某水电站蚀变岩遇水强度软化三轴压缩试验研究

2019-04-20，

人民珠江 2019年4期

，

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610095)

在不同的压力环境和温度的条件下，地壳深处不同成分的热液流体沿着一定的通道进入到岩石(体)体系后，与之发生相应的化学反应，使其矿物化学成分、结构构造发生改变，形成的新岩石即为蚀变岩[1-2]。蚀变岩与其他岩石有着明显的区别，但类似于软岩。蚀变岩经过水岩作用后，不仅导致岩石微观结构发生改变，而且导致化学元素在岩石(体)与水之间发生交代作用。水与岩石(体)的相互作用造成岩石(体)的软化、崩解，导致了非常明显工程性质劣化效应。

杨根兰[3]对小湾水电站蚀变岩进行了三轴压缩试验等物理力学和水理性质试验，结果说明研究区蚀变岩随着风化蚀变程度的增强，其抗压、抗拉强度逐渐降低。郭健、许模[4]采用点荷载试验和回弹强度试验研究了热液蚀变花岗岩相关的物理力学性质，结果表明绿泥石化蚀变岩石(体)相较未蚀变岩石(体)其强度降幅较大。臧军昌[5]对青石岭水电站热液蚀变岩带进行了相关研究，结果表明随着蚀变程度增强，蚀变岩石(体)孔隙率逐渐增大，抗压强度逐渐降低。贾伟杰和孔繁辉[6]对研究区蚀变岩进行了抗压强度试验，认为其抗压强度较低。于新华[7]等对蚀变岩块在不同风化程度下进行了有关力学强度试验，结果表明蚀变岩块的抗剪强度、变形模量和饱和单轴抗压强度远远低于微风化和弱风化岩，其相关力学性质和强风化岩程度相当。杨燕和付小敏[8]对蚀变岩进行了直剪试验等物理水理性质试验，研究结果表明岩石的内聚力和内摩擦角均与孔隙度、含水率有着一定关系。张卫中[9]对不同风化程度的砂岩进行了单轴、三轴强度试验，认为砂岩的力学强度随着风化程度的增加而逐渐降低。

前人研究内容主要是针对蚀变岩的力学强度特性的研究，对于蚀变岩遇水的软化效应，尤其是三向应力状态下蚀变岩遇水后力学参数变化规律的研究较少。本文通过三轴压缩试验对蚀变岩的水岩软化作用进行分析研究，对比分析天然试样和饱水试样在不同围压等级下的强度软化效应，为工程设计和稳定性分析提供参考。

1 试验方案

1.1 试验岩样制备

试验所需蚀变岩采用西南某水电站右岸坝肩发生绢云母化蚀变和高岭土化蚀变的糜棱化英安岩。在出露地表或近地表，受地表水和地下水的强烈影响，形成大量黏土类矿物，呈灰白色或浅黄色，局部呈褐黄色，强度较低，结构松散，遇水易膨胀并发生崩解，手捏易碎,见图1、2。对遇水不崩解的岩样采用钻机制备成φ50 mm×100 mm的标准圆柱试样，筛选出无明显裂痕和层理的岩样，并通过声波仪选取具有代表性的岩样作为试验岩样。

从研究区天然状态下糜棱岩化英安岩的扫描电镜试验得到的1 000倍扫描图片可以看出其结构为斑状结构，块状构造。石英斑晶主要呈眼球状结构，浑圆形状，大小约为0.75 mm,定向分布；斜长石斑晶主要为半自形板状晶体结构，大小约为0.8 mm，大多发生了显著的高岭土化蚀变。绢云母都围绕着斑晶分布，岩石发生了明显的定向变形，裂隙及孔洞比较发育，为蚀变岩吸水软化提供了有力条件，糜棱岩化英安岩发生强烈绢云母化蚀变，斑晶仅可见碎斑石英，见图3。

1.2 试验准备

本文利用美国产MTS 815程控伺服刚性试验系统进行三轴压缩试验(图4)，采用轴向位移控制，加载速率为0.1 mm/min,直至试样破坏。根据研究区地应力条件和取样点的位置设置围压级别分别为2、4、6、8 MPa。将野外取回的试样密封保存，保持了原状试样的含水率。在原状和饱水两种状态下进行试验。进行饱水试验时，先将原状试样放入抽真空饱和装置内抽气，使整个饱水装置处于完全真空的状态，再向饱和缸内缓慢注水并静置24 h，使岩样吸水饱和充分。在标准试样外部套上热缩管，以避免油液影响试验结果。利用三轴压缩试验获得了岩样在原状状态和饱水状态下的应力～应变曲线，分析试样遇水的软化规律。

