新疆塔县地区片麻岩冻融劣化机理与规律试验研究

吕文韬，杨 龙，魏云杰，张 明

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害技术指导中心)，北京 100081)

新疆喀什塔什库尔干塔吉克自治县(简称塔县)地处帕米尔高原东南部，塔里木盆地西南缘。塔县地区位于喜马拉雅西构造结段，由于印度板块的西北角向北大幅度运移，并强烈扦入欧亚板块内部，且与西天山造山带接触、顶撞，导致帕米尔地带活动强烈、隆升急剧，是我国内陆新构造运动最活跃、变形最强烈地区之一[1]。强烈的构造活动使得塔县地区地质结构复杂，褶皱断裂发育，岩浆活动频繁，侵入岩及其变质岩广泛出露。

受帕米尔高原急剧隆升的影响，塔县地区地形起伏强烈，风化剥蚀速度快。同时，该区域属高原高寒干旱-半干旱气候，昼夜温差大。因此，区内斜坡表层岩体受到区域性节理和强烈的冻融风化作用，小规模崩塌广泛分布(主要发生在侵入岩及其变质岩组成的斜坡中，岩性包括花岗岩、片麻岩、构造岩和混合岩，以片麻岩为主[2])。崩塌在坡脚和沟谷两侧形成数百方至数万方的碎屑颗粒堆积物，为泥石流提供物源，在春夏两季融雪和降雨形成的暂时性洪流作用下易形成泥石流，因此该区域泥石流灾害频发。例如2016年7月6日发生在与塔县相邻的叶城县柯克亚乡玉赛斯(六村)的泥石流灾害，造成36人死亡、6人失踪、7户民房被完全毁坏，其余数十间房屋和大量基础设施不同程度受损[3]。目前，高寒山区岩体冻融风化研究主要关注已有重大线路工程沿线地区或矿区的人工边坡[4-6]，塔县地区相关研究几近没有。塔县作为喀喇昆仑公路的最后一站，处于“一带一路”中巴经济走廊建设的第一线，研究冻融循环作用下岩石劣化以及岩质崩塌的机理具有重要意义，有利于该地区防灾减灾工作。关于岩石冻融劣化机理与规律的研究较多，如：Nicholson等[7]研究了岩性对岩石冻融损伤劣化程度的影响；Matsuoka[8]对火成岩、沉积岩和变质岩进行冻融试验，发现其损伤破坏主要是由于岩石内部微观结构的冻胀联合作用；Mutlutuk等[9]研究了岩体完整性和冻融循环次数的关系；徐光苗等[10]对江西红砂岩和湖北页岩进行冻融循环试验，总结出片落和裂纹2种岩石冻融破坏模式；黄勇[11]对花岗岩和相对软弱的千枚岩进行不同次数的冻融循环试验，分别提出了裂隙扩展和颗粒析出两种劣化模式；刘传正[12]、杨艳霞等[13]对冰雪冻融引发崩塌灾害的特点与形成机理进行了研究。

目前的研究主要关注饱和状态岩石在冻胀作用下物理力学性质的变化，而针对干燥状态下岩石冻融劣化机理与规律的研究较少。本文选取塔县地区崩塌岩体中岩性比例最高的片麻岩，分别在干燥和饱和条件下进行不同次数的冻融循环试验，通过SEM电镜扫描和吸水率、大开空隙率以及质量损失率测试，研究片麻岩样微观结构和宏观物理特性的变化。揭示了干燥和饱和条件下冻融作用及其循环次数对片麻岩微观结构劣化机理与规律，并进一步探讨了塔县地区岩质崩塌的形成机理，为该地区泥石流预测预报提供依据。

1 试验设计

1.1 试验工况

现有研究表明，片麻岩冻融损伤劣化主要受含水率、冻融温度范围、冻融循环时间及次数等因素的影响[14]。塔县地区年均降水量虽然只有68.1 mm，但春夏两季的融雪和相对集中的降水可以使斜坡表层一定厚度的岩体饱和[2]。塔县地区多年平均最高温度和最低温度约为±30 ℃。依据《工程岩体试验方法标准(GB/T 50266—2013)》，单次冻融循环的时间为8 h。本次试验工况如表1所示，主要研究在干燥和饱和条件下片麻岩受±30 ℃温度循环作用0，10，20和30次后微观结构的劣化机理及规律。

