寸春發(fā) 趙永順 郇久陽 邱子娟 何明明

（1.云南建投基礎工程有限責任公司，云南昆明 650000；2.西安理工大學巖土工程研究所，陜西西安 710048）

0 引言

天然巖體中通常分布有縱橫交錯的節(jié)理裂隙，這使得其宏觀力學指標較完整巖石有較大差異[1-2]。板巖具有顯著的板狀構造，其力學性質具有天然的各向異性[3]。在長期風化、水流侵蝕作用下，不同地質環(huán)境下的板巖出現(xiàn)了不同程度的風化現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為微、中、強和全風化狀態(tài)，因此實際工程中板巖的工程特性非常復雜。通常情況下，巖石風化程度越高，其工程性質越差?，F(xiàn)有研究中，已有學者針對板巖的力學性質作了許多有益的研究。

李二強等[4]基于室內物理力學試驗和數值模擬方法進行了不同層理傾角炭質板巖的巴西劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)板巖的抗拉強度和破壞形態(tài)與層理角度有很大關系。宋勇軍等[5]基于室內物理力學試驗對干燥和保水狀態(tài)下炭質板巖的力學性質進行了研究，討論了水對炭質板巖強度和變形特征的影響規(guī)律。冒海軍等[6]基于單弱面理論研究了板巖巖體抗壓強度隨結構面方位的變化情況，并討論了結構面方位對板巖破壞模式的影響。江宗斌等[7]對腐蝕環(huán)境下含貫通裂隙板巖的滲透特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同化學溶液對裂隙寬度有截然不同的影響。左清軍等[8]通過三軸壓縮蠕變試驗分析了富水泥質板巖的蠕變力學特性，并提出了考慮吸水率的黏彈塑性蠕變本構模型。陶志剛等[9]基于現(xiàn)場監(jiān)測試驗對公路隧洞炭質板巖的蠕變變形規(guī)律進行了研究，得到了不同含水率下炭質板巖的蠕變規(guī)律方程。

可以看出，現(xiàn)有研究已經對炭質板巖的力學性質有了一些闡述，主要關注于裂隙面分布形式、滲流以及含水狀態(tài)對板巖強度和變形特性的影響。這些研究大多基于室內物理力學試驗或者理論模型，并且針對的板巖以微風化或全風化類型為主，缺少對中等風化板巖、強風化板巖力學性質的研究，因此很難全面揭示實際工程中不同風化程度板巖的真實力學行為。

為了彌補現(xiàn)有研究的不足，本研究以云南玉溪某新建大型項目為依托，借助多項室內物理力學試驗和原位試驗相結合的方式，對中等風化炭質板巖和強風化炭質板巖的基本物理力學指標、力學行為以及工程特性進行了較為全面的研究。本次研究著重討論了含水率從天然狀態(tài)提升至飽和狀態(tài)后炭質板巖力學指標的變化規(guī)律，并很好地揭示了炭質板巖力學指標的離散性，研究成果可以為本區(qū)域后續(xù)類似工程的勘察設計和安全評價提供重要的參考價值。

1 工程背景及地質概況

某新建鋼鐵廠區(qū)項目地處云南省玉溪市大開門區(qū)域，該地區(qū)位于云南省中部偏西南，地處哀牢山中段東麓，北緯23°38′15″-24°26′05″、東經101°16′30″-102°16′50″，屬于多構造復合體系交織的部位。整個區(qū)域受自北西向的構造控制，主要構造為北東側的楚雄-化念斷裂（F69）、化念-石屏斷裂（F70）和曲江斷裂（F65），南西側的哀牢山山前斷裂（F23）和水塘-元江斷裂（F27）。廠區(qū)處于斷裂帶之外，與斷裂帶的距離為5.5～53 km。

該場地基底地層主要為中元古界黑頭山組（Pt2hs）炭質板巖，巖層薄厚不均勻，且揉皺現(xiàn)象明顯（見圖1）。從圖1中可以看出，該場地表面巖體裂隙極其發(fā)育，理面多成“X”形、“米”形組合狀態(tài)，完整性很差，部分節(jié)理面中存在不同程度的填充物。

