宁津所微风化斜云煌斑岩的工程地质特性分析

摘 要：宁津所斜云煌斑岩属于区域性特殊岩体，主要呈脉状侵入于花岗片麻岩岩体中，在拟建工程场地内分布较为广泛。微风化斜云煌斑岩是工程场地内重要建（构）筑物的基础持力层，全面系统地评价斜云煌斑岩的工程地质特性对于该地区建设、地质工程勘察具有重要指导意义。

关键词：宁津所；微风化；斜云煌斑岩；工程特性；物理特性；力学特性

中国胶东半岛的宁津所地区分布着小规模侵入状的中生代斜云煌斑岩，脉岩多呈条带状穿插分布于晚元古代青白口纪花岗片麻岩中（图1）。微风化斜云煌斑岩广泛分布于拟建工程厂区内，是重要建（构）筑物的基础持力层，并且是基坑开挖过程中对边坡稳定性有重要影响的地层。

图1 宁津所地区斜云煌斑岩分布图

该类岩石具有特殊的成分构成与完整的组织结构特征，由斑晶和基质两部分组成。斑晶含量约为15%，已全部碳酸盐化呈半自形柱状假象，有的为聚斑状，大小一般为0.3～1mm。基质中斜长石含量约为40%，呈半自形板条状，大小一般0.1～0.3mm，部分被方解石交代，部分可见聚片双晶。黑云母含量约为30%，碳酸盐化暗色矿物、磁铁矿、磷灰石等含量较少。岩石发生较强的碳酸盐化蚀变作用，局部可见沿裂隙分布的方解石细脉等，显微镜观察脉岩呈余变煌斑结构，块状构造。

目前有关煌斑岩的研究多集中于其地质成因、岩石学和地球化学特征及成矿特性，鲜见系统关注煌斑岩工程性质的文章，并且有案例表明煌斑岩可能对相关工程造成危害。鉴于以上现状，本文对宁津所地区微风化斜云煌斑岩的工程地质特性进行系统分析评价，以岩石力学和工程地质学结合的研究方法，从区域构造地质特点、矿物成分、物化特性、阐述其本质，为指导该地区工程建设、工程地质勘查提供一定理论支持。

1 试样制备与实验设备

岩石试样的采集兼顾不同地段、数量满足统计数据要求，同时取样位置力求性质均一、无结构面，每组样品力求在同一孔内最短的连续距离内采取。经现场采取后立即密封、包装，制作专门的样品运输箱装载，确保样品在运输过程中不受损伤，以保证试样质量。

整个场地采取微风化斜云煌斑岩6组。按照规范要求用切石机、磨石机进行切割、打磨成圆柱形标准试样，主要测试指标包括天然密度、干燥密度、饱和密度、含水率、自由吸水率、饱和吸水率，单轴抗压强度、抗剪强度、纵波波速、弹性模量和泊松比等。密度试验采用量积法，用游标卡尺测量试样高度和直径，精度0.01g的天平称量试样质量，计算试样密度。试样的烘干温度控制在105～110℃，烘干时间12～24h。试样饱和采用真空抽气法，在一个负大气压之下吸入蒸馏水，真空抽气4h后通气静置6h。单轴抗压试验在济南试验机厂生产的WE-1000A 型液压万能试验机上进行，分为干燥、天然、饱和单轴抗压强度。波速测试采用武汉岩土力学研究所生产的RSM-SY5 声波检测仪，压缩试验在长春新科生产的试验机上采用DH3815N 静态应变测试系统进行测试。

2 斜云煌斑岩的物理特性

试样比重为岩石试样的重量或质量与同体积水的重量（在4℃时的纯水）或质量之比。岩石试样的密度（块体密度）为单位体积岩石试样的质量。岩样的吸水率（本实验中为饱和吸水率）实验采用真空抽气法。实验过程中，饱和试样容器内的水面高于试样，真空压力表读数为100kPa，抽气时间大于4小时。经真空抽气的试样放置在原容器中，在大气压力下静置4小时，取出试样拭干表面的水分并称量。强制吸水后岩样的重量减去试样烘干后的重量（在105℃至110℃温度下烘24小时，取出放入自然器内冷却至室温后称量），与试样烘干后的重量之比即为吸水率。

