粉砂質板巖各向異性特性研究

吳 章 雷

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

近年來，由于工程建設的需要，板巖被廣泛用作建筑物的基礎、隧洞或地下洞室圍巖、建筑材料等，人們對板巖的認識也越來越深入，開展了大量的研究工作，尤其在板巖的物理力學特性方面。在雅礱江中游大范圍內發育一套三疊紀(T3)濁積相碎屑建造巖，經后期變質后，形成淺變質的砂板巖。砂巖一般因其堅硬、抗風化能力強，具有較高的物理力學指標，在工程建設中成為較理想、可利用的巖體和建筑材料。板巖因其堅硬性較差，抗風化能力較弱，物理力學指標較低，需進行改造后方可利用。

雅礱江中游發育的該套變質板巖，組成礦物主要有黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等，膠結物主要為泥質膠結，該板巖具有板理發育、各向異性明顯、變質淺等特點。雅礱江中游某水電站修建于這套淺變質砂板巖出露地區，工程建設需大量的利用板巖，才能滿足樞紐布置和工程建設要求。因此，對該淺變質板巖開展了大量的室內和現場試驗，對其各向異性特性進行研究，為板巖的利用和改造提供科學依據。

本文依托該水電工程開展的大量板巖室內試驗和現場試驗成果，分析整理了試驗數據，梳理出板巖各向異性特性的一般規律，為今后類似工程建設提供經驗和參考。

1 板巖的礦物成分分析

巖石是礦物的集合體，礦物的類型和膠結物是巖體物理力學特性的基礎，因此對板巖物理力學特性的研究，首先應對其礦物成分進行分析研究。在地表及探洞內取樣，開展板巖的礦物成分分析工作，巖石磨片礦物鑒定采用偏光顯微鏡進行，在偏光顯微鏡下觀察組成巖石的各種礦物，以及它們的結構構造及含量等。具體成果見表1。

巖石磨片礦物鑒定成果表明板巖為淺變質巖，板狀構造，變余結構，由黏土巖或黏土質粉砂巖淺變質而形成。主要礦物成分為黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等。在變質不均勻的情況下，局部將可能部分顯現原巖的礦物成分、構造及結構狀態。組成板巖的礦物除石英的硬度較高外，其余硬度均較低。

在沉積過程中，由于環境的動蕩，板巖中各種礦物及砂質的含量不均一。現場調查發現板巖因其砂質的含量不同，新鮮斷口的表現不同。砂質和石英含量較高板巖，斷口呈淺灰色，斷面較粗糙，強光下可見砂質光澤，反之，斷口巖石呈深灰色，染手，斷面較光滑。

2 板巖的物理特性

為了研究板巖的物理力學性能，依托勘測設計的水電項目開展了大量的室內試驗，共完成了72組室內物理力學試驗。下面重點介紹工程中常用的幾個物理指標的試驗成果。

試驗數據分析統計表明：板巖干密度范圍值2.62～2.78 g/cm3，多數集中在2.72～2.78 g/cm3區間內(見圖1)；比重范圍值2.69～2.80，大多數集中2.76～2.80區間內(見圖2)。

表1 巖石磨片礦物鑒定成果

圖1 板巖干密度統計散點分布

圖2 板巖比重統計散點分布

板巖的飽和吸水率較低，范圍值0.1%～1.2%，大部分不大于0.9%(見圖3)；軟化系數范圍值0.6～0.8，主要集中在0.7～0.8之間(見圖4)。

經分析研究，板巖的物理特性與礦物組成及成分密切相關，當巖石中石英、砂質碎屑含量較高時，干密度、比重、彈模、軟化系數，抗壓強度等數值也會較高；當巖石中黏土礦物、泥質、云母等含量較高時，上述值則較低，基本呈線性關系。大量的試驗值表明粉砂質板巖干密度2.72～2.78 g/cm3，比重2.76～2.80，飽和吸水率不大于0.9%，軟化系數0.7～0.8。