圖1 地基板巖出露現(xiàn)場照片

經過實地勘查后發(fā)現(xiàn)，該場地深部炭質板巖包括中等風化和強風化兩類，均屬于板狀構造。其中，中等風化板巖呈灰黑色，節(jié)理裂隙發(fā)育一般。其巖芯呈碎塊狀和短柱狀，局部炭化嚴重，采取率約70%，RQD約15%。而強風化板巖多呈黃褐色，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，裂隙間大多填充灰色黏土，巖芯呈土狀、角礫狀和碎塊狀，采取率約50%，RQD均小于2%。現(xiàn)場調查與監(jiān)測結果表明，在水的浸泡軟化、外荷載及挖方卸荷等作用下，在建場地局部地基出現(xiàn)了不均勻沉降，多處邊坡體出現(xiàn)滑移破壞等不良作用，對工程建設的安全造成了很大威脅。

2 中等風化炭質板巖力學特性

2.1 巖樣制備及試驗方案

本節(jié)研究對象為中等風化炭質板巖，在工程現(xiàn)場不同位置分別進行鉆孔取芯，埋深為30～50 m，巖芯采取率為68%～90%，如圖2(a)所示。挑選無可見裂隙、尺寸較長的巖芯在室內實驗室進行切割和打磨，并保證巖樣端部的平整度滿足相應規(guī)范的要求。由于完整巖心尺寸參差不齊，最終制成的圓柱型試樣的高度為80～120 mm，直徑大約為50 mm，與規(guī)范中所述標準試樣的尺寸非常接近，部分試樣見圖2(b)。

圖2 炭質板巖試樣制作過程

為清晰掌握炭質板巖的力學特性，分別從天然和飽和這兩個含水狀態(tài)對炭質板巖試樣的力學指標進行討論。本研究所需天然試樣的取樣、制作過程均采取專門的密封、保濕和保溫措施，所需飽和試樣采用水浸結合真空抽氣法得到。本次研究中，炭質板巖試樣共22組，每組6個，其中天然和飽和試樣的數量均為3個。試樣制備期間，對炭質板巖試樣的基本力學指標進行了詳細測定和記錄。隨后，依次對這些試樣進行單軸壓縮試驗。

本次室內物理試驗所采用的設備為YAW-2000型微機控制電液伺服壓力試驗機（見圖3）。該儀器具有精度高、可靠性強以及穩(wěn)定性佳等優(yōu)點，最大軸向力為2000 kN，試驗力示值相對誤差 ≤ ±1%。本次試驗采用位移加載方式控制，加載速度設定為0.5 mm/s，共進行132次試驗。

圖3 YAW-2000型微機控制電液伺服壓力試驗機

2.2 試驗結果分析

2.2.1 基本物理指標

基于試樣制作期間記錄的數據，整理了22組炭質板巖試樣的基本物理指標數值，包括比重、密度、吸水率和孔隙率（見表1）?？梢钥闯觯煌抠|板巖試樣基本物理指標數值的差異較小，說明本次所取炭質板巖試樣的常規(guī)物理性質非常接近。天然試樣浸水后密度均有所增加，說明天然試樣均處于非飽和狀態(tài)，并且含水率非常接近。

表1 炭質板巖基本物理指標統(tǒng)計表

2.2.2 單軸抗壓強度

根據單軸壓縮試驗的應力-應變曲線，得到不同組炭質板巖試樣在天然和飽和兩種狀態(tài)下的單軸抗壓強度數據。由于本次試驗所用試樣的尺寸并不統(tǒng)一，因此非標準尺寸試樣的單軸抗壓強度數值均按規(guī)范要求進行尺寸修正，最終結果整理見表2所示。其中，單軸抗壓強度數值為每組試樣的平均值，軟化系數為飽和試樣單軸抗壓強度與天然抗壓強度的比值。

