烏東德水電站庫區板巖遇水軟化微觀機理及強度模型研究

2018-11-24 08:20:16念紅芬張春華

三峽大學學報(自然科學版) 2018年6期

念紅芬張春華

(攀枝花學院土木工程學院，四川攀枝花 617000)

天然形成的巖石作為一種包含眾多孔隙、膠結物、礦物顆粒以及其他成分的非均質混合體，在形成過程中，受到地質構造運動、環境侵蝕等的作用，其物理力學特性將發生巨大變化[1]．其中水的侵蝕作用最為明顯[2-3]．在烏東德水電站中，高水位作用下，巖石邊坡受到高壓水的侵蝕作用，若侵蝕嚴重，可能發生較大破壞，危及巖質邊坡安全和穩定．從巖石工程角度來看，這種影響稱為“水巖相互作用”，最早由蘇聯地球化學家A.M.O.Bynhhnkob提出．國內學者也較早的進行了跟蹤研究．陳鋼林等[3]為了探究巖石在水的作用下表現出的宏觀力學效應，設計了砂巖、灰巖、大理巖以及花崗巖在不同飽和度下的單軸壓縮試驗．周翠英等[4-5]為探究軟巖遇水軟化的機制，對3種不同類型巖石在飽水狀態下進行力學行為測試．馮夏庭等[6]采用不同種類的化學溶液對含裂紋的試件進行腐蝕，并通過細觀力學試驗系統監測了試件的裂紋擴展過程，研究表明試件的裂紋排列次序及擴展與化學腐蝕作用關聯度較大．姚華彥等[7-8]實時觀測了含預制裂紋灰巖在化學溶液作用下的壓縮破裂過程，并分析了化學溶液使巖石劣化的機理．吳平[9]通過三軸加、卸載試驗分析應力路徑下水對砂巖的影響，發現砂巖在卸荷狀態下較之加載狀態下內摩擦角降低而黏聚力增加．鄭曉卿等[10]通過微觀和宏觀試驗，探討了鄂西北頁巖的軟化機理，認為飽水時間影響了巖石的抗壓強度和彈性模量．本文針對水巖相互作用現象，采用宏觀試驗和微觀(XRD、SEM)分析，揭示了水對板巖軟化的微觀機制，并且依據多孔介質力學理論，提出板巖遇水軟化模型，以期為巖質高邊坡蓄水穩定性評價提供參考．

1 試驗

1.1 試樣準備

采用鉆孔法在烏東德水電站工程施工區域鉆取板巖，加工成直徑50 mm，長度100 mm的標準圓柱試樣．

選取加工完成的12個板巖試樣，一共分成4組，每組3個．第1組試樣(A1～A3)置于箱內溫度為105℃的干燥箱內干燥48 h；第2組試樣(A4～A6)置于真空飽和儀中加水飽和7 d，飽水壓力為0.5 MPa；第3組試樣(A7～A9)置于真空飽和儀中飽和7 d，飽水壓力為1.0 MPa；第4組試樣(A10～A12)置于真空飽和儀中飽和7 d，飽水壓力為1.5 MPa．在加壓飽水過程中，要求每隔5 h檢查壓力表讀數，確保壓力表讀數始終保持預設壓力，如發現有壓力泄露，應及時進行壓力補充．待飽和結束后，取出巖石試樣用橡膠套套住，防止水分蒸發．

1.2 試驗方法

試驗主要為了探究不同飽水壓力下板巖宏觀特性的變化規律和微觀軟化機理．主要測試方法如下．

1)使用利曼APD2000PRO型X射線衍射儀對巖石試樣進行X射線衍射試驗，獲得巖石礦物成分．其測角儀精度為0.000 1度，重現性接近0.000 1度[11]．

2)利用美國MTS巖石力學伺服試驗機，按照相關規范要求進行單軸壓縮試驗，獲得試樣應力-應變曲線和抗壓強度，據此分析巖石宏觀力學特性．

3)掃描電鏡(SEM)試驗采用荷蘭FEI公司生產的Teneo型，其加速電壓為200～30 000 V，放大倍數可達20～200 000倍，分辨率達到3.0 nm[11]．

2 微觀機理分析

2.1 礦物成分分析

通過XRD圖譜，獲得板巖內部成分．各礦物含量從高到低依次為2M1型白云母(42.53%)、斜綠泥石(27.30%)、石英(20.02%)、鎂方解石(6.87%)以及白云石(3.28%)．這些礦物遇水穩定，結構致密，說明板巖遇水后，其軟化機制并不是由于礦物遇水溶解造成的．

2.2 電鏡掃描分析

試驗采用電子顯微鏡分別對經過干燥、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa水壓力真空飽和處理后的4種板巖試樣的表面形貌進行微觀掃描．試驗選擇放大倍數為1 000倍的SEM圖像進行對比分析，具體如圖1所示．

圖1 不同飽水壓力下板巖SEM圖像(×1000)