表1 冻融循环试验工况

1.2 岩样制备

试验岩样取自现场新鲜完整片麻岩块。为满足电镜扫描测试要求，先制成直径5 cm、厚0.5 cm的圆形薄片样2件(编号为1，2号)，分别用于干燥和饱和状态下的SEM电镜扫描测试(图1a)。由于冻融循环过程中岩样吸水率、大开空隙率以及质量损失率的变化往往很小，采用直径5 cm、高7.5 cm的圆柱样，制成2件(编号为3，4号)，分别用于干燥和饱和状态下吸水率、大开空隙率以及质量损失率测试(图1b)。为确保试验结果的一致性，岩样取自同一片麻岩块，取样方向垂直于其片麻理。

1.3 试验仪器与步骤

试验中使用的主要仪器有：XUTEP CD3192恒温控制器、日立SU8010高分辨率场发射扫描电子显微镜、电热鼓风干燥箱、电炉、电子天平等。

(1)将所有岩样置于烘箱内，在105～110 ℃温度下烘24 h后，取出放入干燥器内冷却至室温。在1，2号岩样表面圈定一定范围进行SEM电镜扫描，观察其微观结构。记录3，4号岩样质量和体积，采用自由吸水法测其吸水率，并计算其大开空隙率。

图1 片麻岩样品Fig.1 Specimens of gneisses

(2)采用煮沸法饱和2，3，4号岩样。待其冷却至室温后，取出沾去表面水分后记录3，4号岩样的饱和质量，并将3号岩样再次置于烘箱干燥。

(3)将所有岩样置于恒温控制器中，在-30 ℃中冷冻4 h后，立即在+30 ℃中融解4 h，即为1个冻融循环。在10，20，30次冻融循环后，对1，2号岩样进行电镜扫描；并测试3，4号岩样的吸水率、大开空隙率和干燥及饱和状态下的质量损失率。

1.4 数据处理

3号、4号岩样吸水率(ω)、大开空隙率(n)的计算如下[15]，计算结果精确至0.01。

(1)

(2)

式中：m1——冻融后岩样自由吸水48 h后的质量/g；

ms——冻融后岩样烘干后质量/g；

Vs——冻融后岩样烘干后体积/cm3。

3，4号岩样干燥(M1)与饱和(M2)质量损失率的计算如下[15]，计算结果精确至0.01。

(3)

式中：m0——冻融前岩样干燥质量/g；

mp,mfm——冻融前后岩样饱水质量/g。

2 结果分析

2.1 SEM电镜扫描

图2是1号岩样0，10，20和30次冻融循环后电镜扫描结果。由图2可知，10次冻融循环后，岩样表面破碎岩石颗粒增多，部分岩石颗粒呈片状剥落；20次冻融循环后，岩石颗粒破碎和片状剥落现象明显加剧；30次冻融循环后，岩样微观结构仍呈现出相同的变化趋势，但相较20次冻融循环后变化较小，表明20次冻融循环后，1号岩样微观结构的变化趋于平缓。

图2 1号岩样不同次数冻融循环下的SEMFig.2 Microscopic structure of the NO.1 specimen indifferent times of freezing-thawing

图3是2号岩样0，10，20和30次冻融循环后电镜扫描的结果(由于仪器原因，2号样品0次冻融电镜扫描位置与10，20，30次不同)。冻融循环作用后，2号岩样表面同样出现了岩石颗粒破碎并呈片状剥落现象，但较1号岩样更为明显；同时，30次冻融循环后，破碎和剥落现象加重，不同于1号干燥岩样，在20次冻融循环后，2号饱和岩样微观结构的变化仍然十分明显。

图3 2号岩样不同次数冻融循环下的SEMFig.3 Microscopic structure of the NO.2 specimen indifferent times of freezing-thawing

2.2 吸水率、大开空隙率和质量损失率测试

图4是3，4号岩样吸水率和大开空隙率测试的结果。总体上3，4号岩样吸水率和大开空隙率的变化趋势相同，随冻融循环次数的增加而逐渐增大，呈上升趋势，并且在20次冻融循环后，变化趋于平稳。不同之处在于，相较于3号岩样，4号岩样的吸水率和大开空隙率增长更快。

图4 不同冻融循环次数下3，4号岩样吸水率和大开空隙率变化曲线Fig.4 Changes of rate in water absorption and air voids of theNO.3 and NO.4 specimens after freezing-thawingcycles of different times