表2 炭質板巖單軸抗壓強度 MPa

從表中數據可知，天然試樣的單軸抗壓強度為8.10～11.06 MPa，平均9.61 MPa；飽和試樣單軸抗壓強度為4.58～6.80 MPa，平均5.39 MPa。另外，不同組試樣的軟化系數為0.47～0.67，平均0.56。上述結果表明，隨著試樣內部含水率由天然狀態(tài)增加至飽和狀態(tài)，炭質板巖試樣的單軸抗壓強度出現(xiàn)了急劇下降，并且?guī)r體自身軟化程度各有不同。

圖4給出了不同組炭質板巖試樣在兩種含水狀態(tài)下的單軸抗壓強度分布圖。結合表3和圖4可以看出，不同組炭質板巖試樣在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強度均各不相同，表現(xiàn)出一定的離散性。經過簡單計算可知，天然試樣單軸抗壓強度的標準差為0.96 MPa，而飽和試樣單軸抗壓強度的標準差為0.49 MPa。這說明，隨著炭質板巖試樣含水率的增加，其單軸抗壓強度的離散性在逐漸降低。結合2.2.1節(jié)可知，本次研究中所用炭質板巖試樣的基本物理力學指標是非常接近的，因此其抗壓強度的離散性必然來源于試樣內部的微裂紋分布狀態(tài)的差異。

圖4 炭質板巖試樣單軸抗壓強度分布圖

表3 強風化板巖顆粒分析結果匯總

現(xiàn)有研究[3-4]表明，巖體的力學性質具有明顯的各向異性，這一規(guī)律通過本節(jié)不同組炭質板巖試樣的單軸抗壓強度分布規(guī)律可以很好地體現(xiàn)。一方面，本文研究所依據的基巖構造非常復雜；另一方面，本次物理試驗所用試樣原本分布于場地多個位置。這兩個主要因素使得炭質板巖試樣內部微裂紋的組合狀態(tài)完全不同，最終導致不同試樣的單軸抗壓強度出現(xiàn)較大差異。另外含水率的增加并不會改變試樣內部微裂紋的組合狀態(tài)，但會影響完整巖塊以及微裂紋表面上的強度指標。

2.2.3 破壞模式分析

為分析炭質板巖的破壞機理，圖5給出了部分試樣經過單軸壓縮試驗后的破壞圖，試樣編號為y-1、y-5、y-9、y-13、y-17和y-21，均為天然含水率條件。

圖5 炭質板巖試樣破壞后照片

從圖中可以看出，試樣經歷壓縮過程后均破碎為若干巖塊，這些巖塊以片狀居多，顆粒狀的較小。其中，片狀巖塊表面呈較新鮮狀態(tài)，部分巖塊新露出的表面上存在少許泥漬，并且相鄰巖塊間基本保持吻合狀態(tài)。由于本次單軸壓縮試驗在室內進行，不存在試驗完成后將泥漬濺到試樣上的可能，因此可以推斷節(jié)理面上存在的泥漬痕跡為其自身攜帶的。這說明，這些表面存在泥漬的節(jié)理面在進行單軸壓縮試驗前就已經存在，但通過肉眼卻很難分辨。

由于地基中水的滲流作用，部分水和微小粒徑土顆粒進入到了巖體的微節(jié)理中，殘留了部分土顆粒，形成了泥漬痕跡。由于重力作用以及節(jié)理面形態(tài)和位置的影響，節(jié)理面上泥漬痕跡的數量和分布各不相同。另外，部分巖塊新露出的節(jié)理面上幾乎沒有泥漬痕跡，這說明這些節(jié)理面有很大概率是新產生的。

試樣破壞后，大多數新露出節(jié)理面的整體傾斜方向與單軸壓縮方向的夾角較小，大致為0°～45°，與圖1中所示地基出露現(xiàn)場圖中所示規(guī)律基本一致?？碧竭^程中，取巖芯的鉆孔是垂直于水平地面的，因此可知該工程局部基巖出現(xiàn)了較為明顯的褶皺現(xiàn)象。在單軸壓縮應力作用下，炭質板巖試樣大多表現(xiàn)為壓剪破壞，新產生節(jié)理面的位置與試樣內部微裂紋的分布特征有很大關系?，F(xiàn)有研究表明，巖體內節(jié)理面的傾角以及其表面粗糙度對其宏觀力學性質有重要影響[3-4]，而本文2.2.2節(jié)中試樣單軸抗壓強度的離散性能很好地驗證這一機制。