岩样的孔隙率为岩样中孔隙体积与岩样总体积之比，实验过程中，将试样饱和吸水后的重量减去试样烘干后的重量并换算成体积（孔隙的体积），此体积除岩样总的体积即为孔隙率。实验中，逐个量测试样的几何尺寸，计算每个试样的体积，同时量称每个试样的重量，求出每个试样的重力密度ρ，实验得出微风化斜云黄斑岩的物理参数如表1所示。

表1 物性实验结果统计表

统计

指标 重力密度KN/m3 比重 干燥密度g/cm3 饱和密度g/cm3 孔隙率% 含水率% 吸水率% 饱和吸水率%

最小值 27.35 2.806 2.793 2.797 0.064 0.018 0.022 0.022

最大值 29.48 2.925 2.917 2.918 0.486 0.121 0.174 0.177

平均值 28.75 2.879 2.873 2.875 0.232 0.059 0.081 0.083

3 斜云煌斑岩的力学特性

实验中的轴向压力通过标定的测力柱量测，试样的纵向、横向变形通过应变片量测。实验中，记录试样的力与纵向应变和横向应变关系曲线。试样的破坏强度即（σ1-σ3）f（单轴情况下σ3=0）为应力-应变曲线中的峰值应力，弹性模量E定义为50%破坏强度所对应的应力、应变之比；泊松比υ定义为横向应变与纵向应变之比，剪切模量G和体积模量K根据下式得到：

（1）

（2）

（3）

岩石的软化系数定义为饱水状态的单轴抗压强度与干燥状态的单轴抗压强度之比，单周压缩试验得到的参数如表2 所示。

表2 单轴压缩实验结果统计表

统计

指标 饱和 干燥 软化

系数

抗压强度（MPa） 弹性模量

（GPa） 泊松比 抗压强度

（MPa） 弹性模量

（GPa） 泊松比

最小值 94.48 54.42 0.217 139.96 67.19 0.164 /

最大值 245.96 89.81 0.239 265.23 90.18 0.236 /

平均值 168.24 73.99 0.230 203.11 78.08 0.211 0.83

三轴抗剪实验中的轴向压力通过载荷传感器测量，三轴围压通过压力传感器测量，试样的纵向、横向变形通过应变规量测。采用速率为0.001m/s的轴向变形来控制加载。实验中，记录试样的围压、力与纵向应变和横向应变关系曲线等。

以侧压力作为横座标，以强度作为纵座标，绘制各个试件的侧压力-强度值的关系图，如图2所示。通过上述各点绘制平均曲线，得出强度包络线，在曲线上选取最适当的线段绘一条直线或在曲线上选取不同的线段绘出几条直线。计算出每条曲线的斜率（倾角的正切）m和在y轴上的截距b。

图2 强度包络线

利用参数m、b，根据式（4）、式（5）可计算试样的摩擦角φ和内聚力C（按库伦破坏理论）。

（4）

（5）

根据技术要求，采用自然状态岩样进行了3MPa、12MPa、24MPa、36MPa四种围压的三轴剪切实验，结果推荐为C=34.21MPa，φ=45.89°。

声波参数采用弹性波法确定。根据重力密度，采用RSM-SY5型声波仪测出试样的纵波到达时间tP和横波到达时间tS，以此计算出试样的纵波波速CP和横波波速CS，根据下式计算试样的弹性模量Ed和剪切模量Gd以及泊松比υd。声波实验的结果如表3所示。