2 结果分析

2.1 应力～应变全过程曲线分析

本次常规三轴压缩试验共进行了15组，其中天然状态5组，饱和状态10组。挑选其中典型的应力～应变曲线进行分析。蚀变岩试样的三轴应力～应变全过程曲线可被概化为典型的应力～应变全过程曲线，见图5、6。该曲线分为5个阶段，见图7。

a) 压密阶段(OA段)：OA段表示蚀变岩在开始压缩到体积压密完成时的状态。压缩开始后，随着轴向压力的增长，蚀变岩试样的内部原生的孔隙、裂隙和次生裂隙被压密，逐渐闭合。在此阶段中，蚀变岩力学特性的主要影响因素是试样内部的裂隙，相对的轴向应变增长较快，为体积压密阶段。

b) 弹性阶段(AB段)：经过体积压密阶段后，岩样的应力～应变曲线基本上呈现为线性增长，岩样结构没有明显变化。此阶段蚀变岩的变形可被看作线弹性变形，其本构关系可用弹性体的虎克定律描述，称为线弹性变形阶段。

c) 屈服阶段(BC段)：蚀变岩样在经历压密和线弹性变形阶段后，其内部的次生裂隙逐渐积累发生质变，使得更多次生裂隙开始大量的产生和扩张。在该变形阶段中，蚀变岩内部的裂隙逐渐扩展并伴随着大量的能量释放，结构发生塑性变形，称之为塑性变形阶段。

d) 应变软化阶段(CD段)：岩样经过短暂的塑性变形阶段后很快达到峰值,峰值过后随着应变的持续增加,应力水平降低。此阶段蚀变岩内部的微裂隙逐渐贯通，为应变软化阶段。

e) 塑性流动阶段(DE段)：蚀变岩样发生应变软化后，岩样开始破坏，此阶段应力开始迅速下降，应变仍在继续增长。当蚀变岩样塑性变形开始迅速增长，而轴向应力值不再变化，则蚀变岩样完全破坏，表现为结构的破碎，此时的强度值为残余强度。此阶段应变快速增加而应力迅速下降直至保持不变，被称为塑性流动阶段。

2.2 蚀变岩样遇水软化现象分析

根据天然状态和饱水状态的蚀变岩三轴应力～应变全过程曲线可以看出蚀变岩样在经过饱水后相较于天然状态下的峰值强度有显著的降低。

a) 从水物理角度分析：与英安岩等未蚀变岩不同，蚀变岩由于蚀变作用导致其内部产生大量不均匀的孔隙且相互贯通，水分子通过这些孔隙所形成的通道逐渐渗透到蚀变岩内部，削弱其内部矿物颗粒的结构强度，使其内部结构产生应力集中现象，微裂隙和无胶结空洞进一步发育，从而导致其力学性质发生改变。

b) 从水化学角度分析：蚀变岩样内部的矿物成分、胶结物等由于水解反应而溶解，使岩样的微观结构发生变化，改变了蚀变岩的性状。在蚀变作用下，岩样内的矿物成分发生变化，新产生的矿物对水愈加敏感，在经水化学作用后损伤更加明显[10]。

作者将试验得到的饱水状态下蚀变岩试样峰值应力与天然状态下峰值应力在相同围压下的比值作为软化系数，研究不同围压下蚀变岩样的软化程度，软化系数越小表示蚀变岩样的遇水软化程度越高，软化系数结果见表1。不同围压对应的蚀变岩强度软化系数为：0.268、0.312、0.345和0.373。蚀变岩的软化系数随着围压的增大逐渐增加，与围压程线性关系：y=0.0174x+0.2375，相关系数为R2=0.9839，即蚀变岩的软化程度随着围压的增加表现出一定程度的下降，见图8。分析其原因是因为围压的增长对蚀变岩的强度有一定的提升，在一定程度上间接抵消了由于水分子进入蚀变岩内部造成的不利影响。