玄武岩风化土工程力学特性的研究现状.doc

玄武岩风化土工程力学特性的研究现状玄武岩风化土工程力学特性的研究现状 王参松 武汉科技大学城市建设学院 岩土工程 湖北 武汉 430065 摘要摘要 玄武岩分布广泛 种类繁多 由于玄武岩所在地区的地形地貌复杂 地貌类型变化大 故玄武 岩地区有其特有的工程地质特性 其风化土的工程地质条件也较复杂 通过对玄武岩风化规律的分析 及对研究资料的统计 可以分析出玄武岩风化土的工程特性 关键字关键字 玄武岩 工程特性 风化土 THE RESEARCH ON ENGINEERING PROPERTIES OF WEATHERED BASALT WANG Cansong College of Urban Construction Wuhan University of Science and Technology Geotechnical Engineering Wuhan Hubei 430065 China Abstract Basalt distributes widely and variedly as the region where basalt existences has complex topography and geomorphology changes bigly so basalt region has unique geological features the engineering geological conditions on weathering of soil are more complex rules by weathering data analysis and statistical research on basalt you can analyze the engineering properties of weathered basalt Key words Basalt Engineering properties Weathering of soil 1概述概述 玄武岩致密坚硬 纹理细腻而均匀 磨光后光泽明亮 抗风化能力强 耐磨 抗酸 低辐射 吸水防滑 阻热 人们经 常将其作为建筑材料和装饰材料加以利用 由于其承载力高 抗剪强度大 也经常被 选作为各类工程的地基 1 玄武岩在我国 分布极为广泛 按产状表现玄武岩大致可 分为两类 我国西南部大面积分布的峨嵋 山玄武岩即属裂隙式喷发玄武岩 东北地 区 内蒙古高原 南京地区 广东地区和 台湾为中心式喷发玄武岩 随着社会进步 发展 这些玄武岩分布地区需要修建高速 公路等各等级公路和水坝等工程设施 而 玄武岩的风化程度地区差异性太大 即使 同一地区玄武岩也会因夹岩层等因素而使 得风化程度不同 从而玄武岩风化土的工 程特性是工程实践中必须考虑的问题 现 主要以我国西南部广泛分布的峨嵋山玄武 岩为例来分析玄武岩风化土的工程特性 探讨其在工程中的作用 为今后类似地区 工程建设提供一些借鉴 2 5 2玄武岩风化研究玄武岩风化研究 由于受太阳辐射 水 气体 生物等 因素的综合作用 岩体物理性状 矿物化 学成分 力学强度等发生变化的过程和现 象称岩体风化 促使岩体风化的地质作用 可分为 3 种类型 即物理风化 化学风化 和生物风化 岩体风化分带的定性分析方 法有两种 一是通过对岩体地质特征的观 察分析岩体风化程度 风化类型表征了不 同风化带的风化程度的性状特征及产出条 件 二是岩体风化分带的野外鉴别 野外 风化分带的鉴别有很强的经验性和差异性 不同地区 不同地质特点和不同的侧重点 都可能造成判别差异 岩体风化分带定量 综合分析法有四种 分别是根据弹性波波 速及波速曲线划分 根据岩石物理力学性 质指标划分 根据点荷载强度指标划分 根据波速比和风化系数划分 6 目前国内 针对玄武岩岩体风化的特征及风化界限划 分指标的量化研究文献相对较少 主要是 针对玄武岩风化土进行定性分析研究 而 且各地区的玄武岩成岩过程不同 玄武岩 成分和夹岩成分也不同 从而针对风化土 的具体的定量分析也较少 根据当前相关 研究论文综合情况来看 玄武岩风化带可 大致分为全风化带 中风化带 弱风化带 7 成都理工大学结合国内外有关岩体风 化划分中的参数值和通过对玄武岩岩体现 场研究获得的不同风化带岩体裂隙间距值 的指标界线 以及裂隙间距 岩体完整性 系数与岩体结构类型的关系成果 提出了 用于岩体风化程度并内含岩体结构的综合 分带指标 并对主要代表性指标间的关系 作了系统分析 归纳和总结 对峨眉山区 域玄武岩风化研究情况如下 在现场通过对峨眉山玄武岩风化土的 微观特征 矿物成分 化学成分的研究 得出了峨眉山玄武岩的风化是以物理风化 为主 化学风化不明显 并确定了峨眉山 