Ed=2（1+υd）·ρ·C2S （6）

Gd=ρ·C2S （7）

（8）

表3 声波实验结果统计表

统计指标 纵波波速

（m/s） 横波波速

（m/s） 弹性模量

（Gpa） 剪切模量

（Gpa） 泊松比

最小值 5400 3141 69.15 27.79 0.232

最大值 6286 3704 98.96 40.10 0.269

平均值 5872 3418 83.69 33.66 0.244

4 结语

综上所述，微风化斜云煌斑岩是一种物理力学性质相对较差的特殊岩类，它的工程地质性质不同于原岩。在工程上，用室内试验确定其物理力学性质指标较为单一，建议与现场原位试验相结合来进行工程地质特性分析。

鉴于微风化斜云煌斑岩的结构和成份特点，在基坑开挖过程中，暴露于空气中的斜云煌斑岩其物理力学性质将大大降低，结构很容易遭到破坏。因此，建议对斜云煌斑岩形成的人工边坡进行稳定性分析，并且进行支挡治理。

参考文献

[1] 刘燊，胡瑞忠，赵军红等.胶北晚中生代煌斑岩的岩石地球化学特征及其成因研究[J].岩石学报，2005，21（3）.

[2] 谭俊，魏俊浩，杨春福等.胶东郭城地区脉岩类岩石地球化学特征及成岩构造背景[J].地质学报，2006，80（8）.

[3] 徐红，徐光平.胶东煌斑岩的地球化学特征及成因探讨[J].岩石矿物学杂志，2000，19（1）.

[4] 樊朝金，邓春海.青岛地区岩石基坑遇煌斑岩险情时的应急加固措施[J].岩土工程界，2009，12（11）.

作者简介：叶长锋（1978- ），男，山东省烟台人，工程师，主要从事电力岩土工程的勘察设计等工作。

平均值 168.24 73.99 0.230 203.11 78.08 0.211 0.83

三轴抗剪实验中的轴向压力通过载荷传感器测量，三轴围压通过压力传感器测量，试样的纵向、横向变形通过应变规量测。采用速率为0.001m/s的轴向变形来控制加载。实验中，记录试样的围压、力与纵向应变和横向应变关系曲线等。

以侧压力作为横座标，以强度作为纵座标，绘制各个试件的侧压力-强度值的关系图，如图2所示。通过上述各点绘制平均曲线，得出强度包络线，在曲线上选取最适当的线段绘一条直线或在曲线上选取不同的线段绘出几条直线。计算出每条曲线的斜率（倾角的正切）m和在y轴上的截距b。

图2 强度包络线

利用参数m、b，根据式（4）、式（5）可计算试样的摩擦角φ和内聚力C（按库伦破坏理论）。

（4）

（5）

根据技术要求，采用自然状态岩样进行了3MPa、12MPa、24MPa、36MPa四种围压的三轴剪切实验，结果推荐为C=34.21MPa，φ=45.89°。

声波参数采用弹性波法确定。根据重力密度，采用RSM-SY5型声波仪测出试样的纵波到达时间tP和横波到达时间tS，以此计算出试样的纵波波速CP和横波波速CS，根据下式计算试样的弹性模量Ed和剪切模量Gd以及泊松比υd。声波实验的结果如表3所示。

Ed=2（1+υd）·ρ·C2S （6）

Gd=ρ·C2S （7）

（8）

表3 声波实验结果统计表

统计指标 纵波波速

（m/s） 横波波速

（m/s） 弹性模量

（Gpa） 剪切模量

（Gpa） 泊松比

最小值 5400 3141 69.15 27.79 0.232

最大值 6286 3704 98.96 40.10 0.269

平均值 5872 3418 83.69 33.66 0.244

4 结语

综上所述，微风化斜云煌斑岩是一种物理力学性质相对较差的特殊岩类，它的工程地质性质不同于原岩。在工程上，用室内试验确定其物理力学性质指标较为单一，建议与现场原位试验相结合来进行工程地质特性分析。

鉴于微风化斜云煌斑岩的结构和成份特点，在基坑开挖过程中，暴露于空气中的斜云煌斑岩其物理力学性质将大大降低，结构很容易遭到破坏。因此，建议对斜云煌斑岩形成的人工边坡进行稳定性分析，并且进行支挡治理。

参考文献

[1] 刘燊，胡瑞忠，赵军红等.胶北晚中生代煌斑岩的岩石地球化学特征及其成因研究[J].岩石学报，2005，21（3）.

