祁門縣地質災害及其相似試件力學試驗分析

孟繁漪，施國棟，王軼康,2，林加劍，萬東林

（1.安徽建筑大學土木工程學院，合肥 230601；2.河海大學地球科學與工程學院，南京 211106；3.安徽大學電氣工程與自動化學院，合肥 230601）

引言

皖南山區和皖西山區是安徽省地質災害兩大集中區，其中皖南山區地質災害點占全省地質災害點的60.07%，是滑坡、崩塌、泥石流的主要防治區[1]。祁門縣所在的黃山市是安徽省地質災害的重災區，發生數占全省總數的31.34%。這一帶地質災害點主要分布在淺變質巖區域，千枚巖為該區淺變質巖的主要巖石類型，它以特殊的千枚狀片理發育為主要特征，對邊坡的穩定性及地質災害的發生起到了控制作用。楊朝發[2]總結出貴州災害點多發育在淺變質巖中。郭金龍等[3]提出巖體片理角度對隧道穩定性有較大影響。朱振華[4]發現了片理和邊坡的傾向與傾角決定邊坡破壞部位進而影響邊坡的穩定性。本文以皖南山區黃山市祁門縣的千枚巖為研究對象，分析千枚巖的斷裂和片理及其相似試件的力學性能，可以為皖南地質災害防治提供參考。

1 安徽省及皖南山區地質災害分布

安徽省是我國地質災害多發省份之一，災害的主要類型有：崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地面沉降。它們的發育受地層巖性、地形地貌和地質構造等控制。據統計，安徽省現有地質災害隱患點共計6318個。根據地貌區劃分，皖南山區地質災害隱患點3795 個，占全省總數的60.07%；皖西山區1477個，占23.38%；沿江平原區831 個，占13.15%；江淮丘陵區197 個，占3.21%；淮北平原區18 個，占0.28%。截止到2019 年底，安徽省地質災害總數為2939 次。較為常見的地質災害為滑坡、崩塌以及泥石流等。其中滑坡出現次數為1470次、崩塌次數為1309 次，泥石流等其他地質災害發生160次[5]。圖1所示為2010—2019 年安徽省地質災害統計情況。從圖1 中可見，近十年來皖南黃山市發生地質災害的數量為全省第一。

圖1 2010—2019年安徽省各市地質災害統計圖

2 黃山市祁門縣地質災害發育特征

祁門縣地處安徽省最南部，縣境內多為淺變質巖。故以皖南山區祁門縣為例，針對性研究祁門縣巖性特征與地質災害的發育關系，并提出合理有效的防治治理措施，使皖南山區的經濟建設更加順利，更加和諧。祁門縣有178處地質災害點，災害種類有崩塌、滑坡、泥石流3種。

通過統計可知，崩塌災害主要分布于薊縣系—長城系木坑組（Pt2m）千枚巖、牛屋組（Pt2n）千枚巖和含砂千枚巖地層中，如圖2 所示。易于產生崩塌的地層多屬塑性地層，它們的抗剪強度較低，容易發生變形破壞，因此在內、外力的共同作用下易破碎從而發生崩塌。這也是區內薊縣系—長城系木坑組（Pt2m）千枚巖、牛屋組（Pt2n）千枚巖、含砂千枚巖地層中崩塌發生比率高的原因；其他地層巖性強度較好、抗剪強度高，崩塌發生的比率較低。

圖2 崩塌發育與地層關系統計圖

滑坡災害主要分布于薊縣系—長城系木坑組（Pt2m）千枚巖、牛屋組（Pt2n）千枚巖、含砂千枚巖及第四系全新統殘坡積的粘土碎石層中，如圖3所示。這從很大程度上說明易風化的巖土強度低、透水性弱，因而易沿松散層的層面及強風化層的層面產生滑動，從而誘發滑坡災害。

圖3 滑坡發育與地層關系統計圖

祁門縣區域的泥石流主要分布于北西部的渚口鄉，已發生的兩處泥石流災害點均發生于同一條主谷的兩條支溝內，這也從一定程度上說明該主谷是區內泥石流災害易發的區段。泥石流發生區域為薊縣系—長城系牛屋組（Pt2n）含砂千枚巖、變質含砂粉砂巖，該地區淺部風化強烈，巖石破碎嚴重，從而導致山體滑坡。

