地下水對板巖微觀結(jié)構(gòu)變化的影響研究

汪 麗，李同錄，張建杰

(1.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，陜西西安710077；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710054；3.四川大學(xué)水電學(xué)院，四川成都610065)

0 引 言

水電站庫區(qū)蓄水后，庫岸邊坡消落帶的水-巖作用逐漸成為研究熱點(diǎn)，很多學(xué)者進(jìn)行了各種水-巖作用試驗(yàn)，分析得到了庫岸邊坡消落帶巖體在水-巖作用下的抗壓、抗剪、抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度等物理力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律，為把握水-巖作用的宏觀效應(yīng)奠定了較好基礎(chǔ)[1]，但這些研究主要著重于水-巖作用下巖石物理力學(xué)特性劣化效應(yīng)分析，對水-巖作用的微細(xì)觀劣化機(jī)理分析不夠完善。

巖石微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析是研究巖石變形破壞機(jī)理的重要手段。近年來，在巖石的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析方面取得了較多成果。Y.H.Hatzor等[2]分析了巖石微觀結(jié)構(gòu)對脆性破壞的影響；H.C.Robina等[3]研究發(fā)現(xiàn)微觀裂隙和顆粒尺寸對巖石強(qiáng)度影響顯著；趙永紅等[4]研究發(fā)現(xiàn)巖石微裂紋的發(fā)展和聯(lián)通始終是沿顆粒邊界曲折前進(jìn)的；盧應(yīng)發(fā)等[5]從微細(xì)觀角度分析了單軸、三軸和循環(huán)荷載作用下大理巖的破壞方式和特征；譚以安、劉小明等[6-7]分別從微觀角度分析了巖石機(jī)制和漸進(jìn)破壞過程；倪驍慧、朱德珍等[8-9]基于巖石試驗(yàn)過程中微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征，提出了巖石的細(xì)觀損傷變量計(jì)算方法；譚羅榮[10]研究發(fā)現(xiàn)巖石的水穩(wěn)定性與微裂隙的關(guān)系十分明顯；周翠英等[11]分析了多種軟巖在飽水過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，為軟巖飽水后力學(xué)性質(zhì)變化機(jī)制分析提供了較好的思路。

綜合上述研究成果，巖石在各種力學(xué)和環(huán)境條件下的變形破壞過程是一個(gè)由微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化逐步向宏觀變形破壞演化的過程，研究巖石的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征，有助于把握巖石的變形破壞過程，也可從微細(xì)觀角度很好地解釋力學(xué)或環(huán)境條件對巖石物理力學(xué)特性的影響機(jī)理。

圖2 不同飽水壓力下板巖SEM圖像

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用板巖取自某水電站庫區(qū)庫岸邊坡，微風(fēng)化，無可見節(jié)理，完整性較好，孔隙式鈣質(zhì)膠結(jié)，基質(zhì)具微細(xì)鱗片變晶結(jié)構(gòu)的中粒砂狀結(jié)構(gòu)，巖石由石英、長石、巖屑、云母等組成，碎屑組分有燧石巖屑。巖樣尺寸為50 mm×100 mm(直徑×高度)。試驗(yàn)之前，先測試巖樣的縱波波速和回彈值進(jìn)行巖樣篩選。風(fēng)干10 d左右，巖樣的質(zhì)量趨于穩(wěn)定，巖樣達(dá)到風(fēng)干狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)流程

參考以往庫岸邊坡消落帶水-巖作用試驗(yàn)，本文的試驗(yàn)流程見圖1。水-巖作用過程中，設(shè)計(jì)4組巖樣，分別為干燥巖樣、0.5 MPa水壓力真空飽(模擬庫水50 m深處的水頭壓力)、1.0 MPa水壓力真空飽(模擬庫水100 m深處的水頭壓力)以及1.5 MPa水壓力真空飽(模擬庫水150 m深處的水頭壓力)。真空飽巖樣浸泡30 d，浸泡完成后，將全部巖樣取出，自然風(fēng)干10 d。

水-巖作用試驗(yàn)在YRK-1巖石溶解試驗(yàn)儀中進(jìn)行，該設(shè)備可以較好地模擬水壓力的升降變化。在不同水-巖作用周期，對破壞巖樣斷面進(jìn)行了SEM電鏡掃描，通過不同放大比例的SEM照片，從破壞斷面特征、顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)特征、斷口形態(tài)和裂紋擴(kuò)展特征等3個(gè)方面，對水-巖作用下板巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。

2 微觀機(jī)理分析

本次試驗(yàn)采用電子顯微鏡分別對經(jīng)過干燥、0.5 MPa水壓力真空飽、1.0 MPa水壓力真空飽以及1.5 MPa水壓力真空飽處理后的4種板巖試樣的表面形貌進(jìn)行微觀掃描。試驗(yàn)選擇放大倍數(shù)為1 000倍的SEM圖像進(jìn)行對比分析。不同飽水壓力下板巖SEM圖像見圖2。