由圖1(a)可知，板巖在干燥狀態下，基質呈薄片層狀，整體完整，表面風化程度較低，薄片結構緊密，邊緣形狀不規則，以面與面接觸形式為主，呈有序定向排列方式，僅有少量細微孔隙；與圖1(a)對比，圖1(b)中開始有顆粒從基質中脫離出來，薄片邊緣開始模糊，結構變得松散；當增加飽水壓力至1.0 MPa后，如圖1(c)所示，基質表面風化加劇，大量顆粒脫離基質，少許顆粒掉落入孔隙中，部分薄片結構破碎松散，孔隙附近的薄片結構邊緣磨圓程度加重；在經歷1.5 MPa水壓力真空飽水后，板巖基質表面風化程度進一步加劇，表面粗糙程度增強，不僅有大量散碎顆粒脫離基質，更有許多較大塊體剝離，片狀結構邊緣基本被磨圓，孔隙明顯增多．

將不同飽水壓力下的SEM圖像導入Image J軟件[12]，可提取板巖試件的孔隙率φ．同時，繪制孔隙率和飽水壓力的關系圖，如圖2所示．由圖可知，隨著飽和壓力的增大，孔隙率不斷增大，含水率也在不斷增加，與SEM分析結果一致．

圖2 板巖孔隙率與飽水壓力關系

綜合試驗結果和前人研究[12]，板巖在不同飽水壓力作用下的微觀結構變化可概括為：從微觀結構來說，巖石是礦物顆粒由一定的規律積聚而成的含有孔隙、裂隙等缺陷的非均質性固體．在水的潤滑侵蝕作用下，連接巖石礦物顆粒的膠結物質發生溶解，進而內部結構松散，當飽水壓力持續增大時，開始有部分礦物顆粒甚至塊體剝落．這使得原有巖石內部微小空隙增大，同時又產生次生空隙．因此孔隙率隨著飽和壓力的增加逐漸增加．這種微觀結構的變化可導致宏觀強度的軟化．

3 板巖遇水軟化理論模型

由上述微觀分析可知，板巖遇水后，水的侵蝕造成了內部孔隙不斷增加．因此，借鑒多孔介質理論，從孔隙率角度出發，建立板巖遇水強度軟化模型．

1)孔隙率與飽和壓力關系

擬合表1中孔隙率與飽水壓力的關系可知，孔隙率與飽水壓力之間滿足一次線性函數關系，見式(1)，擬合系數為0.955，擬合曲線如圖2所示．

φ=0.197P+0.182 (1)

2)孔隙率與彈性模量關系

由多孔介質力學理論Walsh公式(2)[13]可知，

(2)

式中，K為多孔介質體積模量，Km為基質的體積模量，V為巖石的體積，Vc為巖石孔隙的體積，Δp為作用在巖石外表面壓力．

假設孔隙為球體，內徑為b1，外徑為b2，如圖3所示．在孔隙率φ較小，Δp作用下，孔隙的半徑方向上變化量Δb1為：

式中，λ和μ為拉梅常數．假設板巖為各向同性，則存在一等效半徑c，使板巖的彈性性質與所有的孔隙都被半徑為c的球所代替的巖石的彈性性質相同，則每個孔隙球體體積變化為：

代入Walsh公式(2)并簡化得

(6)

(7)

圖3 多孔介質受力示意圖

3)抗壓強度與彈性模量關系

眾多文獻[14]指出，巖石試件的單抽抗壓強度σc與彈性模量E呈線性正相關，見式(8)：

σc=aE(8)

式中，a為修正參數，取決于巖石性質．

綜上所述，板巖單軸抗壓強度σc與飽水壓力P之間具有以下關系：

(9)

板巖遇水強度軟化模型是基于多孔介質力學理論和經驗公式推導獲得的，參數簡單明了，物理意義明確，充分反映了板巖浸潤后，孔隙率增加導致的板巖強度軟化特征．

4 板巖軟化模型試驗驗證

4.1 單軸壓縮試驗分析

通過美國MTS巖石力學伺服試驗機得到板巖的應力-應變曲線，該曲線能夠反映巖石宏觀強度和變形特性．試驗采用位移控制加載，軸向位移速率為0.002 mm/s．

圖4是在巖石力學伺服試驗機上得到的板巖標準圓柱試樣在干燥狀態以及不同飽水壓力狀態下的應力-應變全程曲線．

圖4 板巖的單軸壓縮應力-應變曲線

干燥狀態下，板巖的應力-應變曲線經歷了5個階段，分別是裂隙壓密階段(OA段)、彈性變形階段(AB段)、裂隙穩定擴展階段(BC段)、裂隙加速擴展階段(CD段)以及峰后段(DE段)，如圖4(a)中B2曲線所示．但在飽和壓力作用下，板巖試樣峰后段變得不明顯，應力-應變曲線在達到峰值應力后出現驟降，試樣表現出明顯的脆性破裂特征，如圖4(b)～4(d)所示．

圖5給出了不同飽水壓力下板巖峰后破壞形式．由圖5可知，板巖的破壞主要由相鄰礦物顆粒的錯開或分離導致，破壞形式呈兩種破壞特征，當飽和水壓力較小時，表現為軸向多劈裂面破壞．當飽水壓力大于1.0 MPa時，表現為剪切破壞特征．