[2] 谭俊，魏俊浩，杨春福等.胶东郭城地区脉岩类岩石地球化学特征及成岩构造背景[J].地质学报，2006，80（8）.

[3] 徐红，徐光平.胶东煌斑岩的地球化学特征及成因探讨[J].岩石矿物学杂志，2000，19（1）.

[4] 樊朝金，邓春海.青岛地区岩石基坑遇煌斑岩险情时的应急加固措施[J].岩土工程界，2009，12（11）.

作者简介：叶长锋（1978- ），男，山东省烟台人，工程师，主要从事电力岩土工程的勘察设计等工作。

平均值 168.24 73.99 0.230 203.11 78.08 0.211 0.83

三轴抗剪实验中的轴向压力通过载荷传感器测量，三轴围压通过压力传感器测量，试样的纵向、横向变形通过应变规量测。采用速率为0.001m/s的轴向变形来控制加载。实验中，记录试样的围压、力与纵向应变和横向应变关系曲线等。

以侧压力作为横座标，以强度作为纵座标，绘制各个试件的侧压力-强度值的关系图，如图2所示。通过上述各点绘制平均曲线，得出强度包络线，在曲线上选取最适当的线段绘一条直线或在曲线上选取不同的线段绘出几条直线。计算出每条曲线的斜率（倾角的正切）m和在y轴上的截距b。

图2 强度包络线

利用参数m、b，根据式（4）、式（5）可计算试样的摩擦角φ和内聚力C（按库伦破坏理论）。

（4）

（5）

根据技术要求，采用自然状态岩样进行了3MPa、12MPa、24MPa、36MPa四种围压的三轴剪切实验，结果推荐为C=34.21MPa，φ=45.89°。

声波参数采用弹性波法确定。根据重力密度，采用RSM-SY5型声波仪测出试样的纵波到达时间tP和横波到达时间tS，以此计算出试样的纵波波速CP和横波波速CS，根据下式计算试样的弹性模量Ed和剪切模量Gd以及泊松比υd。声波实验的结果如表3所示。

Ed=2（1+υd）·ρ·C2S （6）

Gd=ρ·C2S （7）

（8）

表3 声波实验结果统计表

统计指标 纵波波速

（m/s） 横波波速

（m/s） 弹性模量

（Gpa） 剪切模量

（Gpa） 泊松比

最小值 5400 3141 69.15 27.79 0.232

最大值 6286 3704 98.96 40.10 0.269

平均值 5872 3418 83.69 33.66 0.244

4 结语

综上所述，微风化斜云煌斑岩是一种物理力学性质相对较差的特殊岩类，它的工程地质性质不同于原岩。在工程上，用室内试验确定其物理力学性质指标较为单一，建议与现场原位试验相结合来进行工程地质特性分析。

鉴于微风化斜云煌斑岩的结构和成份特点，在基坑开挖过程中，暴露于空气中的斜云煌斑岩其物理力学性质将大大降低，结构很容易遭到破坏。因此，建议对斜云煌斑岩形成的人工边坡进行稳定性分析，并且进行支挡治理。

参考文献

[1] 刘燊，胡瑞忠，赵军红等.胶北晚中生代煌斑岩的岩石地球化学特征及其成因研究[J].岩石学报，2005，21（3）.

[2] 谭俊，魏俊浩，杨春福等.胶东郭城地区脉岩类岩石地球化学特征及成岩构造背景[J].地质学报，2006，80（8）.

[3] 徐红，徐光平.胶东煌斑岩的地球化学特征及成因探讨[J].岩石矿物学杂志，2000，19（1）.

[4] 樊朝金，邓春海.青岛地区岩石基坑遇煌斑岩险情时的应急加固措施[J].岩土工程界，2009，12（11）.

作者简介：叶长锋（1978- ），男，山东省烟台人，工程师，主要从事电力岩土工程的勘察设计等工作。