從圖2可知，干燥狀態(tài)下，巖樣破壞斷面棱角分明，線條清晰，可以明確分辨出破壞斷面的凸起和凹陷處，破壞模式趨近于脆性破壞，只有少量巖石碎屑存在于斷面上。0.5 MPa飽水狀態(tài)下水-巖作用后，巖樣破壞斷面棱角及線條開始逐漸模糊、光滑，不再如初始狀態(tài)銳利及清晰，破壞模式仍趨近于脆性破壞，破壞斷面上巖石碎屑明顯增多。1.0 MPa飽水狀態(tài)下水-巖作用后，巖樣破壞斷面凹凸位置棱角及線條進(jìn)一步趨于光滑，但局部破碎程度逐漸加劇，裂紋線條比較清晰，但局部充填，裂紋兩側(cè)結(jié)構(gòu)松散，破壞斷面存在大量的巖樣碎屑。1.5 MPa飽水狀態(tài)下水-巖作用后，巖樣破壞斷面凹凸位置棱角圓滑，局部破碎狀態(tài)進(jìn)一步加劇，脆性破壞特征明顯減弱，裂紋邊界逐漸圓滑，巖屑充填明顯。

總體而言，在水-巖作用過程中，巖樣破壞斷面由棱角分明、線條清晰的凹凸?fàn)顢嗝妫饾u變得線條及棱角弱化模糊，局部破碎程度明顯增強(qiáng)，斷面附著的碎屑也逐漸增多。說明在水-巖作用下，板巖的整體脆性性質(zhì)逐漸減弱，結(jié)構(gòu)逐漸趨于松散。

將不同飽水壓力下的SEM圖像導(dǎo)入Image J軟件，可提取板巖試件的孔隙率φ。同時(shí)，通過浸水前后質(zhì)量比較，可獲得板巖含水率。板巖基本物理參數(shù)見表1。板巖孔隙率φ與飽水壓力P的關(guān)系見圖3。從圖3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，這與SEM分析結(jié)果一致。

表1 板巖基本物理參數(shù)

表2 不同飽水壓力板巖力學(xué)參數(shù)

圖3 板巖孔隙率與飽水壓力的關(guān)系

綜合試驗(yàn)結(jié)果和前人研究結(jié)果可知[12]，板巖在不同飽水壓力作用下的微觀結(jié)構(gòu)的變化可概括為：在水-巖作用過程中，礦物顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)逐漸溶蝕、溶解，各類長石逐漸發(fā)生水-巖物理、化學(xué)作用，從而使礦物顆粒之間的微裂紋、裂隙逐漸發(fā)育、匯集，孔隙率逐漸增大，巖石顆粒結(jié)構(gòu)從相對密實(shí)狀態(tài)逐漸變得趨于松散。水-巖物理作用對巖體除了產(chǎn)生潤滑、軟化及泥化等作用外，礦物質(zhì)顆粒在水的滲透、擴(kuò)散和運(yùn)輸作用下，會導(dǎo)致巖體次生孔隙率的增加；另一方面，各類長石礦物在水化學(xué)反應(yīng)中，一部分以離子形式進(jìn)入浸泡溶液中，引起溶液離子濃度的變化；另一部分通過化學(xué)反應(yīng)形成新的次生礦物，而次生礦物的密度、分子量是不同的，使其在巖體中所占據(jù)的空間體積發(fā)生變化，進(jìn)而促進(jìn)次生孔隙的產(chǎn)生。這些微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的變化，也正是巖樣物理力學(xué)特性劣化的根本原因。

由上述微觀分析可知，板巖遇水后，水的侵蝕造成了內(nèi)部孔隙不斷增加[13]。因此，借鑒多孔介質(zhì)理論，從孔隙率角度出發(fā)，可建立板巖遇水強(qiáng)度軟化模型。板巖單軸抗壓強(qiáng)度σc與飽水壓力P之間具有以下關(guān)系

式中，a為修正參數(shù)；ν為泊松比；Em為基質(zhì)的彈性模量。

3 板巖軟化模型試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單軸壓縮試驗(yàn)分析

在飽和壓力作用下，板巖試樣的峰值強(qiáng)度相比于干燥狀態(tài)下明顯降低。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到板巖各種狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比，結(jié)果見表2。從表可2知，隨著飽水壓力的增大，板巖飽水后單軸抗壓強(qiáng)度逐步減小，降低幅度約為10%；彈性模量逐步減小，降低幅度約為30%；而泊松比也呈下降趨勢，降低幅度約為25%。

3.2 理論模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文模型的正確性，將得到的不同飽水壓力下的巖石強(qiáng)度與理論模型結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4。從圖4可知，板巖遇水軟化模型與試驗(yàn)值接近，說明了本文模型能反映板巖遇水軟化特征。其中，a的取值為5.86。

圖4 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與本文理論模型對比

4 結(jié) 語

從巖樣破壞斷面特征、顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)特征、斷口形態(tài)和裂紋擴(kuò)展特征等3個(gè)方面分析發(fā)現(xiàn)，在水-巖作用過程中，巖樣內(nèi)部孔隙、裂隙逐漸發(fā)育、匯集、擴(kuò)展，礦物顆粒逐漸軟化分解，微細(xì)觀顆粒結(jié)構(gòu)逐漸變得松散，脆性破壞特征逐漸減弱。

在水-巖作用過程中，巖樣中鈣質(zhì)膠結(jié)物溶解、溶蝕，各種長石礦物發(fā)生水-巖物理化學(xué)作用，一方面導(dǎo)致了浸泡溶液離子成分和濃度的變化；另一方面直接影響了巖樣微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。

提出了水-巖作用過程中板巖微細(xì)觀劣化的不同階段，首先是巖樣中膠結(jié)物的溶解、溶蝕；然后是失去膠結(jié)物包裹的礦物顆粒表面發(fā)生水-巖物理化學(xué)作用；最后是礦物顆粒本身的軟化、分解。當(dāng)然，水-巖作用過程中，這3種典型的作用過程不是決然分開的，均伴隨整個(gè)水-巖作用過程，只是不同階段主導(dǎo)作用不同。