晶體粒徑對花崗巖力學特性影響規律的試驗研究

楊 闖

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

我國西南地區規劃建設的部分鐵路面臨著地質條件復雜、施工難度高等大量挑戰。為在如此復雜的地質環境條件下修建鐵路,充分認識鐵路沿線地質體的力學特征是分析復雜地質環境的基礎,也是該地區破解鐵路建設難題的一個重要突破口[1]。

怒江西藏擁巴段地表淺層主要分布的巖石有:①火成巖、片麻巖類硬質巖;②第三系、第四系軟質巖;③可溶巖類硬質巖。各類巖石的分布占比情況見圖1。從圖1中可以看出,火成巖、片麻巖類硬質巖占比約為53%,花崗巖是火成巖中最為常見的一種硬質巖,廣泛分布于規劃建設中的各個邊坡和隧道區域。地質調查揭示,怒江擁巴段地表淺層花崗巖的晶體粒徑變化較為復雜,因此,有必要針對不同粒徑花崗巖的力學特性開展研究,方可準確評價該地區以花崗巖為主的地質環境,為西南地區鐵路建設提供有益參考。

圖1 怒江擁巴段巖性統計

上述研究表明,不同晶體粒徑的花崗巖在力學特性上具有顯著差異,總體表現為花崗巖的粒徑越大,抗剪強度越低[5-9]。然而,由于花崗巖的采集地點不同,有的研究人員認為花崗巖的強度隨晶體粒徑的增加而線性降低[6,8],有的則認為是非線性降低[7,9],見圖2。由于不同地區的花崗巖力學特性差異較大,為準確掌握怒江擁巴段花崗巖的力學特性,服務于西南區域鐵路建設,需要針對該路線段不同粒徑的花崗巖開展大量的巖石力學試驗研究。

圖2 花崗巖抗壓強度與粒徑相關性統計

以怒江擁巴段淺層弱風化花崗巖為研究對象,將花崗巖按晶體尺寸分為粗粒、中粗粒、中細粒和細粒共4種類型,并基于此開展不同圍壓下三軸壓縮試驗,分析花崗巖的應力-應變響應特征、峰值抗壓強度、最大軸向應變、黏聚力、內摩擦角、變形模量和泊松比等力學特性隨晶體粒徑的變化規律,并基于花崗巖晶體的微觀結構圖像討論晶體粒徑對花崗巖宏觀力學特性的影響機制。

2 取樣地點及試樣特征

試驗采用的花崗巖均取自怒江擁巴段某峽谷邊坡附近,該地位于西藏自治區昌都市境內,取樣深度為邊坡自然坡面豎直向下10～30 m深度范圍內,取樣點的位置見圖3。

圖3 花崗巖取樣地點示意

花崗巖試樣風化程度為弱風化,整體呈灰白色,粒狀～片狀變晶結構,晶體粒徑分布呈現較為顯著的不等粒特征,粒徑主要分布范圍為0.2～12 mm。張帆[10]根據晶體顆粒直徑將花崗巖分為粗粒(>5 mm)、中粒(1～5 mm)、細粒(<1 mm)、微粒(<0.1 mm)等結構。對照此粒徑劃分方法,將試驗采用的花崗巖按粒徑大小分為4組,分別為粗粒(5～12 mm)、中粗粒(3～8 mm)、中細粒(0.5～3 mm)和細粒(0.2～1 mm),不同晶體粒徑的花崗巖表面特征見圖4。

圖4 不同晶體粒徑的花崗巖表面特征

采用鐵四院武漢檢測技術有限公司的偏光顯微鏡ECLIPSE LV100POL檢測不同粒徑的花崗巖礦物成分,檢測結果見表1。從表1中可知,不同粒徑的花崗巖礦物成分及占比大體相等,即石英占比為25%～30%,斜長石占比為40%～45%,鉀長石占比為15%～20%,云母占比為5%～10%。由此說明,本文采用的花崗巖保證了礦物成分及占比等無關變量大致相同,試驗的控制變量為試樣的晶體粒徑。

表1 不同粒徑花崗巖礦物成分占比 %

3 不同粒徑花崗巖三軸壓縮試驗

3.1 試驗條件及分組

采用常規三軸壓縮試驗研究不同應力狀態下試樣的強度和變形特征。三軸壓縮試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所MTS815型巖石力學試驗機上開展,試樣形狀為圓柱狀,尺寸為:直徑(50±0.2) mm,高度(100±0.5) mm。實驗采用的圍壓有5,10,20,40 MPa共4個等級。為減小巖石試樣力學特性的隨機性對試驗結果的影響,對不同粒徑的試樣在同一圍壓下開展3～4次重復試驗,試驗分組及重復試驗次數見表2。

