风化_蚀变对花岗斑岩物理力学特性影响分析_魏伟.pdf

书书书 Journal of Engineering Geology工程地质学报1004 9665 2012 20 4 0599 08 风化 蚀变对花岗斑岩物理力学特性影响分析 魏伟 沈军辉 苗朝 刘海 李刚 聂德新 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 成都610059 安徽省公益性地质调查管理中心合肥230001 成都理工大学科技咨询部成都 610059 摘要地壳浅表层岩体因受到风化和蚀变作用的影响而导致岩体的孔隙性增加 干密度 抗压强度等物理力学特性降低 孔隙度作为岩体遭受风化和蚀变作用的重要特征 可以反映出风化和蚀变作用对岩体物理力学特性的影响 因此 可以通过 对风化和蚀变花岗斑岩物理力学特性的室内试验 建立孔隙度与其他各项物理力学参数的函数关系 以此分析风化和蚀变对 花岗斑岩物理力学特性的影响 研究表明 风化和蚀变花岗斑岩的干密度和抗压强度均随孔隙度的增加而减小 且呈乘幂函 数关系 相关系数皆大于 0 83 吸水率与孔隙度则呈二项式函数关系 且随着孔隙度的增加而增加 其相关系数大于 0 90 风 化和蚀变都削弱了花岗斑岩的物理力学特性 且随着风化 蚀变程度的增加 花岗斑岩的物理力学特性也呈相应的函数关系 降低 陡倾结构面受风化和蚀变的影响较缓倾结构面强 关键词风化蚀变花岗斑岩物理力学特性 中图分类号 TU45文献标识码 A 收稿日期 2011 10 25 收到修改稿日期 2012 02 25 第一作者简介 魏伟 工程地质专业 从事岩体稳定地质工程研究 Email 275154645 qq com INFLUENCE ANALYSIS OF WEATHERING AND ALTERING FOR PHYSI CAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF GRANITE PORPHYRY WEI Wei SHEN Junhui MIAO Zhao LIU Hai LI Gang NIE Dexin National Laboratory of Geohazards Prevention and Geoenvironment Protection Chengdu University of Technology Chengdu610059 Public Geological Survey Management Center in Anhui Procince Heifei230001 Technology Consulting Chengdu University of Technology Chengdu610059 AbstractPorosity is one of the important characteristics of rock mass It can reflect the effect of weathering and altering for the physical and mechanical characteristics of rock mass Therefore the functional relationship of poros ity and the other physical and mechanical parameters is established through indoor experiments The effect of weathering and altering for the physical and mechanical characteristics of granite porphyry also is analyzed The re sults show that the dry density and compressive strength of the weathered and altered granite porphyry decrease as porosity increases which presents the power function relationship Their correlation coefficient are greater than 0 83 The water absorption increases with increasing in porosity which presents the binomial functional relation ship Their correlation coefficient are