3 強風化板巖物理力學特性

該工程場地中強風化板巖的揭露層為0.50～19.20 m，節(jié)理面非常發(fā)育，且內部大多含有軟弱夾層。本次研究分別基于室內顆粒分析試驗以及原位剪切試驗對其力學特性進行分析。

3.1 室內顆粒分析試驗

采用鉆孔取芯的方式獲取強風化板巖的樣本，典型鉆孔結果如圖6所示，其中圖6(a)和圖6(b)分別為不同鉆孔的勘探結果?？梢钥闯?，強風化炭質板巖質地極其松散，巖芯經機械破碎后呈現(xiàn)為土狀、角礫狀以及碎塊狀。將一部分強風化板巖樣本（共8個）按規(guī)范要求帶回室內實驗室，并進行顆粒分析試驗，結果如表3所示。

圖6 強風化板巖鉆孔結果照片

從表3中數據可以看出，不同鉆孔所取樣本的顆粒分析試驗結果有很大差異。為了方便后續(xù)描述，現(xiàn)將粒徑在0.075～2 mm的土顆粒統(tǒng)稱為粗中細砂，將粒徑在0.075 mm以下的土顆粒統(tǒng)稱為粉黏土。

分析發(fā)現(xiàn)，碎塊石含量的差異最明顯，最大相差29.8%；角礫石和粉黏土含量的差異有所下降，最大相差分別為27.8%和13.2%；粗中細砂含量的差異最小，最大相差為7.3%?？芍?，強風化板巖中不同粒徑土顆粒的比例有很強的離散性，尤其表現(xiàn)在較大粒徑的碎塊石和角礫石上。

根據表3中強風化板巖在不同粒徑范圍下土顆粒的比例數據，圖7給出了不同樣本對應的顆粒級配曲線以及平均級配曲線?？梢钥闯觯煌瑥婏L化板巖樣本的級配曲線形態(tài)有一定差異，但整體規(guī)律基本相似。從平均級配曲線來看，碎塊石的平均占比最大，為32.8%；角礫石的平均占比略小，為31.4%；粉黏土的平均占比為28.7%；粗中細砂的平均占比最小，僅為7.2%。因此可知，強風化板巖內部顆粒近似呈現(xiàn)兩極分化的狀態(tài)，其中較大粒徑土顆粒的比例比粉黏土略大。

圖7 強風化巖石顆粒級配曲線

從顆粒級配曲線形態(tài)上來看，粗中細砂對應段曲線局部表現(xiàn)為近似水平狀態(tài)，這說明該粒徑范圍土顆粒在強風化板巖內部是缺失的。綜上可知，巖石土顆粒的整體均勻性很差。

圖8給出了該工程局部強風化板巖出露面的現(xiàn)場圖。結合該工程地質勘探資料可知，較大粒徑的碎塊石和角礫石均屬節(jié)理面壁巖石。強風化板巖內部節(jié)理面錯綜復雜，無數節(jié)理面將巖體切割為不同大小的巖塊。由于長期風化和滲流作用，這些節(jié)理面間以軟弱夾層居多，而砂粒較少?？梢钥闯?，巖體中不同位置巖塊和軟弱夾層的分布具有隨機性，而節(jié)理面間軟弱夾層厚度以及其分布特征是強風化顆粒分析結果出現(xiàn)強離散性的重要原因。由于鉆孔取樣的緣故，較大尺寸的巖塊被鉆壁切割，因此實驗室條件下最大巖塊的尺寸被限制在了50 mm以下。綜上可以證實，本次顆粒分析結果與工程現(xiàn)場的實際情況完全一致。

圖8 強風化板巖出露面現(xiàn)場圖

3.2 原位剪切試驗

從3.1中室內顆分實驗得到的結果可以看出，強風化板巖的構成已經接近土體。如果將強風化板巖樣本帶回實驗室進行相關試驗，其內部天然結構會發(fā)生較大變化，最終測得力學指標的準確性會大打折扣。因此，為了真實反映其力學特性，在工程現(xiàn)場對強風化板巖依次進行了3組天然狀態(tài)和3組浸水狀態(tài)下的固結快剪試驗。

