寧津所微風化斜云煌斑巖的工程地質特性分析

摘 要：寧津所斜云煌斑巖屬于區域性特殊巖體，主要呈脈狀侵入于花崗片麻巖巖體中，在擬建工程場地內分布較為廣泛。微風化斜云煌斑巖是工程場地內重要建（構）筑物的基礎持力層，全面系統地評價斜云煌斑巖的工程地質特性對于該地區建設、地質工程勘察具有重要指導意義。

關鍵詞：寧津所；微風化；斜云煌斑巖；工程特性；物理特性；力學特性

中國膠東半島的寧津所地區分布著小規模侵入狀的中生代斜云煌斑巖，脈巖多呈條帶狀穿插分布于晚元古代青白口紀花崗片麻巖中（圖1）。微風化斜云煌斑巖廣泛分布于擬建工程廠區內，是重要建（構）筑物的基礎持力層，并且是基坑開挖過程中對邊坡穩定性有重要影響的地層。

圖1 寧津所地區斜云煌斑巖分布圖

該類巖石具有特殊的成分構成與完整的組織結構特征，由斑晶和基質兩部分組成。斑晶含量約為15%，已全部碳酸鹽化呈半自形柱狀假象，有的為聚斑狀，大小一般為0.3～1mm。基質中斜長石含量約為40%，呈半自形板條狀，大小一般0.1～0.3mm，部分被方解石交代，部分可見聚片雙晶。黑云母含量約為30%，碳酸鹽化暗色礦物、磁鐵礦、磷灰石等含量較少。巖石發生較強的碳酸鹽化蝕變作用，局部可見沿裂隙分布的方解石細脈等，顯微鏡觀察脈巖呈余變煌斑結構，塊狀構造。

目前有關煌斑巖的研究多集中于其地質成因、巖石學和地球化學特征及成礦特性，鮮見系統關注煌斑巖工程性質的文章，并且有案例表明煌斑巖可能對相關工程造成危害。鑒于以上現狀，本文對寧津所地區微風化斜云煌斑巖的工程地質特性進行系統分析評價，以巖石力學和工程地質學結合的研究方法，從區域構造地質特點、礦物成分、物化特性、闡述其本質，為指導該地區工程建設、工程地質勘查提供一定理論支持。

1 試樣制備與實驗設備

巖石試樣的采集兼顧不同地段、數量滿足統計數據要求，同時取樣位置力求性質均一、無結構面，每組樣品力求在同一孔內最短的連續距離內采取。經現場采取后立即密封、包裝，制作專門的樣品運輸箱裝載，確保樣品在運輸過程中不受損傷，以保證試樣質量。

整個場地采取微風化斜云煌斑巖6組。按照規范要求用切石機、磨石機進行切割、打磨成圓柱形標準試樣，主要測試指標包括天然密度、干燥密度、飽和密度、含水率、自由吸水率、飽和吸水率，單軸抗壓強度、抗剪強度、縱波波速、彈性模量和泊松比等。密度試驗采用量積法，用游標卡尺測量試樣高度和直徑，精度0.01g的天平稱量試樣質量，計算試樣密度。試樣的烘干溫度控制在105～110℃，烘干時間12～24h。試樣飽和采用真空抽氣法，在一個負大氣壓之下吸入蒸餾水，真空抽氣4h后通氣靜置6h。單軸抗壓試驗在濟南試驗機廠生產的WE-1000A 型液壓萬能試驗機上進行，分為干燥、天然、飽和單軸抗壓強度。波速測試采用武漢巖土力學研究所生產的RSM-SY5 聲波檢測儀，壓縮試驗在長春新科生產的試驗機上采用DH3815N 靜態應變測試系統進行測試。

2 斜云煌斑巖的物理特性

試樣比重為巖石試樣的重量或質量與同體積水的重量（在4℃時的純水）或質量之比。巖石試樣的密度（塊體密度）為單位體積巖石試樣的質量。巖樣的吸水率（本實驗中為飽和吸水率）實驗采用真空抽氣法。實驗過程中，飽和試樣容器內的水面高于試樣，真空壓力表讀數為100kPa，抽氣時間大于4小時。經真空抽氣的試樣放置在原容器中，在大氣壓力下靜置4小時，取出試樣拭干表面的水分并稱量。強制吸水后巖樣的重量減去試樣烘干后的重量（在105℃至110℃溫度下烘24小時，取出放入自然器內冷卻至室溫后稱量），與試樣烘干后的重量之比即為吸水率。

巖樣的孔隙率為巖樣中孔隙體積與巖樣總體積之比，實驗過程中，將試樣飽和吸水后的重量減去試樣烘干后的重量并換算成體積（孔隙的體積），此體積除巖樣總的體積即為孔隙率。實驗中，逐個量測試樣的幾何尺寸，計算每個試樣的體積，同時量稱每個試樣的重量，求出每個試樣的重力密度ρ，實驗得出微風化斜云黃斑巖的物理參數如表1所示。

