，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的破碎，此時的強度值為殘余強度。此階段應(yīng)變快速增加而應(yīng)力迅速下降直至保持不變，被稱為塑性流動階段。

2.2 蝕變巖樣遇水軟化現(xiàn)象分析

根據(jù)天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)的蝕變巖三軸應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線可以看出蝕變巖樣在經(jīng)過飽水后相較于天然狀態(tài)下的峰值強度有顯著的降低。

a) 從水物理角度分析：與英安巖等未蝕變巖不同，蝕變巖由于蝕變作用導致其內(nèi)部產(chǎn)生大量不均勻的孔隙且相互貫通，水分子通過這些孔隙所形成的通道逐漸滲透到蝕變巖內(nèi)部，削弱其內(nèi)部礦物顆粒的結(jié)構(gòu)強度，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，微裂隙和無膠結(jié)空洞進一步發(fā)育，從而導致其力學性質(zhì)發(fā)生改變。

b) 從水化學角度分析：蝕變巖樣內(nèi)部的礦物成分、膠結(jié)物等由于水解反應(yīng)而溶解，使巖樣的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變了蝕變巖的性狀。在蝕變作用下，巖樣內(nèi)的礦物成分發(fā)生變化，新產(chǎn)生的礦物對水愈加敏感，在經(jīng)水化學作用后損傷更加明顯[10]。

作者將試驗得到的飽水狀態(tài)下蝕變巖試樣峰值應(yīng)力與天然狀態(tài)下峰值應(yīng)力在相同圍壓下的比值作為軟化系數(shù)，研究不同圍壓下蝕變巖樣的軟化程度，軟化系數(shù)越小表示蝕變巖樣的遇水軟化程度越高，軟化系數(shù)結(jié)果見表1。不同圍壓對應(yīng)的蝕變巖強度軟化系數(shù)為：0.268、0.312、0.345和0.373。蝕變巖的軟化系數(shù)隨著圍壓的增大逐漸增加，與圍壓程線性關(guān)系：y=0.0174x+0.2375，相關(guān)系數(shù)為R2=0.9839，即蝕變巖的軟化程度隨著圍壓的增加表現(xiàn)出一定程度的下降，見圖8。分析其原因是因為圍壓的增長對蝕變巖的強度有一定的提升，在一定程度上間接抵消了由于水分子進入蝕變巖內(nèi)部造成的不利影響。

表1 不同圍壓和狀態(tài)下的峰值強度及軟化系數(shù)

3 結(jié)論

本文采用MTS 815程控伺服剛性試驗系統(tǒng)對蝕變巖樣進行三軸壓縮試驗，根據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力條件和取樣點的位置設(shè)置圍壓級別分別為2、4、6、8 MPa。對飽水狀態(tài)和天然狀態(tài)的巖樣分別進行試驗后，得到以下結(jié)論。

a) 通過試驗獲得多組數(shù)據(jù)，將該蝕變巖樣的三軸壓縮應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線劃分成5個階段。

b) 試驗表明蝕變巖遇水軟化現(xiàn)象顯著，水在蝕變巖內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力集中和改變蝕變巖內(nèi)的礦物組成是其強度減弱的內(nèi)在因素。

c) 分析了蝕變巖軟化系數(shù)隨著圍壓變化的關(guān)系，得出了軟化系數(shù)隨圍壓的增大而增加，且呈線性關(guān)系。