水岩作用下蚀变岩力学性质损伤规律

牛传星，秦　哲，冯佰研，付厚利

(1.山东科技大学 a.土木工程与建筑学院；b.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；c.矿山灾害预防控制重点实验室；d.矿业与安全工程学院，山东 青岛　266590；2.临沂大学 建筑学院，山东 临沂　276000)



水岩作用下蚀变岩力学性质损伤规律

牛传星1a,1b，秦哲1c,1d，冯佰研1a,1b，付厚利2

(1.山东科技大学 a.土木工程与建筑学院；b.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；c.矿山灾害预防控制重点实验室；d.矿业与安全工程学院，山东 青岛266590；2.临沂大学 建筑学院，山东 临沂276000)

为了研究水位升降对蚀变带边坡岩石力学性质的影响，选取仓上露天金矿坑边坡蚀变岩样，进行了不同饱水-失水循环次数的单轴压缩试验。建立了函数关系描述蚀变岩力学性质在水岩作用下的变化规律，引入损伤率的概念分析了循环次数对蚀变岩力学性质的影响，并利用电镜扫描技术从微观角度分析了水岩作用对蚀变岩的损伤机理。结果表明：水岩作用对蚀变岩的力学性质有明显的弱化现象，且水岩作用越强，弱化现象越明显；不同循环次数下，蚀变岩弹性模量随循环次数增加衰减迅速，峰值强度呈持续衰减状态；随蚀变、碎裂发展，水岩作用对岩石的力学性质损伤增加，循环15次后，弹性模量损伤率最大接近60%，峰值强度接近45%。

蚀变岩；水岩作用；单轴压缩试验；电镜扫描；损伤规律

1　研究背景

地质应力作用下，地壳里面的深部热液沿一定路径涌入与其矿物成分、结构构造以及物理化学条件差别很大的岩石体后与其发生一系列作用产生新的岩类，即称为蚀变岩[1]。蚀变岩属于软岩，其力学特性好坏将直接影响到工程的稳定性。王旭东等[2-5]对蚀变岩的相关特性进行研究，通过三轴压缩试验分析了蚀变岩力学性质，并结合工程实例分析说明了其危害性。水是诱发工程事故的又一重要影响因素[6]，在水的作用下，岩体力学性质发生改变，水对岩体稳定性的影响主要表现为2点：一是水影响岩石的强度，从细观上分析水造成岩石的损伤；二是水改变岩体中的有效应力状态，这种水对岩石的影响作用称为水对岩石的损伤效应，即水岩作用。刘新荣等[7-14]通过试验对经过饱水-失水循环的岩石力学性质进行研究，得出了水岩作用下岩石的力学性质损伤规律。柴肇云等[15-19]在探索岩石损伤规律的基础上进一步进行了岩石的损伤机理分析。综上所述，水岩作用下的岩体尤其是受蚀变作用影响的岩体力学性质发生弱化现象，严重威胁工程的稳定性。

本文依托《三山岛仓上露天金坑尾矿库边坡安全状态监测、分析及预警技术开发与应用研究》重大科研项目，选取仓上露天坑尾矿库边坡3#蚀变带处黄铁绢英化花岗质碎裂岩(SγJH)和黄铁绢英岩化花岗岩(γJH)岩样，进行不同饱水-失水循环次数的岩石单轴压缩试验，模拟了该矿闭坑后坑内水位升降对蚀变岩体边坡稳定性的影响。通过对试验数据分析处理，得到了水岩作用下蚀变岩力学性质的损伤规律，探究了饱水-失水循环作用对蚀变岩的力学损伤原因。

2　试验设计

2.1岩样制作及试验准备

现场采取钻孔取芯的方法对蚀变岩SγJH和γJH进行岩样采集，2种岩石工程地质特征如表1所示。试样取回后加工成标准式样，高100 mm，直径50 mm，两端面平整度小于0.05 mm，垂直度小于0.25°。对制备好的岩样进行肉眼观察，剔除表面有缺陷的试件，选择均匀性好、纹理一致的试样，使用声波仪测定试样的波速，根据测试结果，选取具有代表性的试样进行试验。

表1　岩石工程地质特征

2.2试验方案

本次单轴压缩试验采用山东科技大学土木建筑学院与长春市朝阳试验仪器有限公司共同研发的TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机。为了模拟水位升降循环条件，进行单轴压缩试验的每种岩样分4组，每组3个试件，分别模拟0，1，5，15次的循环条件。考虑到试验用水与现场矿坑水质差异对蚀变岩性质的影响，对现场水进行了水质检测分析，结果表明实验室水质与矿坑水质情况差异不大。一次饱水-失水循环具体设计为首先通过岩石的含水率试验，确定岩样饱和所需时间是24 h，采用饱和自由浸水法使试件充分饱和，然后将饱和的试件置于105～110 ℃恒温的烘箱内，12 h后将试件从烘箱内取出，用干燥器对试样冷却到室温，记录试件质量，直到烘干试件至恒重。对准备好的岩样进行单轴压缩试验。对试件的轴向进行缓慢加载并直到岩块发生破坏，记录试件应力-应变变化，对破坏状态进行详细描述，得出试验数据。