greater than 0 90 All the weathering and altering can weaken the physical and mechanical characteristics of granite porphyry As increasing in weathering and altering the physical and me chanical characteristics of granite porphyry can gradually reduce The influence of altering and weathering for the steep inclined structural face is stronger than for the gently dipping structural face Key wordsWeathering Altered Granite porphyry Physical and mechanical characteristics 1引言 地壳岩体由于受其成生环境 地质构造 地热 水等的影响 在后期的改造过程中 往往沿着其结构 面 接触面等与围岩发生各种交代置换作用 1 以 及在浅表层发生风化作用 这些风化和交代蚀变作 用或多或少都影响着岩体的物理力学性能 进而影 响着工程岩体的质量问题 如二滩水电站 广州抽水 蓄能水电站 大竹河水库等 2 10 因此 研究风化 蚀变岩体的物理力学特性 对工程的施工 设计及运 行具有重要意义 已有许多学者对此展开了专门的研究工作 杨 根兰等 11 通过常规单轴压缩试验 认为蚀变岩的 饱和单轴抗压强度和割线模量均随孔隙度的增加而 呈幂函数的关系降低 并指出 12 为软硬蚀变黑云 花岗片麻岩的界限孔隙度值 杨燕等 12 通过直剪 试验 分析了蚀变岩内聚力 内摩擦角与含水率 孔 隙度之间的关系 王旭东等 13 研究了蚀变岩的蠕 变特性 认为蚀变的孔隙率与其长期强度呈反比关 系 臧军吕 14 对青石岭水电站对峪坝址蚀变岩的 研究表明 蚀变岩的抗压强度和弹性模量均随孔隙 率的增大而急剧降低 且中等蚀变岩石约为未蚀变 片麻状花岗岩的二分之一 深蚀变岩石则降至原来 的五分之一 刘祖富 15 齐明山 16 于洪丹 17 等 分别对全风化和强风化花岗岩的物理力学及流变特 性进行了研究 杨根兰等 11 和杨燕等 12 的研究表明 作为岩 石中裂隙 孔洞 溶孔等的直接反映 孔隙度越大 岩 石的物理力学特性也就越差 且存在着一定的函数 关系 因此 可以将孔隙度作为基础 建立孔隙度与 其他各项物理力学参数的关系 以此来分析风化和 蚀变对花岗斑岩物理力学特性的影响 鉴于此 本文结合青龙引水发电站引水隧洞工 程 选取该隧洞内典型区段风化和蚀变花岗斑岩岩 块及结构面 通过点荷载试验和携剪试验等方法 对 弱风化 微风化花岗斑岩和弱蚀变 微蚀变花岗斑岩 的物理力学特性进行了测试 并通过对比分析风化 和蚀变对花岗斑岩物理力学特性的影响 2花岗斑岩的风化 蚀变特征 青龙电站工程区地处青藏高原的东南缘向川西 高山峡谷地貌的过渡带 地貌类型上隶属于深切割 高山侵蚀地貌 区域上受康藏歹字型巨型构造体系 和龙门山构造带的影响和控制 构造十分复杂 工程 区则位于该区域内洋布梁子 大年断裂和塔藏 双 河 何家坝断裂所围限的玉瓦 南坪地块内的陵江 青龙背斜西南翼 区内地层为二迭系下统黑河组 滨 浅海相沉积的浅变质碎屑岩和碳酸岩 夹脉状花 岗斑岩 图 1花岗斑岩沿结构面的分带蚀变 Fig 1Zoning alteration of granite porphyry along the structural plane 青龙电站引水隧洞位于白水江左岸 其水平埋 深和垂直埋深一般为 150 500m 最大水平埋深甚 至达到了 900m 在如此深埋情况下 花岗斑岩侵入 体仍表现出风化和蚀变现象 且花岗斑岩的蚀变具 有明显的分带现象 即花岗斑岩沿结构面呈明显的 分带蚀变 书书书 图 1 依据文献 18 19 书书书 表 1 在节 理密度较小区域 蚀变主要沿岩体结构面蚀变 表现 为沿结构面呈 0 1 2cm 不等厚度 颜色渐深的蚀 变带 此类蚀变定性划分为弱蚀变和微蚀变 在节 理密度较大区域 花岗斑岩往往沿结构面发生强烈 蚀变 表现为沿结构面岩体蚀变成岩块 岩屑 局部 因受断层或挤压带影响 则蚀变为岩屑 岩粉 甚至 夹少许断层泥 此类蚀变定性划分为强蚀变和全蚀 变 而花岗斑岩的风化主要是沿着结构面呈囊状风 化和块状风化 书书书 图 2 现场可定性划分为强风化 006Journal of Engineering Geology工程地质学报2012 图 2花岗斑岩沿结构面的囊状风化和块状风化 Fig 