图5是3，4号岩样质量损失率测试的结果。总体上3，4号岩样的质量损失率变化趋势相同，随冻融循环次数的增加而逐渐增大，呈上升趋势；并且在经历相同次数的冻融循环后，两者质量损失率相差很小。同时，可以看出，同一岩样测得的干燥与饱和2种质量损失率大致相同。

图5 不同冻融循环次数下3，4号岩样质量损失率变化曲线Fig.5 Changes in quality of the NO.3 and NO.4 specimensafter freezing-thawing cycles of different times

3 讨论

1，2号岩样电镜扫描结果显示，冻融循环过程中，其微观结构的劣化主要表现为岩石颗粒的破碎和剥落，且3，4号岩样的吸水率、大开空隙率呈上升趋势，表明其内部微观裂隙的扩展。因此，片麻岩微观结构的劣化分为内部岩石颗粒的破碎、剥落和微观裂隙的扩展这两种模式。岩石颗粒的破碎、剥落会使得岩样固体物质损失，质量减小，质量损失率随之增大；而微观裂隙的扩展则会导致岩样吸水率增大，含水量升高，质量增大，质量损失率随之减小[4，11]。因此，饱和状态下，测得的质量损失率受到两种劣化模式的共同影响；而在干燥状态下，测得的质量损失率主要受第一种劣化模式影响。在试验中，对3，4号岩样的干燥、饱和质量损失率均进行了测试，结果显示，无论在干燥还是饱和状态下测得的质量损失率均呈上升趋势，且同一岩样的两种质量损失率相差很小，说明质量损失率主要受岩石颗粒的破碎、剥落影响。因此，内部岩石颗粒的破碎、剥落是片麻岩主要的冻融劣化模式。

岩石冻融损伤劣化的机理主要有以下两种[16]：一是空隙水的冻胀作用；二是冻融过程中岩石各组成矿物膨胀系数不同以及温度分布不均匀，产生内部应力导致岩石劣化。

3，4号岩样吸水率、大开空隙率以及质量损失率测试表现出相同的变化规律，且数值上相近，不同之处仅在于后者吸水率、大开空隙率增长稍快，表明其微观裂隙的扩展较为明显。同时，两者主要的劣化模式也相同，均表现为内部岩石颗粒的破碎、剥落，说明干燥和饱和状态下片麻岩冻融劣化的规律与程度十分相似。因此，空隙水的冻胀作用虽然可以加剧片麻岩微观裂隙的扩展，但并不是其冻融劣化的主要原因。

冻融循环作用对矿物的物理力学性质也会产生影响[17]。由于片麻岩主要组成矿物(长石、石英、角闪石、黑云母等)的体积膨胀系数不同，以及环境温度变化时岩石内部温度分布不均匀，在片麻岩内部产生应力，导致矿物间相互挤压、错动，造成联结较弱的岩石颗粒破碎并呈片状剥落。并且，在内部应力和矿物定向排列的共同作用下，研究区片麻岩在冻融作用下呈现出沿片麻理层层风化剥蚀的现象。因此，内部应力是片麻岩冻融劣化的主要原因。

研究区内的小规模崩塌主要受区域节理和风化作用控制[2]。在冻融循环作用下，片麻岩微观结构的劣化会对其强度产生影响。限于取样和试验条件，本文未对片麻岩及其节理面在冻融循环过程中的力学变化特征展开研究，但已有研究表明[4]，这种微观结构的劣化一方面会使岩石单轴抗压强度降低；另一方面则会降低节理面的内摩擦角与黏聚力，导致其抗剪强度下降。同时，融雪和降水会导致水渗入节理面，环境温度降低结冰后，体积膨胀产生的冻胀力会使得节理面胶结程度降低、张开度增大[5]，也会降低节理面的强度。在以上两方面因素的共同作用下，斜坡表层岩体强度降低，抗风化能力下降，受到强烈的风化剥蚀作用。而在冻融循环作用的长期影响下，斜坡表层岩体沿节理面破坏，最终形成连续小规模崩塌。

4 结论

(1)在冻融循环过程中，片麻岩微观结构的劣化表现为岩石颗粒的破碎、剥落和微观裂隙的扩展，并以前者为主。

(2)片麻岩微观结构劣化的主要原因为：冻融作用在岩石内部产生应力，使得连接较弱的岩石颗粒破碎、剥落；同时，微观裂隙也在内部应力作用下不断扩展。

(3)长期的冻融循环作用导致塔县地区斜坡表层岩体微观结构劣化，强度不断降低，沿节理面发生破坏并形成连续小规模崩塌。