表2 花崗巖三軸壓縮試驗分組

3.2 應力-應變響應特征

圖5～圖8分別給出了粗粒、中粗粒、中細粒和細?；◢弾r試樣在不同圍壓下的應力-應變曲線,由圖可知:(1)在軸向壓力逐漸增大的過程中,不同圍壓下不同粒徑的花崗巖試樣應力-應變曲線均經歷初始壓密階段、近似線性上升階段、屈服階段和脆性跌落階段;(2)不同粒徑的花崗巖試樣在不同圍壓下均表現出明顯的脆性破壞,即試樣的軸向壓力達到峰值強度后突然跌落,峰后未表現出明顯的塑性流動特征。

圖5 不同圍壓下粗粒組花崗巖應力-應變曲線

圖6 不同圍壓下中粗粒組花崗巖應力-應變曲線

圖7 不同圍壓下中細粒組花崗巖應力-應變曲線

從圖5～圖8中提取同一粒徑的幾個花崗巖試樣在相同圍壓下的峰值抗壓強度均值,分析花崗巖峰值抗壓強度均值隨粒徑的變化規律,見圖9。由圖9可知:在同一圍壓下,花崗巖試樣的峰值抗壓強度隨著晶體粒徑的減小而逐漸增大;例如,在低圍壓(σ3=5 MPa)下,細?；◢弾r試樣的峰值抗壓強度(254 MPa)約為粗?；◢弾r試樣峰值抗壓強度(115 MPa)的2.2倍;即使在高圍壓(σ3=40 MPa)下,細?；◢弾r試樣的峰值抗壓強度約是粗?；◢弾r試樣的1.5倍。

圖9 不同圍壓下花崗巖抗壓強度隨粒徑的變化規律

圖10給出了不同圍壓下花崗巖試樣峰值抗壓強度均值對應的軸向應變量隨粒徑的變化規律。最大軸向應變反映了巖石試樣在特定圍壓下的極限壓縮變形能力,廣泛應用于巖石多參量破壞準則(例如,引入了應變、能量等參量的破壞準則)中[11-13]。由圖10可知:在同一圍壓下,花崗巖試樣最大軸向應變隨著晶體粒徑的減小而逐漸增大;例如,在低圍壓(σ3=5 MPa)下,細?；◢弾r試樣的最大軸向應變(0.012 6)約為粗?；◢弾r試樣的最大軸向應變(0.008 1)的1.6倍;而在高圍壓(σ3=40 MPa)下,細?；◢弾r試樣的最大軸向應變約為粗?；◢弾r試樣的2.1倍。

圖10 不同圍壓下花崗巖最大軸向應變隨粒徑的變化規律

3.3 抗剪強度參數分析

采用Mohr-Coulomb強度包絡線分析不同粒徑花崗巖的抗剪強度參數,得到不同粒徑的花崗巖黏聚力和內摩擦角,分析過程見圖11。

圖11 不同粒徑花崗巖的Mohr-Coulomb強度包絡線

圖12給出了花崗巖黏聚力和內摩擦角隨粒徑的變化情況。由圖12可知:黏聚力和內摩擦角均隨粒徑的減小而逐漸增大;花崗巖粒徑從粗粒(5～12 mm)、中粗粒(3～8 mm)、中細粒(0.5～3 mm)到細粒(0.2～1 mm)變化的過程中,黏聚力從13 MPa分別增加至21,27 MPa和32 MPa,內摩擦角從45.2°分別增加至47.1°、48.5°和52.5°。

圖12 花崗巖抗剪強度參數隨粒徑的變化規律

3.4 變形參數分析

采用變形模量和泊松比作為花崗巖試樣變形特征的表征參數。提取花崗巖試樣軸向應變-軸向應力曲線中近似線性變化段的斜率作為變形模量,分析花崗巖試樣變形模量隨晶體粒徑的變化規律,見圖13。

