虎跳峡地区绿泥石化片理状玄武岩工程特性分析

2019-07-27柴春阳巫锡勇张广泽

铁道标准设计 2019年8期

柴春阳，巫锡勇，张广泽，宋章

(1.西南交通大学，成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

峨眉山玄武岩在我国西南地区分布广泛，其空间上可划为东、中、西三个岩区，即贵州高原区、攀西裂谷区、盐源—丽江区[1-3]。张春生，魏云杰，王毅[4-6]对攀西地区玄武岩的化学特征、岩体结构及工程特性进行了研究。程庭凤，王文远等[7-8]总结分析了丽江金安桥地区的裂面绿泥石化玄武岩物理力学特性。吕劲松，龚婷婷[9-10]从岩相、构造背景、化学特征等方面对香格里拉市九龙地区玄武岩进行研究。虎跳峡玄武岩属于峨眉山大火成岩省西区，即盐源—丽江岩区，分布于金沙江两岸，经历了复杂的地质作用，岩石的矿物、结构发生了改变，表现出特殊的微观地质特征和工程特性。张招崇、汪云峰等[11-12]对虎跳峡地区的玄武岩地球化学特征及蚀变程度进行了研究，但岩体的工程特性未曾涉猎。笔者在此基础上，依托丽江至香格里拉铁路的工程建设，对玄武岩的矿物及化学特征、物理力学特性进行系统研究，分析岩体特性对工程建设的影响，提出相应的整治措施。

1 岩相及岩石学特征

测区玄武岩属于基性海底火山喷发岩，经历了3个喷发旋回。岩石以辉斑玄武岩和玄武岩为主，经后期的蚀变及构造作用，发生了较强的变形变质，玄武岩表现出片理化特征，局部偶见有柱状节理，如图1所示。地表的玄武岩因风化作用，呈灰褐色、灰黑色，而对于新鲜的岩石，由于含有绿泥石呈暗绿色、灰绿色，绿泥石斑晶顺片理定向排列清晰可见，如图2所示。

图1 岩石节理

图2 岩石表观特征

岩石薄片在显微镜下观察，如图3所示，岩石发生了较为强烈的蚀变，切片浑浊，岩性模糊，斜长石及辉石等主要矿物只保留假象。根据文献[13-14]中矿物蚀变的划分标准，将本区的玄武岩蚀变程度定为四级。蚀变矿物主要为绿泥石、绿帘石、方解石和绢云母，以绿泥石较为常见。受区域性构造作用，气孔、杏仁和斜长石微晶等被压扁、拉长，具有扁豆体和条纹构造，组成矿物均一致定向排列形成片理状构造。

图3 岩石微观特征

成岩机制分析：测区属三江成矿带，是中国最重要的岩浆热液成矿域之一，蚀变主要属于岩浆期后的热液蚀变[15-18]。玄武岩冷却固结成岩后，形成了大量的收缩裂隙及气孔构造，后期的热液进入裂隙和气孔中。玄武岩中的火山玻璃、斜长石、橄榄石斑晶等经热液作用发生蚀变形成绿泥石，或热液成分沉淀生长和胶体溶液充填后结晶形成绿泥石。区内岩层经历多次强烈的构造运动，特别是进入晚第三纪以来，青藏高原强烈隆起，高原物质向东南侧向挤出，新构造变形十分强烈[19-20]，玄武岩表现出挤压片理化特征，岩石中岩流面及柱状节理等原生构造已消失殆尽，矿物中含有的绿帘石便是构造蚀变下的产物。

2 矿物及化学分析

2.1 矿物特征

岩石由斑晶、基质、杏仁体组成。斑晶为具暗化边的短柱状辉石及斜长石，但均已蚀变，辉石被绿帘石取代，斜长石被绿泥石取代而呈假象。基质由条柱状斜长石微晶、钛磁铁矿等定向排列，但斜长石微晶已全部被绿泥石、少量绢云母取代，而形成变余斑状结构的变余交织结构。杏仁体呈圆、椭圆形，被绿泥石、绿帘石、绢云母、方解石、石英等充填。岩石的主要矿物特征如表1所示。

表1 主要矿物特征

2.2 化学特征

玄武岩的地球化学特征如表2所示，蚀变使岩石产生了富铝富铁脱硅作用，SiO2含量(38.21%～46.71%)相对较低，Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO的总体含量(38.21%～46.71%)较高，这同绿泥石(Al(Mg，Fe)3AlSi3O10(OH)8)和绿帘石(Ca2(Al，Fe)3[SiO4][Si2O7]O(OH))的化学式中Al、Fe、Mg和Ca元素富集是一致的。CaO/Al3O2的值较高，一般在0.8～0.92，反映区内经历了较强的构造应力[11]。烧失量偏高，一般2.41%～5.01%，最高达15.29%，也进一步表明了区内玄武岩遭受了不同程度蚀变[12]。

表2 岩石主要化学元素分析结果[12] %

2.3 矿物对岩石性质的影响

岩石中的绿泥石、绿帘石、绢云母以面状蚀变为主，局部为条带蚀变，由于这些矿物本身性质较差，导致结构面抗剪强度降低，进而影响岩体的强度。绿泥石属于黏土矿物，一般不具有膨胀性，但具有硬度小、比重不大的特点，与水的反应较为灵敏，岩石遇水易软化。绿泥石、绢云母等片状矿物，常在结构面层间富集，在后期的构造变形中易产生位移滑动形成错动带，由于绿泥石、绿帘石、绢云母等矿物抗风化能力较弱，形成软弱夹层，对隧道及边坡的稳定性不利。