2Cystic and massive weathering of along the structural plane of granite porphyry 弱风化和微风化花岗斑岩 3风化 蚀变花岗斑岩试验内容 3 1试验样品 依据行业和国家标准 20 21 分别在不同洞段采 集了 3 组 17 个不同风化程度和 3 组 20 个不同蚀变 程度的花岗斑岩岩块 并采集了陡倾风化 蚀变结 构面和缓倾风化 蚀变花岗斑岩结构面各 1 组 并于 现场将其密封好 以保证试验样品天然状况下的物 理力学特性 由于花岗斑岩岩体结构面为刚性结构面 其胶 结较弱 因此 在制取结构面的过程 应避免结构面 的错动与张开等 3 2试验内容及试验设备 采用蜡封法 比重瓶法 烘干法 自由浸水法等 试验方法 分别对花岗斑岩岩样的干密度 比重 含 水率及孔隙度等物理特性进行了测试 花岗斑岩的力学特性试验 主要是通过点荷载 仪来进行 而花岗斑岩岩体结构面的抗剪强度试验 则是以携剪试验方法进行测试 点荷载试验和携剪试验包括加载系统和数据采 集两大系统 在试验的过程中 数据采集系统每 2s 自动采集一次试验数据 4风化 蚀变花岗斑岩试验成果分析 4 1物理特性分析 对不同风化 蚀变程度花岗斑岩的物理特性试 验结果如 书书书 表 2 依据函数关系式 1 计算得不同风 化 蚀变程度花岗斑岩物理特性损失率如 书书书 表 3 f f 1 2 1 1 式中 为损失率 1为新鲜岩石某项物理力学指 标值 2为风化或蚀变岩石某项物理力学指标值 从 书书书 表 2 书书书 表 3 中可以看出 1 新鲜花岗斑岩的干密度为 2 69g cm 3 比 重为 2 71g cm 3 吸水率为 0 12 风化和蚀变花 岗斑 岩 的 平 均 干 密 度 分 别 为 2 07g cm 3 和 2 10g cm 3 比重平均值都为 2 57g cm 3 吸水率 分别为 0 43 和 0 32 孔隙度则分别为 26 81 10620 4 魏伟等 风化 蚀变对花岗斑岩物理力学特性影响分析 和 25 90 2 风化和蚀变降低了花岗斑岩的各项物理性 能 其中干密度损失率分别为 23 17 和 21 93 吸水率则分别增加 72 31 和 62 71 3 随着风化程度和蚀变程度的增加 风化 蚀 变花岗斑岩的各项物理性能也逐渐的降低 其中干 密度 损 失 率 分 别 从 16 73 和 20 07 增 加 到 26 39 和 24 16 4 风化花岗斑岩与蚀变花岗斑岩相比 弱风 化和弱蚀变花岗斑岩各项物理指标损失率差值约 2 弱风化各项物理指标损失率均较微蚀变大 微 风化比重和吸水率损失率较微蚀变大 而干密度却 相当 即弱风化与弱蚀变对花岗斑岩物理特性的影 响是相等的 微风化对花岗斑岩物理特性的影响较 微蚀变强 通过孔隙度与其他各项物理参数的关系 建立 花岗斑岩孔隙度和干密度典型关系曲线 书书书 图 3 为 便于对比分析 图中同时给出了风化花岗斑岩与蚀 图 3花岗斑岩孔隙度 干密度关系曲线图 Fig 3The relation curve of porosity and dry density of granite porphyry 变花岗斑岩的孔隙度和干密度关系曲线 从图中可以看出 1 风化花岗斑岩与蚀变花岗斑岩孔隙度和干 密度的关系曲线均呈乘幂函数的关系 关系式如 下 其相关系数分别达到了 0 983 和 0 985 d 5 1019n 0 2751 R 0 983 2 d 5 3276n 0 2913 R 0 985 3 2 随着孔隙度的增加 风化花岗斑岩与蚀变 花岗斑岩干密度均呈乘幂函数关系下降 且前者的 干密度较后者的干密度下降得更快些 但其差值始 终小于 0 1g cm 3 即二者对花岗斑岩干密度的影 响是同等的 只是风化对花岗斑岩干密度的影响略 强于蚀变 在干密度的损失率上也呈现出相同的 结论 图 4 书书书 图 5 为花岗斑岩孔隙度和吸水率典型关 系曲线图 通过回归分析 得花岗斑岩孔隙度和吸水 率函数关系 书书书 表 4 图 4风化花岗斑岩孔隙度 吸水率关系曲线图 Fig 4The relation curve of porosity and water absorption of altered granite porphyry 206Journal of Engineering Geology工程地质学报2012 图 5微蚀变 微风化花岗斑岩孔隙度 吸水率关系曲线图 Fig 5The relation curve of porosity and water absorption of micro altered and micro weathered granite porphyry 在 书书书 图 4 中分别绘制出了弱风化和微风化花岗斑 