圖13 花崗巖變形模量隨粒徑的變化規律

由圖13可知:(1)相同圍壓下,變形模量整體上隨著晶體粒徑的減小而增大;花崗巖晶體粒徑從粗粒到細粒變化的過程中,在5 MPa圍壓下變形模量從13.6 GPa增加至33.8 GPa,增幅為1.5倍,在40 MPa圍壓下變形模量從27.3 GPa增加至46.7 GPa,增幅為0.7倍;(2)相同圍壓下,中細粒和細?；◢弾r的變形模量相差不大,而粗粒、中粗?；◢弾r的變形模量相差較大;(3)不同粒徑的花崗巖變形模量整體上隨著圍壓的增大而逐漸增大。

提取花崗巖應力-應變曲線中線性上升段的徑向應變增量和軸向應變增量,通過計算其比值得到花崗巖的泊松比,用于分析花崗巖泊松比隨晶體粒徑的變化規律,見圖14,圖中泊松比的誤差為徑向應變增量和軸向應變增量的不同取值位置所致。由圖14可知:花崗巖的泊松比隨晶體粒徑的減小而降低;花崗巖晶體粒徑從粗粒、中粗粒、中細粒到細粒變化的過程中,花崗巖的泊松比從0.29分別降至0.25、0.23和0.22。

圖14 花崗巖泊松比隨粒徑的變化規律

3.5 破裂面形態特征

一般來說,巖石試樣的破壞特征受自身物理特性(如膠結程度、內部微裂隙)的控制,此外,也受圍壓、加載速率等外部因素的影響[2,5,8,14]。通過對比本文開展的59個巖石試樣破壞后的形態,發現花崗巖在三軸壓縮下的破裂面形態與晶體粒徑之間存在一定的相關性。

圖15給出了同一圍壓(20 MPa)下不同粒徑花崗巖試樣三軸壓縮后的典型破壞情況,由此可以看出:(1)不同晶體粒徑花崗巖試樣的主要破裂面與大主應力方向(軸向)均存在一定的夾角,說明花崗巖試樣整體上以剪切破壞為主;中細粒和細?；◢弾r試樣的局部破裂面與大主應力平行,說明中細粒和細?；◢弾r試樣局部發生壓致拉裂破壞;(2)隨著花崗巖晶體粒徑減小,試樣破壞時破裂面的數量增多,破裂面的形態也變得更加復雜;粗粒和中粗?；◢弾r破裂面主要為1～2條貫穿的剪切破裂面,而中細粒和細?；◢弾r破裂面則以多條剪切破裂面為主,同時在局部出現1～2條分布不規則的拉伸破裂面。

圖15 不同粒徑花崗巖試樣的典型破壞特征(σ3=20 MPa)

破裂面斷口形貌是判斷巖石內部微裂紋擴展的一個重要依據,通常認為巖石的破壞過程是內部微裂紋萌生、擴展和貫通的過程,該過程伴隨著微裂紋以不同擴展類型(拉張/剪切/拉-剪)在晶體內部或晶體之間發生的開裂損傷和演化,可分為“穿晶”“沿晶”和二者耦合等3種類型[15-16]。例如,周輝等[17]基于花崗巖破裂面斷口的掃描電鏡圖像探討了花崗巖脆性破壞的發生機制?；谇叭藢ζ屏衙鏀嗫诘姆治龇椒?對比分析圖15中不同粒徑的花崗巖破裂面斷口形貌可知:(1)粗?；◢弾r破裂面較為粗糙、干凈,在破裂面上可見明顯的晶體顆粒凸起,表明粗?；◢弾r的宏觀破裂面主要沿晶體之間的微裂紋發展,即以“沿晶”破壞為主;(2)相比之下,細?；◢弾r的破裂面較為光滑,部分破裂面上附著一層晶體粉末,破裂面晶體凸起相對不顯著,表明細?；◢弾r晶體之間的微裂紋對宏觀破裂面發展的影響相對較弱。

4 晶體粒徑對力學特性的影響機制討論

巖石的應力-應變曲線、強度、剛度及破裂面形態等力學特征均受其自身晶體顆粒的類型、強度、大小、排列及膠結程度的控制,因此可以通過巖石微觀結構解釋巖石的宏觀力學特性[18-19]。采用偏光顯微鏡拍攝不同粒徑花崗巖的3D微觀結構特征,見圖16。由圖16可知:不同粒徑花崗巖的微觀結構特征為:(1)不同粒徑的花崗巖均由石英(Qtz)、斜長石(Pl)、鉀長石(Kfs)和云母(Bt)等晶體組成,其中石英和鉀長石呈他形粒狀,斜長石呈半自形板柱狀,云母呈片狀;(2)粗粒和中粗?；◢弾r的晶體在偏光顯微鏡下反射的光線整體較為暗淡,且不同亮斑之間的界限較為模糊,表明晶體內部相對松散,晶體之間存在較多孔隙;(3)中細粒和細?；◢弾r的晶體在偏光顯微鏡下反射的光線較為明亮,不同亮斑之間的層次和界限較為清晰,表明晶體內部相對致密,晶體之間的接觸較為緊密。