綜上所述，祁門縣地區現有地質災害發生點多數都位于薊縣系—長城系木坑組（Pt2m）及牛屋組（Pt2n），占總地質災害的65.73%。木坑組（Pt2m）巖性為灰綠色中厚層千枚巖、含砂粉砂巖夾粉砂質千枚巖和千枚巖。牛屋組（Pt2n）可分為3 個巖性段。下段為灰黑色輕變質含砂粉砂巖、巖屑長石石英砂巖與粉砂質板巖和砂質千枚巖韻律互層。中段為灰及灰綠色千枚狀含砂粉砂巖夾同色含砂千枚巖和含砂粉砂質千枚巖。上段為深灰、灰黑色含砂粉砂質千枚巖、千枚巖與同色千枚狀含砂粉砂巖韻律互層。除第四系松散砂礫土與地質災害關系密切之外，以千枚巖為代表的淺變質巖的特殊巖性與地質災害頻發之間有著一定的聯系。

3 千枚巖特征與地質災害

3.1 千枚巖微觀斷口分析

千枚巖手標本為銀灰色，鱗片變晶結構，千枚狀構造，巖石片理發育較強，片理面上有微弱絲絹光澤，巖石風化程度較高，如圖4所示。其顯微特征為：絹云母千枚巖的細鱗片狀絹云集合體定向均勻分布，顆粒間一些綠泥石和細粒石英無序地相互穿插。硅質板狀千枚巖石英細粒呈不規則粒狀，無序穿插于絹云母片粒間，破裂形式為沿晶斷裂與切晶擦花，與文獻[6]研究結果一致。

圖4 千枚巖手標本及顯微圖

通過對圖4中千枚巖斷裂的手標本和微觀結構對比分析可知，不同礦物的微觀形態各不相同：石英為細粒狀，綠泥石為片狀，絹云母為鱗片狀。千枚巖斷裂機理主要以剪切破裂為主，以拉斷破裂為輔。當千枚巖的絹云母和綠泥石含量較高時，巖石結構為鱗片變晶結構，片理較發育，極易發生剪切破裂。當千枚巖石英含量較高時，巖石多形成脆性斷裂，受到外力時容易變形產生破裂。千枚巖的礦物含量對巖石的強度和斷裂破壞形式有較大的影響，比如，石英含量高的巖石強度較高，斷裂形式多為脆性斷裂，易發生崩塌地質災害；絹云母含量高的巖石強度相對較低，多產生剪切斷裂，易發生滑坡地質災害。

3.2 千枚巖宏觀破碎形式

通過觀察千枚巖常規三軸試驗破碎后的斷裂情況，發現千枚巖石英含量較高時強度也較高，其斷裂面比較粗糙；千枚巖絹云母含量較高時強度較低，其斷裂面較光滑，斷裂面可以看到明顯的絲絹光澤，千枚巖的破裂面同最大主應力的平均夾角與片理面同最大主應力的平均夾角基本上是相同的，說明千枚巖剪切破裂追蹤片理面而發育?？梢妿r石的礦物組成對巖石的力學強度和斷裂方式有一定的影響。

當圍壓為0 MPa 時，千枚巖產生的斷裂面并不是從上到下貫穿整個試件的，而是形成很多與最大主應力平行的脆性拉張破裂面，試件周圍會發生剝落現象。當圍壓很低（2～6 MPa）時，千枚巖斷裂面沿著巖石的片理面或者巖石內部的裂隙發展，并且貫穿整個試件，斷裂面整體呈現階梯狀。當圍壓很高（8 MPa）時，千枚巖斷裂面基本上沿著巖石的片理面發展，斷裂面整體呈一條直線。

4 千枚巖的相似混凝土力學分析

祁門縣地質災害多發生在牛屋組（Pt2n）和木坑組（Pt2m）。該地區是以千枚巖為代表的淺變質巖，它巖性差、強度低且千枚理、裂隙發育嚴重。因此制作出3種千枚巖的相似材料進行進一步的力學試驗研究，分別為：普通水泥混凝土、加入絹云母分層的水泥混凝土和加入玄武巖纖維的水泥混凝土。普通水泥混凝土，用來模擬無片理的巖石；加入絹云母分層的水泥混凝土，用來模擬含片理的千枚巖，與普通水泥混凝土試件進行強度對比，分析兩種試件的力學性質和破壞形式，證明加入絹云母可以模擬千枚巖的片理構造；加入玄武巖纖維的水泥混凝土用來模擬改良的千枚巖。有學者開展過玄武巖增強技術的研究，如Lopresto等[7]提出玄武巖纖維可以代替玻璃纖維來增強塑料的力學性能；Stupishin等[8]發現相比于玄武巖粗紗復合鋼筋，玄武巖纖維復合鋼筋的抗拉強度有所提高。本試驗創新性地使用玄武巖纖維改變巖土體的力學性質，達到增強千枚巖的力學性能的目的，從而從根本上降低千枚巖地區地質災害發生的頻率。

