黃永強，徐光黎，趙德文，李昊熹

(1. 中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074； 2. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 研究背景

云母石英片巖分布較為廣泛，在區(qū)域變質(zhì)巖分布地區(qū)經(jīng)常可見。秦嶺—大巴山是我國十分重要的造山帶，主要巖性為典型的變質(zhì)巖，位于秦巴山脈東部的鄂西北地區(qū)盛產(chǎn)區(qū)域變質(zhì)巖，其中又以片巖最為發(fā)育，各類片巖占比約60%[1]。鄂西北地區(qū)已修建開通的十漫高速公路、襄十高速公路、通省隧道等民生工程，地層巖性以中—強風化絹云母石英片巖為主，在建造和運營的過程中均出現(xiàn)了一定數(shù)量的邊坡和隧道變形破壞事故，對當?shù)厝嗣袢罕姷纳拓敭a(chǎn)安全產(chǎn)生很大威脅[2-3]。

巖體長期裸露在空氣中會遭受包括太陽輻射、風力吹蝕、雨水侵蝕、雷電等自然營力的綜合風化作用，由于巖體是一種非均質(zhì)多相復合結(jié)構(gòu)的材料，在外界條件的反復作用下，會導致巖體結(jié)構(gòu)的劣化和力學性質(zhì)變差，甚至會對組成巖石的礦物成分產(chǎn)生分解作用。在雨熱氣候條件同期的地區(qū)，地下水的滲流和天然降水進入地表巖體，同時受外界光熱影響，易形成降水—蒸發(fā)型干濕循環(huán)作用。干濕循環(huán)對巖石力學特性的相關(guān)研究表明，相比于長時間浸水，反復干濕循環(huán)作用下的巖體力學特性衰減作用更為強烈[4]。為探究干濕循環(huán)對巖石力學特性的影響，國內(nèi)外許多學者做了大量的工作，并取得了一定的成果。徐志華等[5]采用波速、單軸壓縮和三軸壓縮試驗，對庫岸邊坡消落區(qū)紅砂巖的強度劣化特性及損傷演化規(guī)律進行了研究，定量分析了砂巖的強度、波速、孔隙率、粘聚力和內(nèi)摩擦角等指標。YUAN W等[6]將砂巖放置不同酸堿度環(huán)境中進行干濕循環(huán)試驗，用單軸、三軸試驗確定砂巖的粘聚力和摩擦角的劣化效應(yīng)，并分析了砂巖的主要礦物在酸性、中性、堿性條件下的穩(wěn)定性。劉新榮等[7]運用SEM電鏡掃描技術(shù)對干濕循環(huán)作用下的泥質(zhì)砂巖的微細觀結(jié)構(gòu)的變化進行探究，并對該條件下的泥質(zhì)砂巖的莫爾—庫倫強度理論表達式進行了修正。LIU X[8]等對三峽庫區(qū)的泥質(zhì)砂巖進行室內(nèi)單軸和三軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)：干濕循環(huán)對粘聚力的劣化的影響大于對摩擦角的影響。以上試驗研究成果表明：干濕循環(huán)作用會對巖石產(chǎn)生不可逆的漸進性損傷，主要表現(xiàn)為巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、抗剪強度、粘聚力等指標會隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外干濕循環(huán)試驗多以砂巖、泥巖等沉積巖為主、為數(shù)不多的變質(zhì)巖多是巖質(zhì)較為堅硬且完整的大理巖，而強度較低的云母石英片巖在干濕循環(huán)作用下其巖石強度劣化度演變規(guī)律研究鮮有見聞。本文以鄂西北元古宙武當山群云母石英片巖為研究對象，結(jié)合針貫入試驗，研究干濕循環(huán)作用下云母石英片巖的強度劣化度演變規(guī)律。

2 試驗制備和試驗方法

2.1 試驗材料

從湖北省在建漢十高鐵十堰北站北側(cè)新開挖的高陡巖質(zhì)邊坡的同一區(qū)域內(nèi)采取5組巖性基本一致、表面較為平整規(guī)則的巖石樣。對試樣進行薄片鑒定(見圖1)。

圖1 顯微結(jié)構(gòu)