表1 物性實驗結果統計表

統計

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

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 斜云煌斑巖的力學特性

實驗中的軸向壓力通過標定的測力柱量測，試樣的縱向、橫向變形通過應變片量測。實驗中，記錄試樣的力與縱向應變和橫向應變關系曲線。試樣的破壞強度即（σ1-σ3）f（單軸情況下σ3=0）為應力-應變曲線中的峰值應力，彈性模量E定義為50%破壞強度所對應的應力、應變之比；泊松比υ定義為橫向應變與縱向應變之比，剪切模量G和體積模量K根據下式得到：

（1）

（2）

（3）

巖石的軟化系數定義為飽水狀態的單軸抗壓強度與干燥狀態的單軸抗壓強度之比，單周壓縮試驗得到的參數如表2 所示。

表2 單軸壓縮實驗結果統計表

統計

指標 飽和 干燥 軟化

系數

抗壓強度（MPa） 彈性模量

（GPa） 泊松比 抗壓強度

（MPa） 彈性模量

（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

三軸抗剪實驗中的軸向壓力通過載荷傳感器測量，三軸圍壓通過壓力傳感器測量，試樣的縱向、橫向變形通過應變規量測。采用速率為0.001m/s的軸向變形來控制加載。實驗中，記錄試樣的圍壓、力與縱向應變和橫向應變關系曲線等。

以側壓力作為橫座標，以強度作為縱座標，繪制各個試件的側壓力-強度值的關系圖，如圖2所示。通過上述各點繪制平均曲線，得出強度包絡線，在曲線上選取最適當的線段繪一條直線或在曲線上選取不同的線段繪出幾條直線。計算出每條曲線的斜率（傾角的正切）m和在y軸上的截距b。

圖2 強度包絡線

利用參數m、b，根據式（4）、式（5）可計算試樣的摩擦角φ和內聚力C（按庫倫破壞理論）。

（4）

（5）

根據技術要求，采用自然狀態巖樣進行了3MPa、12MPa、24MPa、36MPa四種圍壓的三軸剪切實驗，結果推薦為C=34.21MPa，φ=45.89°。

聲波參數采用彈性波法確定。根據重力密度，采用RSM-SY5型聲波儀測出試樣的縱波到達時間tP和橫波到達時間tS，以此計算出試樣的縱波波速CP和橫波波速CS，根據下式計算試樣的彈性模量Ed和剪切模量Gd以及泊松比υd。聲波實驗的結果如表3所示。

Ed=2（1+υd）·ρ·C2S （6）

Gd=ρ·C2S （7）

（8）

表3 聲波實驗結果統計表

統計指標 縱波波速

（m/s） 橫波波速

（m/s） 彈性模量

（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 結語

綜上所述，微風化斜云煌斑巖是一種物理力學性質相對較差的特殊巖類，它的工程地質性質不同于原巖。在工程上，用室內試驗確定其物理力學性質指標較為單一，建議與現場原位試驗相結合來進行工程地質特性分析。

鑒于微風化斜云煌斑巖的結構和成份特點，在基坑開挖過程中，暴露于空氣中的斜云煌斑巖其物理力學性質將大大降低，結構很容易遭到破壞。因此，建議對斜云煌斑巖形成的人工邊坡進行穩定性分析，并且進行支擋治理。

參考文獻

[1] 劉燊，胡瑞忠，趙軍紅等.膠北晚中生代煌斑巖的巖石地球化學特征及其成因研究[J].巖石學報，2005，21（3）.

[2] 譚俊，魏俊浩，楊春福等.膠東郭城地區脈巖類巖石地球化學特征及成巖構造背景[J].地質學報，2006，80（8）.

[3] 徐紅，徐光平.膠東煌斑巖的地球化學特征及成因探討[J].巖石礦物學雜志，2000，19（1）.

[4] 樊朝金，鄧春海.青島地區巖石基坑遇煌斑巖險情時的應急加固措施[J].巖土工程界，2009，12（11）.

作者簡介：葉長鋒（1978- ），男，山東省煙臺人，工程師，主要從事電力巖土工程的勘察設計等工作。

平均值 168.24 73.99 0.230 203.11 78.08 0.211 0.83

三軸抗剪實驗中的軸向壓力通過載荷傳感器測量，三軸圍壓通過壓力傳感器測量，試樣的縱向、橫向變形通過應變規量測。采用速率為0.001m/s的軸向變形來控制加載。實驗中，記錄試樣的圍壓、力與縱向應變和橫向應變關系曲線等。

以側壓力作為橫座標，以強度作為縱座標，繪制各個試件的側壓力-強度值的關系圖，如圖2所示。通過上述各點繪制平均曲線，得出強度包絡線，在曲線上選取最適當的線段繪一條直線或在曲線上選取不同的線段繪出幾條直線。計算出每條曲線的斜率（傾角的正切）m和在y軸上的截距b。

圖2 強度包絡線

利用參數m、b，根據式（4）、式（5）可計算試樣的摩擦角φ和內聚力C（按庫倫破壞理論）。

（4）

（5）

根據技術要求，采用自然狀態巖樣進行了3MPa、12MPa、24MPa、36MPa四種圍壓的三軸剪切實驗，結果推薦為C=34.21MPa，φ=45.89°。

聲波參數采用彈性波法確定。根據重力密度，采用RSM-SY5型聲波儀測出試樣的縱波到達時間tP和橫波到達時間tS，以此計算出試樣的縱波波速CP和橫波波速CS，根據下式計算試樣的彈性模量Ed和剪切模量Gd以及泊松比υd。聲波實驗的結果如表3所示。