岩孔隙度和吸水率的关系曲线 弱风化花岗斑岩吸 水率对孔隙度的敏感性较微风化花岗斑岩强 且伴 随着孔隙度的增加 二者吸水率之间的差值也越来 越大 即弱风化对花岗斑岩吸水性的影响较微风化 对花岗斑岩吸水性的影响大 从 书书书 表 3 中也可看出 弱蚀变与微蚀变花岗斑岩 弱风化与弱蚀变花岗斑岩孔隙度和吸水率关系曲线 也具有同样的特征 且弱蚀变较微蚀变 弱风化对花 岗斑岩吸水性的影响都强 而在 书书书 图 5 中 则随着孔隙度的增加 微风化与微 蚀变花岗斑岩孔隙度和吸水率关系曲线呈现出一些 与其他关系曲线不同的现象 即随着孔隙度的增加 微风化花岗斑岩与微蚀变花岗斑岩吸水率的差值越 来越小 如孔隙度从 10 增加至 40 时 二者吸水 率差值则从 0 22 降至 0 02 即当花岗斑岩孔隙 度约大于 40 时 微风化和微蚀变对花岗斑岩吸水 率的影响相当 总体上微风对化花岗岩吸水性的影 响强于微蚀变 因此 风化和蚀变不但降低了花岗斑岩的物理 特性 而且还随着风化和蚀变程度的加深 其物理特 性也呈相应的函数关系降低 弱风化较弱蚀变对花 岗斑岩物理特性的影响弱 而微风化对花岗斑岩物 理特性的影响则较微蚀变强 4 2力学特性分析 4 2 1岩块点荷载试验成果分析 从不同风化程度和不同蚀变程度花岗斑岩的点 荷载试验结果 书书书 表 2 和单轴抗压强度损失率 书书书 表 3 中可以看出 1 新 鲜 花 岗 斑 岩 的 单 轴 抗 压 强 度 为 155 00MPa 风化和蚀变花岗斑岩的单轴抗压强度 均值分别为 120 97MPa 和 122 94MPa 2 弱风化 弱蚀变花岗斑岩单轴抗压强度损 失率分别为 39 16 和 53 45 微风化 微蚀变花 岗斑岩单轴抗压强度损失率均值分别为 13 35 和 4 30 3 随着风化和蚀变程度的增加 花岗斑岩的 单轴抗压强度呈相应的降低趋势 其中弱蚀变单轴 抗压损失率最大 为 53 45 较弱风化损失率大约 26 74 微风化则较微蚀变花岗斑岩单轴抗压强度 损失率大 67 81 即弱风化花岗斑岩单轴抗压强 度高于弱蚀变花岗斑岩单轴抗压强度 而微蚀变岩 块的单轴抗压强度则大于微风化岩块的单轴抗压强 度 但就综合而言 风化和蚀变花岗斑岩单轴抗压强 度差值小于2MPa 风化和蚀变对花岗斑岩力学特性 的影响是同等的 图 6风化缓倾结构面正应力 剪应力关系曲线图 Fig 6The relation curve of normal stress and shear stress of weathered gently dipping structural surface 4 2 2结构面携剪试验成果分析 本次研究共进行了 4 组携剪试验 其中弱风化 和微风化结构面携剪试验试件分别为 6 个和 5 个 弱蚀变和微蚀变结构面携剪试验试件分别为 4 个和 6 个 根据试验结果绘制花岗斑岩结构面携剪试验 正应力与剪应力的最佳关系曲线 书书书 图 6 经回归分 析知花岗斑岩结构面正应力与剪应力的函数关系 30620 4 魏伟等 风化 蚀变对花岗斑岩物理力学特性影响分析 书书书 表 5 依据 书书书 表 5 计算出风化 蚀变花岗斑岩内聚力 值和内摩擦角结果 书书书 表 6 从 书书书 图 6 和 书书书 表 5 书书书 表 6 中可以看出 1 风化 蚀变花岗斑岩结构面正应力与剪应 力关系曲线呈线性相关 相关系数 R 均大于 0 90 2 不管是风化花岗斑岩结构面还是蚀变花岗 斑岩结构面 其陡倾结构面抗剪强度都略小于缓倾 结构面 造成这一现象可能与洞室轴线方向与结构 面走向呈斜交有关 3 蚀变结构面内聚力值较风化结构面内聚力 值高 而内摩擦角则较之低 分析知 由于花岗斑岩 蚀变为沿结构面蚀变 且结构面在原位状态下 具有 一定的黏结力 结构面剪断后表面较平整 故蚀变花 岗斑岩结构面内聚力值高 内摩擦角低 而风化花 岗斑岩结构面黏结力很差 结构面剪断后表面却较 粗糙 故风化花岗斑岩结构面内聚力值低 内摩擦 角高 4 花岗斑岩结构面的内骤力受风化作用变化 较大 而内摩擦角则受蚀变作用影响较大 4 3风化 蚀变花岗斑岩物理力学特性综合分析 根据风化 蚀变花岗斑岩物理试验和力学试验 成果 绘制花岗斑岩孔隙度和抗压强度的最佳关系 曲线图 书书书 图 7 书书书 图 8 其函数关系式如 书书书 表 7 图 7 书书书 图 8 分别为弱风化 微风化花岗斑岩和微 图 7风化花岗斑岩孔隙度 抗压强度关系曲线图 Fig 7The relation curve of porosity and compres sivestrength of weathered granite porphyry 图 8微风化 微蚀变花岗斑岩孔隙度 抗压强度关系曲线图 Fig 8The relation