3　试验结果与分析

3.1蚀变岩力学参数与饱水-失水循环次数关系

2种岩石的力学参数试验结果如表2所示。

表2　饱水-失水循环作用下单轴压缩试验结果

由表2可以看出，2种蚀变岩对水岩作用的敏感性不同，在饱水-失水循环15次后，SγJH峰值强度由31.64 MPa降至17.53 MPa，减少了44.6%；而黄铁绢英岩化花岗岩(γJH)由50.01 MPa下降至32.56 MPa，减少了34.89%；同样对于弹性模量SγJH下降了60.2%，而γJH下降了51.58%，说明SγJH对水的敏感性更大，蚀变程度深的岩石力学性质弱化比例更大。

为了研究饱水-失水循环条件对各力学参数的作用，分别以单轴抗压强度和弹性模量为纵坐标，以饱水-失水循环次数为横坐标对试验数据进行回归分析，如图1所示。

从图1中可以看出，SγJH和γJH在单轴压缩过程中，单轴抗压强度及弹性模量有所降低，产生明显的弱化现象；蚀变岩的单轴抗压强度和弹性模量与饱水-失水循环次数的变化关系可以用指数函数表示，即

(1)

式中：A，B，C为拟合常数；x为饱水-失水循环次数。

3.2蚀变岩损伤率和饱水-失水循环次数的关系

由以上分析结果可以得出，2种岩石在饱水-失水循环作用下内部发生损伤扩展，为分析这种损伤变化的规律，分别建立以不同指标(单轴抗压强度、弹性模量)进行量化的损伤演化规律，其计算式为：

(2)

式中：Dc为N次循环单轴抗压强度累计损伤率；σc0为岩石自然条件下单轴抗压强度；σcn为N次饱水-失水循环单轴抗压强度；De为N次循环弹性模量累计损伤率；Ec0为岩石自然条件下弹性模量；Ecn为N次饱水-失水循环弹性模量。

根据单轴抗压试验结果，利用式(2)计算出了2种岩石在不同次数饱水-失水循环作用后岩石的累积损伤率，计算结果如表3所示。

根据表3计算结果，岩石的累积损伤变化具有以下特点：

(1)SγJH经过1次循环后，弹性模量累积损伤为35.71%，而单轴抗压强度为19.63%，并且循环次数相同时弹性模量损伤率都大于单轴抗压强度损伤率，对于γJH也有此规律，说明采用弹性模量量化的损伤值要比采用单轴抗压强度量化的损伤值大得多，故水岩作用对蚀变岩弹性模量的损伤作用更加明显。

表3　岩石力学参数损伤率

注：Dσ=[(σ0-σi)/σ0]×100；DE=[(Ei-E0)/E0]×100。

(2)岩石损伤值增加幅度减缓，即初期进行饱水-失水循环试验时其损伤发展较快，越往后其发展越慢，到后期几乎不再受饱水-失水循环的影响。

3.3岩石力学性质损伤变化分析

为分析这种影响程度，分别对累计损伤率变化进行拟合分析，如图2所示。

图2　2种岩石力学性质累积损伤值变化曲线Fig.2　Fitted curves of cumulative damage rates of uniaxial compressive strength and elastic modulus of two rocks

根据图2可知，在单轴压缩试验中蚀变岩的损伤初期扩展较为迅速，后期损伤趋于稳定，极限损伤值及达到95%极限损伤值所需要的循环次数如表4所示。

表4　2种岩石力学参数损伤率变化

由图2、表4可以得出：

(1)2种蚀变岩在经历不同次数的饱水-失水循环作用后，其累积损伤值均增加，但是SγJH受水岩作用的影响大于γJH，蚀变、破碎程度越大，对水敏感性越强。

(2)2种蚀变岩达到95%损伤极限值所需要的循环次数均不超过20次，γJH单轴抗压强度和弹性模量达到95%极限值循环次数都大于SγJH的2个参数所对应的循环次数，并且由上面分析可知，SγJH弱化性较明显，说明在饱水-失水循环过程中，岩石损伤越小，达到95%极限损伤值所需要的循环次数越少。

(3)SγJH与γJH峰值抗压强度达到95%极限值的循环次数大于其弹性模量达到95%极限值的循环次数，水岩作用下蚀变岩峰值抗压强度呈现持续损伤状态，边坡水位升降对蚀变带等薄弱地带的影响很大。