鑒定結(jié)果表明：試樣為灰黃色絹云母石英片巖，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。巖石主要礦物為石英(72%)、絹云母(22%)、方解石(3%)、斜長石(2%)、角閃石(1%)。巖石具片理發(fā)育，石英、絹云母、斜長石呈不連續(xù)性定向排列。絹云母呈片狀，一組完全解理，干涉色達Ⅱ級藍綠，巖石局部連續(xù)定向明顯。斜長石呈他形板狀、粒狀，可見聚片雙晶及卡納復合雙晶。角閃石為變質(zhì)殘余粒狀，局部已蝕變?yōu)榫G簾石及絹云母。巖體風化程度為強風化，角閃石、斜長石均有蝕變。巖石具硅化。巖石可見后期的方解石脈，方解石兩組完全解理，可見聚片雙晶，干涉色呈高級白—Ⅳ級淺藍綠。

對5組試樣進行室內(nèi)常規(guī)物理試驗，其基本物理參數(shù)見表1。

表1 云母石英片巖基本物理指標

2.2 試驗儀器

試驗采用日本發(fā)明的一種便攜式儀器——針貫入儀，進行室內(nèi)實驗，如圖2所示。

圖2 針貫入室內(nèi)試驗

針貫入儀是一種專門測定軟巖強度的儀器，已被國際巖石力學協(xié)會(ISRM)采納為巖體強度測試方法，實驗表明其測定結(jié)果合理有效[9]。他的最佳測定范圍為0.5～20 MPa，能夠有效地測試出所測范圍之內(nèi)的巖性所代表的完整巖石的強度，力和位移量都能夠滿足本次試驗測試的要求。相比于以往的干濕循環(huán)試驗測定試樣單軸抗壓強度時需要采用一組標準試件，不僅制樣繁瑣，對試樣擾動大，而且每一個試樣測定一個單軸抗壓強度值后便發(fā)生破壞。此次引用的針貫入試驗具有以下優(yōu)點：無需制備標準試件，試樣長、寬、高分別滿足大于20，20，5 cm的標準，表面較為平整規(guī)則即可；試驗的結(jié)果不存在“尺寸效應(yīng)”；在干濕循環(huán)試驗中，由于貫入針較細，試驗過程中對試樣的破壞區(qū)域較小，基本上可以忽略其對試樣完整性和單軸抗壓強度的影響。一塊試樣可以完成干濕循環(huán)試驗的整個流程，測定多個不同干濕循環(huán)次數(shù)下的單軸抗壓強度值，直至試件破壞。針貫入儀的具體操作流程和數(shù)據(jù)處理方法可參考參考文獻[10]。

2.3 試驗步驟

每次試驗通過干濕循環(huán)來模擬雨熱同期地區(qū)巖體的真實賦存條件，采用針貫入儀來測定試樣在不同循環(huán)次數(shù)下的強度變化規(guī)律。本次試驗試樣共有5組，編號SY-1、SY-2、SY-3、SY-4、SY-5，前4組為實驗樣，SY-5為預留樣。干濕循環(huán)過程按照《工程巖體試驗方法標準》設(shè)定。

在試樣干濕循環(huán)次數(shù)達到第0，3，6，10，15次后，試件處于飽和狀態(tài)下時，先用砂紙抹平試樣表面，拭去表層雜質(zhì)，然后用針貫入儀沿垂直試樣片理面方向進行針貫入試驗，記錄每組試驗的貫入力和貫入量。為了消除因礦物組合和排列不均勻?qū)r石整體強度的影響，應(yīng)多次測試，取均值，每次試驗采用1組測試12次作為針貫入的標準。每次試驗時，針貫入點位距巖塊邊應(yīng)大于1 cm，兩點間距離也須大于1 cm[11]。

3 試驗結(jié)果與分析

按照試驗設(shè)計方案，當干濕循環(huán)次數(shù)達到設(shè)定的數(shù)量時，立刻對飽和狀態(tài)下的試樣進行針貫入試驗，統(tǒng)計分析每組數(shù)據(jù)的單軸抗壓強度最大值、最小值、平均值、變異系數(shù)。針貫入試驗結(jié)果見表2。

表2 針貫入室內(nèi)結(jié)果

為了定量描述干濕循環(huán)作用對巖石的損傷程度，引入劣化度概念來對5組試樣進行了分析，公式如下：

(1)

(2)

式(1～2)中：Tσi，Tσ(i-1)分別為云母石英片巖單軸抗壓強度在第i次和第i-1次干濕循環(huán)下的劣化程度；Mσi為試樣第i次干濕循環(huán)作用下單軸抗壓強度總劣化度較上一階段總劣化度的差值比兩階段循環(huán)次數(shù)之差[12]；σc0，σci分別為云母石英片巖在第0次和第i次干濕循環(huán)作用下的飽和單軸抗壓強度；ni，ni-1分別為第i次和第i-1次的干濕循環(huán)次數(shù)。