Ed=2（1+υd）·ρ·C2S （6）

Gd=ρ·C2S （7）

（8）

表3 聲波實驗結果統計表

統計指標 縱波波速

（m/s） 橫波波速

（m/s） 彈性模量

（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 結語

綜上所述，微風化斜云煌斑巖是一種物理力學性質相對較差的特殊巖類，它的工程地質性質不同于原巖。在工程上，用室內試驗確定其物理力學性質指標較為單一，建議與現場原位試驗相結合來進行工程地質特性分析。

鑒于微風化斜云煌斑巖的結構和成份特點，在基坑開挖過程中，暴露于空氣中的斜云煌斑巖其物理力學性質將大大降低，結構很容易遭到破壞。因此，建議對斜云煌斑巖形成的人工邊坡進行穩定性分析，并且進行支擋治理。

參考文獻

[1] 劉燊，胡瑞忠，趙軍紅等.膠北晚中生代煌斑巖的巖石地球化學特征及其成因研究[J].巖石學報，2005，21（3）.

[2] 譚俊，魏俊浩，楊春福等.膠東郭城地區脈巖類巖石地球化學特征及成巖構造背景[J].地質學報，2006，80（8）.

[3] 徐紅，徐光平.膠東煌斑巖的地球化學特征及成因探討[J].巖石礦物學雜志，2000，19（1）.

[4] 樊朝金，鄧春海.青島地區巖石基坑遇煌斑巖險情時的應急加固措施[J].巖土工程界，2009，12（11）.

作者簡介：葉長鋒（1978- ），男，山東省煙臺人，工程師，主要從事電力巖土工程的勘察設計等工作。

平均值 168.24 73.99 0.230 203.11 78.08 0.211 0.83

三軸抗剪實驗中的軸向壓力通過載荷傳感器測量，三軸圍壓通過壓力傳感器測量，試樣的縱向、橫向變形通過應變規量測。采用速率為0.001m/s的軸向變形來控制加載。實驗中，記錄試樣的圍壓、力與縱向應變和橫向應變關系曲線等。

以側壓力作為橫座標，以強度作為縱座標，繪制各個試件的側壓力-強度值的關系圖，如圖2所示。通過上述各點繪制平均曲線，得出強度包絡線，在曲線上選取最適當的線段繪一條直線或在曲線上選取不同的線段繪出幾條直線。計算出每條曲線的斜率（傾角的正切）m和在y軸上的截距b。

圖2 強度包絡線

利用參數m、b，根據式（4）、式（5）可計算試樣的摩擦角φ和內聚力C（按庫倫破壞理論）。

（4）

（5）

根據技術要求，采用自然狀態巖樣進行了3MPa、12MPa、24MPa、36MPa四種圍壓的三軸剪切實驗，結果推薦為C=34.21MPa，φ=45.89°。

聲波參數采用彈性波法確定。根據重力密度，采用RSM-SY5型聲波儀測出試樣的縱波到達時間tP和橫波到達時間tS，以此計算出試樣的縱波波速CP和橫波波速CS，根據下式計算試樣的彈性模量Ed和剪切模量Gd以及泊松比υd。聲波實驗的結果如表3所示。

Ed=2（1+υd）·ρ·C2S （6）

Gd=ρ·C2S （7）

（8）

表3 聲波實驗結果統計表

統計指標 縱波波速

（m/s） 橫波波速

（m/s） 彈性模量

（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 結語

綜上所述，微風化斜云煌斑巖是一種物理力學性質相對較差的特殊巖類，它的工程地質性質不同于原巖。在工程上，用室內試驗確定其物理力學性質指標較為單一，建議與現場原位試驗相結合來進行工程地質特性分析。

鑒于微風化斜云煌斑巖的結構和成份特點，在基坑開挖過程中，暴露于空氣中的斜云煌斑巖其物理力學性質將大大降低，結構很容易遭到破壞。因此，建議對斜云煌斑巖形成的人工邊坡進行穩定性分析，并且進行支擋治理。

參考文獻

[1] 劉燊，胡瑞忠，趙軍紅等.膠北晚中生代煌斑巖的巖石地球化學特征及其成因研究[J].巖石學報，2005，21（3）.

[2] 譚俊，魏俊浩，楊春福等.膠東郭城地區脈巖類巖石地球化學特征及成巖構造背景[J].地質學報，2006，80（8）.

[3] 徐紅，徐光平.膠東煌斑巖的地球化學特征及成因探討[J].巖石礦物學雜志，2000，19（1）.

[4] 樊朝金，鄧春海.青島地區巖石基坑遇煌斑巖險情時的應急加固措施[J].巖土工程界，2009，12（11）.

作者簡介：葉長鋒（1978- ），男，山東省煙臺人，工程師，主要從事電力巖土工程的勘察設計等工作。