3.2.1 試驗方案和流程

本次試驗方案依據《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)[10]及《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)[11]中的有關要求進行設定。每組試驗的數量為5個，分別對應5種不同法向應力條件。本次試驗中，設定作用在試樣上的法向應力分別為75 kPa、155 kPa、235 kPa、315 kPa和395 kPa，通過鋼結構梁堆重平臺間接施加。本次原位試驗所采用的剪切盒尺寸為55 cm×55 cm，高度為30 cm。另外，采用千斤頂施加剪切力，并采用壓力表記錄剪切力數據。強風化板巖原位剪切試驗2號試驗點的現(xiàn)場布置如圖9所示。

圖9 強風化板巖原位剪切試驗現(xiàn)場布置圖

本次原位剪切試驗的實施點共有3處，每處場地首先在地下0.5 m深度處依次進行天然狀態(tài)下強風化板巖在不同法向應力下的固結快剪試驗，之后在原位置的0.7 m深度處進行浸水狀態(tài)下強風化板巖的固結快剪試驗。其中，實施不同法向應力的試樣彼此相鄰一定水平距離。實施不同含水率下強風化板巖原位試驗的位置非常接近，這樣可以將巖體各向異性的影響降到最低，因此試驗結果也更有說服力。

3.2.2 試驗結果分析

圖10給出了1號原位剪切試驗（編號DJ-1-A）在不同法向應力下的剪切應力剪切位移曲線以作代表性說明，試樣為天然含水率狀態(tài)，剪切位移大約為50 mm。從圖中可以看出，剪切應力剪切位移曲線大致呈兩個階段，主要以剪切應力峰值點區(qū)分。峰前階段，隨剪切位移的增加，剪切應力快速增加，隨后增長速率逐漸減緩，直至達到峰值點。法向應力越大，峰前階段剪切應力的整體增長速率越大。峰后階段，隨著剪切位移的增加，剪切應力逐漸降低，降低速率不大且不受法向應力的影響。

圖10 不同法向應力強風化板巖剪切應力-剪切位移曲線（DJ-1-A）

整理強風化板巖試樣在不同法向應力下的剪切強度結果，匯總如表4所示?？梢钥闯?，隨著試樣所受法向應力的增加，風化板巖的剪切強度不斷增加。圖11給出了不同方案下法向應力與剪切強度的對應關系，并采用式（1）所示的M-C準則對數據進行擬合，分別得到抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ，結果見圖11和表4。

圖11 強風化板巖法向應力與剪切強度關系

表4 強風化板巖剪切強度及抗剪強度指標匯總

從圖11可以看出，隨著法向應力的增加，強風化板巖試樣的剪切強度呈線性增加趨勢，相關性很好。

這說明，本次原位剪切試驗的實施過程和結果均是可靠的，能夠反映強風化板巖的真實抗剪強度特性。其次，強風化板巖在浸水后剪切強度有明顯降低，降低幅度隨著法向應力的增加有增加的趨勢。另外，原位剪切試驗進行的位置不同，強風化板巖的抗剪強度指標均有所差異但不是很大，進一步反映了巖體力學指標的離散性。

結合表4和圖11可以看出，強風化板巖在浸水后抗剪強度指標均有所下降。其中，黏聚力c在1號、2號和3號試驗中分別降低16.16%、6.31%和8.08%，平均降低10.18%；內摩擦角φ在1號、2號和3號試驗中分別降低5.67%、10.18%和10.89%，平均降低8.91%。整體來看，強風化板巖中含水率的增加對黏聚力c的影響要大于內摩擦角φ。

4 地基巖體工程特性測定

從上文研究可知，中等風化板巖雖然強度不高，但仍屬于巖石類，其作為工程地基時承載力通常是足夠的。因此，本節(jié)僅對其化學特性進行了測定。而對于強風化板巖而言，其質地非常松散，與土的性質類似，工程性較差。因此，本節(jié)進一步對強風化板巖的工程特性進行了實地測定，分別從滲透性和承載力這兩個方面進行。