4.1 試驗設計與流程

試驗主要研究千枚巖片理構造，根據相似材料要求[9]，并參考學者們[10-13]對千枚巖相似材料的研究和模型制作經驗，選用水泥混凝土作為相似材料，制作過程中加入絹云母模擬片理面。為使得實驗效果明顯，在選擇玄武巖纖維尺寸時參考高真等[14]的研究經驗，選擇玄武巖纖維長度為6 mm。

在選擇制備相似材料的骨料時，考慮到玄武巖纖維長度在6 mm 左右，如果按照普通水泥混凝土的配比選擇較大粒徑的粗骨料[14]（5～25 mm）會導致實驗效果不明顯，因此選擇粒徑大小和玄武巖纖維長度差不多的粗骨料（4～10 mm）進行相似材料的制作。

4.1.1 實驗材料

P·O42.5 水泥，砂（粒徑0.15～2.5 mm），碎石料，325目絹云母粉，Ⅱ級粉煤灰（45 μm 細度），6 mm 束狀單絲壓制條狀玄武巖纖維，減水劑。

4.1.2 試樣制備

用篩子篩選出合適尺寸的砂和碎石料，再用烘干機烘干。碎石料、砂、水泥等材料按照設計的質量稱量好備用，再將其與自來水、粉煤灰等材料倒在木板上攪拌均勻。按照設計方案將攪拌好的材料有序放入模具中，最后放在振動機上震動密實排空氣泡，避免試件強度過低影響實驗結果。模具靜置一天后使用空氣壓縮機進行拆模，拆模后將試件放入保養室內，保持相對濕度95%以上進行養護，如圖5所示。

圖5 試件制備過程

試件1 為普通水泥混凝土，用來模擬普通無片理的巖石，各組分見表1；試件2 為加入絹云母水平分層的普通水泥混凝土，用來模擬含片理的千枚巖；試件3 為加入玄武巖纖維和絹云母水平分層的普通水泥混凝土，用來模擬改良千枚巖；試件4-1、試件4-2 和試件4-3 分別為加入絹云母傾斜30°、45°和60°分層的普通水泥混凝土，用來模擬不同傾角片理發育下的千枚巖，如圖6所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

圖6 試件設計示意圖

本試驗配合比參照文獻[15]并結合實驗室現有材料和實際制作情況進行修正得出；另外，參照潘慧敏[16]的研究結果，將玄武巖纖維摻量控制在3.5 kg/m3范圍內。試件1、試件2、試件3選用粒徑為4～10 mm 的碎石料制作，試件4-1、試件4-2 和試件4-3 選用粒徑為5～25 mm 的碎石料制作。所有試件的容重均約為21 kN/m3。

4.1.3 試驗目的及試驗儀器

使用600 KN電液伺服萬能試驗機，將保養好的試件進行抗壓強度試驗，試件加壓過程中觀察每個試件的破裂情況。

本次實驗采用無側限單軸抗壓方法對試件進行力學破壞實驗，采用位移加壓模式（速率為0.5 mm/min）進行加載?？箟簭姸扔嬎愎饺缦拢?/p>

其中，σ 表示試件的抗壓強度，Pmax表示試件發生破壞時的最大荷載值，A表示試件的橫截面面積。

4.2 試驗結果及分析

整理試驗數據后得出各試件的抗壓強度，見表2。

表2 各試件抗壓強度 MPa

當外應力達到試件最大抗壓強度時，未加入玄武巖纖維的試件1 和試件2 會立即破碎，隨后應力會隨著應變的增加而迅速下降，而加入玄武巖纖維的試件3 不會立即破碎，隨著應變的增加應力會維持在最大應力附近。相比于試件1 和試件2，試件3破壞后，隨著應變的增加，應力的下降速度有所減慢。這說明玄武巖纖維可以增強試件的韌性，使得試件由脆性破壞轉變為塑性破壞。

加載初期，未加玄武巖纖維的試件1 和試件2應力增加較慢甚至不增加，有一段很明顯的試件壓密過程；加入玄武巖纖維的試件3 應力提升速度很快，沒有很明顯的壓密過程，如圖7所示。這說明玄武巖纖維可以改善試件的密實性，避免在試件制作過程中其內部產生氣泡，增加了混凝土的粘結性，提高了抗滲性，從而提高了試件3的抗壓強度。