玄武岩风化分带的主要地质特征 8 峨眉山玄武岩按表面颜色 锤击声 构造带的充填物等因素 并结合参数值指 标可分为微新岩体 弱风化岩体等 2 大类 弱风化岩体又可分为弱风化上段与弱风化 下段 2 个亚类 随风化程度的加剧 节理 面由青灰色 灰黑色 新鲜岩体过渡到部 分黄褐色弱风化下段岩体再过渡到黄褐色 弱风化上段岩体 岩石断口从灰黑色 青 灰色 微新岩体过渡到少量黄褐色弱风化 下段再过渡到大量黄褐色弱风化上段 随 风化程度的加剧 锤击声由微新 弱风化 下段岩体清脆声变为弱风化上段沉闷声 局部能听出架空声音 9 11 3玄武岩风化土工程特性玄武岩风化土工程特性 对各级风化玄武岩岩体进行现场变形 和大剪试验 不同结构类型的岩体其应力 应变曲线形式不一 新鲜完整的整体块状 结构的玄武岩 其变形曲线形式为准直线 型 剪切破坏形式为脆弹型 具典型的高 模量和明显的峰值强度特征 弱风化玄武岩 为坚硬较完整的次块 状镶嵌结构的玄武岩 由于试件中包含一 定量的裂隙 变形曲线呈上凸的弹塑性特 征 剪断破坏仍以弹性为主 反映该类岩 体仍具较高的模量和一定的结构效应 中风化玄武岩 为完整性较差的镶嵌 碎裂结构岩体其内含软弱结构面 层间和 层内错动带 变形曲线呈下凹型 剪断 破坏形式塑性和少量的弹塑性 反映该类 岩体和结构面模量较低 具较明显的结构 效应 全风化玄武岩 为玄武岩经物理风化 和化学风化而残留在原地的残留物 在滇 西广泛分布 经现场实验和实验室测定可 得全风化玄武岩具有低密度 高含水量 高饱和度 大孔隙比 高压缩性 低承载 力 分布不均 性质变化大等特点 12 16 3 1 弱风化玄武岩总体性能良好弱风化玄武岩总体性能良好 弱风化带岩体新鲜坚硬 承载力等特 性较高 地质灾害少见 从而工程性比较 稳定 但玄武岩中常夹有薄层或透镜状凝 灰岩 成为软弱结构面 易沿夹层发生滑 坡 作为路基 弱风化土埋藏于路基面之 下 当边坡为黏性土和第三系泥岩和砂岩 这时的玄武岩风化土就是路基下的硬层 它的位置不仅影响边坡的稳定性 而且还 影响边坡滑动面的形态 一般地 玄武岩 弱风化土埋深越浅 边坡越稳定 路基的 稳定性就越好 边坡的安全系数就越大 如果发生边坡失稳 则滑弧直径就越大 滑面越靠近坡面 失稳厚度和体积越小 总之 坡脚下分布玄武岩对工程边坡稳定 性是有利的 还给挡护工程基础提供了更 加稳定的地基 当玄武岩弱风化土位于路 堑边坡土层中 如果边坡大部分为黏性土 和泥岩 玄武岩风化土夹于其中 则边坡 按土层坡率放坡和防护 不会有什么问题 17 20 在桥梁隧道方面 应该说弱风化玄武 岩对工程安全是有利的 土层中的玄武岩 某种程度上增加了桥隧的安全 因为玄武 岩弱风化土不论是强度 自稳能力都比土 层高 但风化玄武岩总体来说可谓是一个 不稳定因素 隧道里部由于玄武岩完整性 比较好 可能比较稳定 但切口处及靠近 洞口处由于风化原因及人为破坏因素 容 易发生碎石塌落影响工程建设 而桥梁方 面也会由于风化而成的石块对桥墩产生冲 击影响 21 3 2 中风化玄武岩不稳定性较强中风化玄武岩不稳定性较强 中风化玄武岩主要为碎裂结构岩体 中风化带厚度可达三五十米 岩石破碎成 几厘米至几十厘米的岩块 岩体整体性几 乎完全丧失 强度低 透水性好 易受侵 蚀切割 形成深切冲沟 在地基工程中此 风化土承载力不够高 稳定性较差 在工 程等级要求较高时需对其进行承载力实验 其下的弱风化带或新鲜岩石完整性好 整 体强度高 透水性较差 具有阻水作用 接触带常常成为软弱结构面 尤其是当下 伏岩层为软化 泥化 的凝灰岩或喷发间断 的软弱沉积物时 软弱结构面的特征更为 明显 滑动可能在碎裂状风化岩体内产生 滑动面位置受最大剪应力面控制 形状一 般为弧形 滑体规模较小 滑动也可能受 下伏软弱结构面控制 碎裂岩体沿软弱结 构面滑动 其滑移条件为软弱结构面强度 较低时 或者是软弱结构面倾向与斜坡倾 向一致 并有一定的倾角 再就是前方受 切割 软弱结构面临空 或使斜坡平衡条 件破坏 这种情况下一般可产生较大规模 的滑坡 构造原因形成的碎裂岩体 具类 似的结构特征 22 24 当中风化土位于路基附近山坡顶时 山顶上的风化玄武岩大都危岩耸立 坎边 缘的岩块多已风化松动 缝隙张开 崩塌 落石现象十分普遍 因玄武岩位置高 崩 落的岩块经过跳跃 滚动等冲向路基影响 运营和施工安全 一般路基应是有一定高 度的路堤 如果在坡脚外 从已经滚落的 岩块分布看 崩塌岩块影响较小 但对路 堑影响却较大 如果线路走行于山坡上 则路堑开挖缩短了与崩塌体运动距离 改 变了落石轨迹 增加了落石的冲量 一定 程度上路堑成了一个落石槽 这时 需根 据实际情况应采用防护网 挂网喷射混凝 土 设挡护墙等措施 25 26 3 3 全风化玄武岩需重点研究全风化玄武岩需重点研究 