curve of porosity and compressive strength of micro altered and micro weathered granite porphyry 风化 微蚀变花岗斑岩孔隙度和抗压强度的最佳关 系曲线图 从图中可以看出 1 风化花岗斑岩孔隙度与抗压强度关系曲线 呈乘 幂 函 数 的 关 系 书书书 表 7 其 相 关 系 数 均 大 于 0 83 2 随着孔隙度的增加 其抗压强度也呈相应 的降低趋势 3 在相同孔隙度下 孔隙度对微风化花岗斑 岩力学特性的影响较弱风化对花岗斑岩力学特性的 406Journal of Engineering Geology工程地质学报2012 影响小 较微蚀变对花岗斑岩特性的影响大 对比 书书书 图 3 书书书 图 4 知 孔隙度的增加 增强了花岗 斑岩的吸水性 降低了花岗斑岩的抗压强度 且都呈 现出一一的对应关系 书书书 表 7 显示 1 风化花岗斑岩和蚀变花岗斑岩孔隙度与抗 压强度均呈乘幂函数关系 相关系数均达到 0 83 以 上 且随着孔隙度的增加 抗压强度呈乘幂函数关系 降低 2 随着风化程度和蚀变程度的加深 花岗斑 岩抗压强度越来越低 3 弱风化花岗斑岩单轴抗压强度高于弱蚀变 花岗斑岩单轴抗压强度 微蚀变岩块的单轴抗压强 度则大于微风化岩块的单轴抗压强度 对比 书书书 表 4 分析可知 孔隙度的大小和吸水性的 强弱 与单轴抗压强度的高低都存在在一一的对应 关系 即孔隙度大 吸水性强 单轴抗压强度低 反之 单轴抗压强度则高 弱风化对花岗斑岩物理力学特 性的影响较弱蚀变弱 微风化则较微蚀变对花岗斑 岩物理力学特性的影响强 5结论 1 风化 蚀变花岗斑岩孔隙度与干密度 吸水 率 抗压强度都有较好的关系函数式 相关系数均大 于 0 8 且随着孔隙度的增加 其干密度和坑压强度 是均呈乘幂函数降低 吸水率则呈二项式函数关系 增加 4 沿结构面的风化 蚀变 不同程度的削弱了 花岗斑岩结构面的抗剪强度 3 风化和蚀变都削弱了花岗斑岩的物理力学 特性 且随着风化 蚀变程度的加深 花岗斑岩的物 理力学特性也呈相应的函数关系降低 4 弱风化对花岗斑岩物理力学特性的影响弱 于弱蚀变 微风化对花岗斑岩物理力学特性的影响 则强于微蚀变 5 由于孔隙度和吸水率与孔隙度和抗压强度 函数关系相关性较好 且吸水率和抗压强度存在着 一一的对应关系 故也可以考虑以吸水率和抗压强 度的关系来分析风化 蚀变对岩体物理力学特性的 影响 参考文献 1 胡受奚 叶瑛 方长泉 交代蚀变岩岩石学及其找矿意义 M 北京 地质出版社 2004 Hu Shouxi Ye Ying Fang Changquan The Significance of Petrology of Metasomatic Alteration and Prospecting Beijing Geo logical Publishing Press 2004 2 邵宗平 二滩水电站坝址区纤闪石化玄武岩软弱岩带的工程 地质究研 J 水电站设计 1986 l 28 32 Shao Zongping Engineering geological research on the uralitized basalt weak rock band in the dam site of Ertan hydroelectric plant Design of Hydroelectric Power Station 1986 l 28 32 3 刘克远 邵宗平 二滩水电站岩体力学特性研究 J 水电站 设计 1989 1 1 4 Liu Keyuan Shao Zongping Study on mechanical properties of rock mass of Ertan hydroelectric plant Design of Hydroelectric Power Station 1989 1 1 4 4 石豫川 张倬元 二滩水电站右坝肩纤闪石化玄武岩软弱岩带 流变特性的研究 J 成都地质学院学报 1991 增 2 72 81 Shi Yuchuan Zhang Zhuoyuan A study on the rheological charac teristics of the uralitized basalt weak rock band in the right abut ment of Ertan arch dam Journal of Chengdu University of Geology 1991 S2 72 81 5 张辅纲 涂希贤 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