3 物理力学特性

3.1 物理特性

岩石的物理特性指标如表3所示，在构造挤压作用下重结晶，岩石结构更为致密，因此试验测得块体密度(2.89～3.06 g/cm3)较大，孔隙率(1.78%～4.63%)较小，由于绿泥石等亲水矿物的存在，饱和吸水率略有增大，一般0.22%～0.65%。饱水系数约为0.92，表明岩石中含有的蚀变矿物具有亲水性，耐冻性较差。

表3 岩石物理特性指标

3.2 强度特性

由于岩体的不连续性和不均匀性，使得室内与现场试验结果存在一定差异。为深入认识绿泥石化片理状玄武岩的工程力学性质，开展了室内岩石抗压、抗拉、抗剪(断)试验，岩石三轴试验，现场岩体直剪试验及载荷试验。

3.2.1 抗压、抗拉试验

从表4统计结果看，岩石的强度离散性较大，最大值与最小值相差约50%。主要是由于岩石结构的不均匀所致，变质较浅以粒状结构为主的岩样强度较高，而变质较深以片状结构为主的岩样强度较低，如图4所示。为分析片理的影响，岩石单轴抗压强度试验和抗拉强度试验采用加载方向与岩石片理平行、垂直和斜交(45°夹角)3种情况进行，试验成果见表4。对于抗压强度而言，平行片理的干强度和湿强度都是最大，分别为80.1，45.6 MPa，垂直片理的干强度最小，为72.3 MPa，斜交片理的湿强度最小，为41.3 MPa。岩石的软化系数较低，一般0.56～0.58。对于抗拉强度而言，垂直片理的干强度和湿强度最大，分别为6.15，3.98 MPa，平行片理的干强度和湿强度最小，分别为4.65，2.48 MPa，软化系数同样较低，一般0.53～0.64。总体而言，无论是抗压强度还是抗拉强度，各方向强度相差不大，但岩石软化系数均较低，表明对于新鲜完整的岩石各向异性不明显，但对水的作用较为敏感。

表4 岩石抗压/抗拉试验成果 MPa

3.2.2 抗剪强度

室内试验所取的岩样一般属于弱风化至微风化，发育少量的微小随机裂隙，片理处于闭合状态，得到的抗剪强度普遍较高。平行片理抗剪强度与垂直片理的抗剪强度相比，φ值降低了4.3%，c值降低了9.4%，表明对于完整新鲜的岩石，片理对其抗剪强度的影响较小。

在平硐内采用50 cm×50 cm×50 cm的试块进行直剪试验，与室内试验相比，抗剪强度有了大幅的降低，见表5。这主要有两个方面的原因，一是尺寸效应，原位试块的体积远大于室内岩块，随着岩体内裂隙面积或长度的增大，抗剪强度逐渐降低。二是原位试块片理构造发育，岩石矿物绿泥石化(薄片鉴定绿泥石含量为50%)，导致抗剪强度偏低。此外，原位试块受片理构造及绿泥石化影响，峰值强度与残余强度相差不大，表现出塑性破坏的特征。

图4 室内抗压岩样

表5 岩石(体)抗剪试验成果

野外调查发现，岩体受构造、风化、卸荷作用，片理剥开，呈片状或板状，贯通性较好，结构面之间局部有岩粉、泥膜充填，岩面变得光滑，手摸具有滑感，如图5所示。现场选择代表性片理面进行剪切试验，抗剪强度极低，c值为130 kPa，φ值为17.2°，与岩体的强度相比，c值降低了95%，φ值降低了56%，因此，构造带、风化带及卸荷带岩体的稳定性主要受片理面控制。

图5 现场试验点结构面

3.3 变形特性

从表6可以看出，平行片理的弹性模量最大，为36.7 GPa，垂直片理的弹性模量最小，为26.3 GPa，这与岩石抗压强度特征表现出一致性，各向异性不明显。现场载荷试验考虑了结构面的影响，更为客观地反映了岩体的变形特征，与室内压缩试验相比，弹性模量降低60%～70%，平行片理的弹性模量及变形模量最大，分别为11.12，7.37 GPa，而斜交片理的弹性模量及变形模量最小，分别为8.55，5.08 GPa。表明片理面对岩体变形破坏起控制作用，当荷载方向与片面呈45°斜交时，岩体沿片理面产生剪切变形，此时对应的弹性模量及变形模量最小。

表6 岩石(体)变形试验成果

4 岩体对工程的影响

(1)岩体多具有片理构造，富含的绿泥石、绿帘石、绢云母等蚀变矿物，软化系数较低，饱水系数较高，暴露数日至数月出现风化现象，依据文献[21]的标准判定，属于易风化岩石，不宜作为建筑石料及道砟。岩体在开挖过程中极易因风化及水的浸润作用，导致工程力学性状恶化。因此，基础开挖完成后，应及时浇筑垫层混凝土或喷射混凝土进行封闭，如不能及时封闭，基底应预留0.5～1.0 m厚的保护层。

(2)在断层破碎带及其影响带内，玄武岩由于构造挤压作用，沿片理产生层间错动，岩体变得松散、软弱，岩块手掰即断，片理面光滑，手摸有滑腻感。加之区域构造应力影响，在隧道开挖过程中，表现出变形量大、速率快、持续时间长等特点。因此，在隧道施工中宜采用“短进尺、弱爆破、快闭环、长锚杆”等措施。

(3)在地表的风化带及卸荷带内，岩体受风化、卸荷作用，片理剥开，贯通性较好，岩面变得光滑，抗剪强度较低，且遇水软化效应明显，边坡往往沿片理产生滑移变形。因此，宜采用预加固桩、锚杆(索)等措施对边坡进行防护，尽量选择在旱季施工，做好防排水措施。