4.1 中等風化板巖化學組成分析

本次研究共選取三組炭質板巖巖芯試樣進行光譜半定量檢測，通過該途徑可以準確了解炭質板巖內部的化學組成和各自占比，檢測結果見表5。結果表明，炭質板巖中硅（Si）元素的含量最高，為25%以上；其次為鐵（Fe）元素，其含量在8.5%～9%；接下來為鋁（Al）元素，其含量大于5%；鉀（K）和鎂（Mg）元素的含量也較高，均超過了1%。

表5 炭質板巖光譜半定量檢測數據統(tǒng)計表(ω(B)/(10-2))

由上述結果可知，中等風化板巖含有大量硅酸鹽礦物。根據江宗斌等[7]的研究，雨水中含有的酸性物質會通過微裂隙進入巖石內部，并與這些硅酸鹽礦物發(fā)生反應，造成巖石局部出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。其他礦物也會在外部腐蝕物質的影響下發(fā)生不同的侵蝕反應?？傊?，巖石在長期侵蝕作用下勢必會導致其力學性質不斷弱化，而弱化機理與各元素的含量有重要聯(lián)系。

4.2 強風化板巖滲透性測定

為了了解強風化板巖的滲透性，本次研究對工程場地內5個不同位置的強風化板巖分別進行了試坑滲透試驗，具體試驗流程按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）[11]的相應要求進行。本次試驗采用單環(huán)法，直徑為50 cm。當供水瓶流出水量穩(wěn)定后，每隔20 min對其滲流量進行記錄，共記錄6次。滲透系數采用式（2）進行估算。

式中：Q為滲流水量，cm3；t為時間，s；Ah為鐵環(huán)面積，cm2。強風化板巖的滲透系數kt的估算結果見表6。從表中可以看出，強風化板巖的滲透系數kt為8.71×10-4～9.19×10-4cm/s，平均值為8.93×10-4cm/s。根據規(guī)范可知，本工程強風化板巖地層屬于中等透水層。

表6 現(xiàn)場注水試驗結果統(tǒng)計表

4.3 強風化板巖地基承載力測定

為獲得強風化板巖地基的承載力指標，在工程現(xiàn)場的6個試驗點分別進行了超重型圓錐動力觸探試驗，試驗點的埋深在5～15 m。之后，依據規(guī)范要求對錘擊數（N120）進行了一系列修正，最終試驗結果見表7。

表7 板巖重型（N120）動力觸探試驗結果統(tǒng)計表

根據表7中的結果可知，本研究區(qū)域內強風化板巖的修正后錘擊數的平均值為9.8擊。依據《工程地質手冊》[12]中的相關資料，可知本研究區(qū)域內強風化板巖的地基承載力特征值fak約720～800 kPa，基本符合強風化軟巖地基承載力的合理范圍。

5 結論

對中等風化板巖和強風化板巖的力學性質和工程特性進行了全面的研究，得到以下結論：

（1）不同天然中等風化板巖樣本的單軸抗壓強度具有很強的離散性。含水率增加后，中等風化板巖的軟化系數在0.47～0.67，強度弱化非常明顯。壓縮過程中，板巖試樣的破壞大多沿內部微裂紋處產生，整體破壞模式與巖石內預先存在的微裂紋的分布形式有密切關系。

（2）強風化板巖質地極其松散，顆粒級配表現(xiàn)為明顯的兩極分化現(xiàn)象，級配曲線出現(xiàn)了特殊的粒徑缺失段，均勻性不佳。原位剪切試驗中，隨著法向應力的增加，強風化板巖的抗剪強度近似線性增加。隨著含水量的增加，強風化板巖的黏聚力和內摩擦角均有所降低。

（3）中等風化板巖內部硅（Si）元素的含量最高，其次為鐵（Fe）、鋁（Al）、鉀（K）和鎂（Mg）等。強風化板巖地層的滲透系數平均值為8.93×10-4cm/s，屬于中等透水層。強風化板巖的統(tǒng)計修正后錘擊數為9.8擊，地基承載力特征值fak約為720～800 kPa。