圖7 應力-應變曲線（試件1—試件3）

對比試件1—試件3的最大抗壓強度發現，試件1的最大抗壓強度最高，達到了26.21 MPa；試件2 的抗壓強度最小，只有13.31 MPa。這說明片理的存在使巖石強度下降了將近50%。試件3 的抗壓強度為15.85 MPa，與試件2 相比抗壓強度提高了19.1%。這說明玄武巖纖維對千枚巖身的力學性質有一定的加強作用。

觀察試件的破壞情況，發現試件1 的表面破碎嚴重，但是內部卻并未發生斷裂且保存完整；試件2的內部破碎嚴重，破碎面是沿著絹云母粉模擬的片理構造發生破壞，較符合千枚巖宏觀破碎形式；試件3 的破壞情況介于前兩組之間，破壞方式由內而外和由外而內并存，如圖8 所示。這說明玄武巖纖維可以改善千枚巖本身的力學性質，使得千枚巖的破壞方式發生改變，應力不都集中于巖石的脆弱面，對千枚巖有一定的改善效果。

圖8 試件受壓后的破壞形態

對比試件4-1—試件4-3 力學性能可見，試件4-2 的抗壓強度最低，只有13.63 MPa；試件4-1的抗壓強度最高，達到了18.72 MPa；試件4-3抗壓強度為16.05 MPa，如圖9 所示。由此判斷出千枚巖片理面與最大主應力之間的夾角對千枚巖的強度有一定的影響，當夾角度數從60°減小到45°時千枚巖抗壓強度會逐漸降低。但當夾角減小到30°時千枚巖抗壓強度會增加?？梢娖韮A角為45°左右時，千枚巖的抗壓強度最小，最容易發生地質災害。

圖9 應力-應變曲線（試件4-1—試件4-3）

試件4-1—試件4-3 的裂縫及其示意圖分別如圖10、11所示。由圖10、11可見，試件4-1在加壓過程中產生了6 條裂縫，其中兩條平行于水平面，3 條與水平面大致垂直，1 條與水平面大角度相交。當試件4-1 完全破碎時，試件破裂面與水平面夾角約為30°。試件4-2 在加壓過程中產生了7 條裂縫，有短裂縫4條，長裂縫3條。短裂縫中3條大致垂直于水平面，1 條與水平面夾角約為45°；長裂縫中，1 條平行于水平面，兩條與水平面大角度相交。當試件4-2 完全破碎時，試件破裂面與水平面夾角約為45°。試件4-3 在加壓過程中產生了6 條裂縫，有短裂縫3 條，長裂縫3 條。3 條短裂縫大多垂直于水平面；長裂縫中，1條與水平面垂直，1條與水平面夾角約45°，1 條與水平面夾角約15°。當試件4-3 完全破碎時，試件破裂面與水平面夾角約為60°。3 個試件最終破壞面都是沿著絹云母模擬的片理構造面發生剪切破壞。由此可見，千枚巖的層理構造對其力學性能和破壞形式有極大的影響，層理面的傾角為45°時，千枚巖的力學性能最差，破壞最嚴重，此地質構造的地區最容易發生地質災害。

圖10 試件裂縫圖

圖11 裂縫示意圖

5 結論

1）皖南山區地質災害分布與地層巖性關系密切，地質災害多發育于以千枚巖為主的淺變質巖地區，千枚巖的礦物含量對巖石的強度和斷裂破壞形式有較大的影響。石英含量高的巖石強度較高，斷裂形式多為脆性斷裂，易發生崩塌地質災害；絹云母含量高的巖石強度相對較低，多產生剪切斷裂，易發生滑坡地質災害。

2）千枚巖片理面與巖石受力方向的夾角不同，巖石的抗壓強度也不同。當夾角為45°時強度最低，當夾角為60°或者30°時巖石強度較夾角為45°時增加。因此在災害防治和治理過程中要多注意以千枚巖為主的淺變質地區巖石片理面的傾角，片理面傾角45°的地區易發生地質災害。

3）在玄武巖纖維相似試件實驗中，加入玄武巖纖維的層理相似試件比不加入玄武巖纖維的層理相似試件的抗壓強度提高了19.1%，可運用到皖南地區地質災害的防治中，如在淺變質巖地區進行工程活動時，可就地取材并加入玄武巖纖維增加其強度，實現建筑領域的“綠色”、“被動”防治。