3.4水岩作用对蚀变岩力学特性的影响

在蚀变作用下岩石的矿物成分、内部结构以及物理化学性质发生变化进而弱化其力学性质，尤其在水岩作用下这种弱化现象更为明显。

为了更进一步探究水对蚀变岩的损伤机理，对单轴试验后的蚀变程度大的黄铁绢英化花岗质碎裂岩(SγJH)的破裂断口微观形貌进行电镜扫描，结果如图3所示。

图3　不同饱水-失水循环次数下SγJH细观结构简图Fig.3　Mesostructure diagram of SγJH under different saturation-dehydration cycles

由图3可以看出，不同饱水-失水循环次数作用下SγJH单轴压缩破坏后其断裂口处表现出不同的微观形态：自然状态下断裂面较为光滑平整，结构整体性强。随循环次数的增多，断裂面整体性减弱，结构连接力减小，破裂面产生很多裂隙；最终断裂面产生大量碎屑，结构遭到破坏变得松散，颗粒变小且孔隙增多，说明饱水-失水循环作用对蚀变岩具有明显的损伤作用。

由于蚀变岩较其它没有受蚀变作用影响的岩石其内部含有更多的孔隙裂纹，导致其物理力学性质表现出不均匀性，水更容易贯通到岩石内部。水通过其裂隙裂纹进入到内部，对不连续面、边界产生润滑作用，直接降低了岩石颗粒间的黏结力，使得裂隙得以扩展，内部结构遭到破坏，水岩作用对岩石的长期抗压强度造成很大影响，严重威胁到边坡的稳定性。

4　结　论

本文依托仓上露天矿坑边坡治理项目为工程背景，考虑水位升降对边坡稳定性的影响，对该地区蚀变带岩样进行了单轴压缩试验，得出其基本力学参数，并探究了水岩作用对蚀变岩的力学特性的影响，所得结论如下：

(1)饱水-失水循环作用对蚀变岩造成不可逆的损伤，不同力学性质对水岩作用的敏感性不同，弹性模量的敏感性高于单轴抗压强度，单轴抗压强度和弹性模量随循环次数的增加呈指数递减分布。

(2)通过对典型蚀变岩的单轴压缩试验数据分析，建立了函数表达式来表示蚀变岩的各项力学性质和饱水-失水循环次数的关系，引入损伤率概念分析蚀变岩峰值强度、弹性模量随饱水-失水循环次数的变化关系。随着水岩作用的增强，蚀变岩力学性质累积损伤值均增加，后期岩石损伤率增速趋于0，累积损伤值接近最大值；蚀变、破碎程度越大，对水敏感性越强。

(3)对于强度的损伤方面，水岩作用对蚀变岩的弹性模量影响更大；而从长时间损伤角度分析，蚀变岩的单轴抗压强度在水岩作用下表现为持续损伤状态，这对水位升降频繁条件下的工程稳定性影响很大。

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(编辑：黄玲)

Regularity of the Damage of Altered Rock’s Mechanical PropertiesUnder Water-Rock Interaction

NIU Chuan-xing1,2,QIN Zhe3,4,FENG Bai-yan1,2,FU Hou-li5

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation for Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China；3.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China；4.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 5.School of Architecture,Linyi University，Linyi276000,China)

In order to research the effect of water level fluctuation on the mechanical properties of slope rock at altered zones,we carried out uniaxial compression test on rock samples from open-pit slope in Cangshang under different saturation-dehydration cycles.Moreover,we established the function which describes the variation pattern of mechanical properties of altered rock under water-rock interaction.We also analyzed the influence of circulating times on the mechanical properties of altered rock through introducing the concept of damage rate.Besides,the damage mechanism of water-rock interaction on altered rocks was also analyzed by scanning electron microscopy(SEM).The result indicated that the mechanical properties of altered rocks were obviously weakened by water-rock interaction,and with the increase of water-rock interaction,the phenomenon was more obvious; with the increase of circulating times,the elasticity modulus decayed rapidly while the peak intensity was decaying continuously.As the degree of alteration and fragmentation increased,the degree of damage increased regarding the water-rock interaction to the mechanical properties of rock,and after fifteen saturation-dehydration cycles,the damage rate of elasticity modulus reached 60%,while that of peak intensity was 45%.

altered rock；water-rock interaction；uniaxial compression test；SEM; damage evolution law

2015-07-14；

2015-08-27

牛传星(1990-)，男，山东聊城人，硕士研究生，主要从事岩土工程理论与应用研究，(电话)17854284783(电子信箱)1205165230@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505902016,33(08):75-79

TU458

A

1001-5485(2016)08-0075-05