圖3 板巖飽水率統計散點分布

圖4 板巖軟化系數統計散點分布

3 板巖的各向異性特性

由于板巖在變質過程中，受高溫高壓影響，礦物定向排列形成板理面，因此，在對板巖開展室內力學試驗時，加載方向分為(∥)板理面和(⊥)板理面。試驗成果表明，(∥)板理面的濕抗壓強度為25～80 GPa，大部分為40～80 MPa(見圖5)；(⊥)板理面濕抗壓強度為40～100 GPa，大部分為60～1 000 MPa(見圖6)。

圖5 (⊥)板理面濕抗壓強度統計

圖6 (∥)板理面濕抗壓強度統計

試驗數據表明板巖各向異性明顯，(⊥)板理面方向濕抗壓強度大于(∥)板理面的濕抗壓強度。由于板巖的板理面往往是黏土礦物、云母及絹云母富集，為一軟弱面，平行板理面方向加載時，試驗表明試樣容易沿板理面破壞，強度低，垂直板理面加載，試樣往往是巖體被剪壞，強度高，(⊥)和(∥)板理范圍為1.25～1.5。

統計表明巖體的泊松比范圍值0.22～0.26，大多數為0.23～0.24；進一步統計表明，垂直板理的泊松比大于平行板理方向的泊松比，最大值可達0.26，最小值0.23，由此可見泊松比也反映了板巖具有各向異性的特點。但無論是垂直還是平行板理泊松比值主要集中在0.23～0.24(見圖7)。

圖7 泊松比統計散點

現場開展了9組現場巖體變形試驗，試驗成果表明，微新板巖(⊥)板理面E0=11～14 GPa，(∥)板理面E0=30～36 GPa；弱下風化板巖(∥)板理面E0=4～5 GPa，(⊥)板理面E0=3 GPa(見表2)。

表2 現場原位變質板巖巖體變形試驗成果

統計結果表明，平行板理面的板巖模量大于垂直板理面模量，弱風化的粉砂質板巖為1.5倍，新鮮面可達2～3倍。由此可見相同的壓力下，垂直板理面方向板理面被壓密實，變形較大，因而模量較小，平行板理面則反之，反映了板巖各向異性的特點。壓力和變形關系曲線表明，垂直板理面以直線型或準直線型為主，平行板理面以下凹型為主(見圖8)。

圖8 垂直和平行板理面壓力～變形關系曲線

現場開展了5組巖體強度試驗，試驗成果表明，微新板巖f′=0.79～1.38，C′=1.02～1.74 MPa；弱下風化板巖f′=0.74，C′=0.66 MPa(見表3)。

表3 現場原位變質板巖巖體強度試驗成果

4 結 論

本文依托雅礱江中游某水電站對淺變質粉砂質板巖開展的大量試驗，通過對其物理力學試驗值分析，研究粉砂質板巖各向異性特征，研究表明：

(1)雅礱江中游大范圍出露的三疊紀(T3)變質粉砂質板巖，礦物成分主要為黏土礦物、絹云母、綠泥石、石英等，板巖變質淺。板巖的物理特性與礦物組成及成分密切相關，石英、砂質碎屑含量高時，巖石的干密度、比重、軟化系數等值也較高；黏土礦物含量較高時，上述值則較低。

(2)濕抗壓強度、變形模量等試驗成果反映了板巖具有明顯的各向異性特征，究其原因，板巖在變質過程中礦物定向排列，形成了板理面，板理面往往是黏土礦物、云母及絹云母富集，為一弱面。該面力學強度低，變形較大，因此垂直和平行板理面的濕抗壓強度及變形模量區別較大。

(3)粉砂質板巖具有明顯的各向異性特性，在工程建設中要充分認識上述特征，趨利避害，盡量利用垂直板理面力學強度較高的特點來服務工程。

(4)本文統計的粉砂質板巖試驗值可以作為以后類似巖石上修建工程的參考值。