圖16 不同粒徑花崗巖的微觀結構

將不同粒徑花崗巖的微觀結構特征與其宏觀應力-應變曲線、強度、剛度及破裂面等力學特征進行對比,可以得到晶體特征對花崗巖力學特性的影響機制:(1)粗?；◢弾r的晶體相對松散,晶體之間孔隙相對較大,晶體之間的膠結程度較低,整體來看巖石內部原生缺陷(微裂紋)較多,在三軸壓縮下巖石內部原生微裂紋容易發生擴展、“沿晶”破壞,使得宏觀上巖石試樣容易沿剪應力較大的方向發生貫通性剪切破壞,巖石力學特性總體表現為抗剪強度和剛度均相對較低;(2)細?；◢弾r的晶體相對致密,晶體之間孔隙相對較小,晶體之間的膠結程度較高,巖石內部原生微裂紋相對較少,抗剪強度相對粗?；◢弾r有較大提高,三軸壓縮下巖石試樣可能沿剪應力較大方向破壞(剪切破壞),也可能沿拉應力較大方向破壞(壓致拉裂破壞),巖石宏觀力學特性總體表現為抗剪強度和剛度均相對較高;(3)中粗粒和中細?；◢弾r的晶體致密程度和晶體之間的孔隙及膠結程度均介于粗粒和細?；◢弾r之間,因此其強度、剛度以及破裂面形態亦介于粗粒和細?；◢弾r之間。

需要說明的是,上述花崗巖晶體粒徑對其力學特性的影響機制分析主要為基于花崗巖3D微觀結構的一種定性討論,后續可以基于熒光技術[20]、離子薄層化技術[21]等試驗技術手段進一步開展不同粒徑花崗巖的微觀結構特征與力學特性的定量分析。

5 結論

以西南某鐵路沿線淺層弱風化花崗巖為研究對象,針對該區域花崗巖在晶體粒徑上的顯著差異,在圍壓5,10,20,40MPa下對不同粒徑的花崗巖開展了多組三軸壓縮試驗,分析花崗巖應力-應變響應特征、抗剪強度參數、變形參數及破壞特征隨晶體粒徑的變化規律。最后采用偏光顯微鏡分析了不同晶體粒徑的花崗巖微觀結構特征,討論了花崗巖晶體粒徑對其力學特性影響的微觀機制。主要結論如下。

(1)怒江擁巴段淺層弱風化花崗巖根據其粒徑可以分為粗粒(5～12 mm)、中粗粒(3～8 mm)、中細粒(0.5～3.0 mm)和細粒(0.2～1.0 mm)等4種粒徑;不同粒徑的花崗巖具有相似的礦物成分,包括石英(30%～35%)、斜長石(40%～45%),鉀長石(15%～20%)、云母(5%～10%)和鐵質(1%～2%)等。

(2)不同粒徑的花崗巖具有相似的應力-應變響應過程:初始壓密段→線性上升段→屈服上升段→脆性跌落段;花崗巖的峰值抗壓強度及其對應的軸向應變均隨粒徑的減小而逐漸增大,細?；◢弾r的峰值抗壓強度及其對應的軸向應變分別為粗?；◢弾r的1.5～2.2倍和1.6～2.1倍。

(3)花崗巖的抗剪強度和剛度均隨粒徑的減小而增大;花崗巖粒徑從粗粒逐漸減小到細粒的變化過程中,黏聚力從13 MPa增加至32 MPa,內摩擦角從45.2°增加至52.5°;變形模量從1.0(歸一化)增加至1.7～2.5,泊松比從0.29減小至0.22。

(4)不同粒徑花崗巖的微觀結構具有顯著的差異;隨著花崗巖粒徑減小,晶體顆粒的致密程度增加,晶體之間的孔隙減小,晶體的膠結程度加強;細?；◢弾r強度和剛度顯著高于粗?；◢弾r的內在原因主要為,細?；◢弾r晶體顆粒自身致密程度的增加和晶體之間膠結程度的加強。