云母石英片巖的強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，對表2中5組試樣的數(shù)據(jù)進行擬合，以干濕循環(huán)次數(shù)n為橫坐標，單軸抗壓強度為縱坐標，擬合結(jié)果顯示試樣的單軸抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，5組試樣的相關(guān)系數(shù)R2的范圍在0.948 3～0.986 7之間，相關(guān)性較好，擬合關(guān)系曲線見圖3。

圖3 5組試樣單軸抗壓強度和干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

為了探究云母石英片巖的整體強度衰減規(guī)律，將5組試樣強度數(shù)據(jù)進行歸一化處理：即將每次干濕循環(huán)得到的單軸抗壓強度值與第0(飽和)次干濕循環(huán)的單軸抗壓強度值所得到的比值進行擬合，得到云母石英片巖歸一化強度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 干濕循環(huán)次數(shù)對歸一化強度的影響關(guān)系

結(jié)合表3和圖3～4，可以看出，在水的軟化作用和干濕循環(huán)的風化作用下，第3次干濕循環(huán)后，所有試樣強度立刻出現(xiàn)相當明顯的下降，強度衰減速度很快，平均衰減幅度達28.9%。但隨著循環(huán)次數(shù)的增多，下降幅度逐漸變小，直至趨于平緩，最終曲線幾近于平行橫坐標軸。從試樣的單軸抗壓強度總劣化度來看，實驗前期，總劣化度快速增長，到了試驗中期，增長速度開始放緩，后期各階段內(nèi)的平均劣化度值更是接近于0，可見當干濕循環(huán)次數(shù)達到一定的數(shù)量之后，再進行干濕循環(huán)對巖石的單軸抗壓強度影響微乎其微。5組試樣的強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加一直呈漸進式下降趨勢，經(jīng)過15次干濕循環(huán)，5組試樣的總劣化度分別為32.85%、35.56%、39.14%、42.41%和42.54%，平均劣化度為38.26%，說明干濕循環(huán)會對云母石英片巖的強度產(chǎn)生較大的且不可逆的損傷。試樣強度的衰減與其基本特性和礦物成分的組成有關(guān)，云母石英片巖主要由石英等堅硬部分、云母等軟弱部分和孔隙缺陷3部分構(gòu)成[13]，在不斷地干濕交替過程中，產(chǎn)生熱脹冷縮，巖石內(nèi)部顆粒間的作用力，如庫侖力、范德華力和膠結(jié)作用力等都會慢慢減弱[14]，造成巖石整體強度降低。

4 結(jié) 論

1)云母石英片巖巖性較軟，片理和細微節(jié)理等缺陷發(fā)育，導致其在取樣、制樣和試驗的過程中都存在很大的困難，故目前對其的力學特性研究相對較少。引入針貫入儀對試樣強度進行測定，利用針貫入儀對原樣擾動小，不需要對樣品進行加工處理，可在對原樣幾乎不造成影響的基礎(chǔ)上獲得每次干濕循環(huán)后的巖體單軸抗壓強度，一個試樣即可完成干濕循環(huán)試樣的整個過程，這極大地保障了試驗的連貫性和準確性。試驗結(jié)果表明針貫入試驗在研究干濕循環(huán)作用下強風化云母石英片巖的力學特性變化規(guī)律上有較好的適用性，有一定的推廣應(yīng)用價值。

2)在干濕循環(huán)作用下，云母石英片巖的強度隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)漸進式下降，下降趨勢總體為先快后慢，第3次循環(huán)時，強度平均衰減即達到28.9%，相比于砂巖、大理巖等較為堅硬且完整的巖石，其強度前期衰減速度快得多。當循環(huán)次數(shù)達15次時，五組試樣的強度劣化度分別為42.41%、42.54%、35.56%、39.14%和32.85%，說明干濕循環(huán)會對試樣產(chǎn)生較大的且不可逆損傷效果，巖體的強度演變符合冪函數(shù)變化規(guī)律。從總劣化度和各階段內(nèi)平均劣化度分析可以看出：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣強度的下降趨勢趨于平緩，當循環(huán)次數(shù)達到一定數(shù)量時，試樣的單軸抗壓強度將趨于一個定值，不會無限制降低。

3)本次針貫入試驗采用垂直層理面進行測定試樣的單軸抗壓強度，且只試驗到第15次干濕循環(huán)，15次之后的云母石英片巖力學特性的變化規(guī)律及干濕循環(huán)作用下平行于層理面的針貫入試驗還有待進一步探究。