全风化土具有一般粘性土的特性 承 载力低 压缩性强 含水率高 性质变化 大 非常不均匀 而且国内各地区的玄武 岩全风化土由于成因等原因致性质差异性 较大 所以在面对全风化土时一定要慎重 考虑 从现场勘察到实验测量 准确得出 其工程力学特性参数 全风化土作为地基 时 由于承载力不够高 可以考虑换土垫 层法提高承载力 如果风化土层较厚时可 以采用压实法提高路基质量 27 现阶段对玄武岩全风化土的研究主要 与工程实例相关 针对性较强 如大理至 丽江铁路段存在的全风化土具有很强的膨 胀性 土中粘粒成分主要由强亲水性矿物 组成 具有显著湿胀干缩性质的特殊性粘 土 其胀缩与内部所含的粘土矿物有关 粘土矿物吸水膨胀 失水收缩 导致其内 部构架产生变形 对工程来说影响极大 在此工程中对其采取了较多的处理措施 又如浙江武义县境内玄武岩全风化土层 其工程地质特征不同于一般岩石风化层的 工程地质特征 表现为物理力学性质较差 而与石灰岩风化及红土化后形成的红粘土 特性相类似 如处理不当极易引发工程质 量事故 总之 玄武岩全风化土层的工程 力学特性地区差异性较大 承载力等最好 得由现场测量和实验确定 28 29 4 应用实践与研究应用实践与研究 最近学者们对峨眉山玄武岩地区水电 站坝区风化玄武岩的量化评定选择了岩石 质量指标 裂隙条数 波速比 3 个指标 采用这 3 个指标对实例工程区的风化界限 进行了划分 结果与现场有经验的地质师 定性划分基本一致 而且这三者沿地质的 变化具有很好的一致性 可以作为风化分 带的量化指标 且操作方便 这 3 个指标 作为峨眉山玄武岩风化分带的量化指标具 有实用价值 由于 3 个指标有很好的相关 性和对应性 在现场可以用多个指标对岩 体风化进行综合分带 岩体风化问题的研究现在主要采用定 性和定量相结合的方法 在研究岩体风化 问题中引入能够反映岩体风化本质的代表 性指标 会使岩体风化带的划分更科学 更全面 更准确 岩体风化带划分方案目前仍存在一些 问题需要我们继续研究探讨 例如没有用 岩体结构 去研究不同风化带 岩体结 构 类型的变化 岩体风化带划分方案中 的一些量化指标在一些特殊条件下不易获 取等 对于表征岩体风化的特征性指标选 取及各指标间相互关系的研究有待进一步 开展工作 30 31 5 结束结束 由于受地层岩性 岩体结构 地质构 造 水文条件 自然条件及人类活动等因 素的控制和影响 峨眉山地区玄武岩风化 土一般呈弱风化和微风化状 不加处理会 对工程建设有一定的影响 而且少数地区 玄武岩风化程度较高 工程特性不高 处 理不当对工程实践有较大影响 极易引发 各类地质灾害 所以在各类工程实践中一 定要根据不同地区玄武岩风化程度的准确 判断和地质勘探情况从而采取正当措施防 范事故发生 同时随着玄武岩风化规律的 研究探讨 对峨眉山乃至全国的玄武岩风 化会有一个量化的研究结果 从而会大大 促进玄武岩地区工程建设 参考文献参考文献 References 1 王毅 杨建宏 玄武岩的岩体结构与力学性状研究 国家 电力公司成都勘测设计研究院 2002 WANG Yi YANG Jianhong Research on rock structure and mechanical behavior of basalt Chengdu Hydroelectric Investigation Design Institute Of SPC 2002 2 王砚耕 王尚彦 峨眉山大火成岩省与玄武岩铜矿 以贵州二叠纪玄武岩分布区为例 贵州地质 2008 WANG Yangeng WANG Shangyan Large igneous provinces and basalt copper of the Mt Emei Take distribution of Permian basalts in guizhou area as the example GUIZHOU GEOL0GY 2008 3 周中华 周立峰 武义玄武岩全风化层与 红粘土 的物 理力学性质特征比较 浙江煤炭 2002 ZHOU Zhonghua ZHOU Libo Wuyi Weathered basalt layer and the red clay Comparison of physical and mechanical properties Zhejiang coal 2002 4 桂金祥 杨英 大丽铁路玄武岩全风化带膨胀土的工程特 性及治理 铁道勘察 2005 GUi Jinxiang YANG Ying The engineering geology characteristics and treatment 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