膏溶角砾岩的组成成分和力学性质研究

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论文摘要

  膏溶角砾岩是工程勘察中发现的特殊性岩土的一种新类型,该类岩石在工程地质文献和规范中少有记载,在实际工程中也比较罕见,仅在祁(县)—临(汾)高速公路和石太客运专线太行山隧道工程中出现,该岩石由碳酸盐岩角砾和泥质组成,最初定名为“泥包石层冶,之后根据岩石的物理化学成分组成和地质成因定名为膏溶角砾岩。

  该类岩石遇水强度迅速降低,极易崩解软化,且具膨胀性,有着特殊的工程力学性质,给工程勘察、设计、施工带来了一系列问题,引起学者们的关注。针对该岩石的特征,人们从地质形成背景、物理组成成分、本构关系模型、工程力学特征以及相对应的工程措施等角度展开了研究工作,取得一定成果。但由于工程案例较少,针对膏溶角砾岩的研究还处于起步阶段,还存在很多不足之处。

  1  膏溶角砾岩的形成地质背景

  1. 1  分布特征
  膏溶角砾岩是含膏盐岩系中易溶的硫酸盐岩溶蚀后,残余的碳酸岩组分及杂质原位堆积而成,产出受层位控制,多分布于奥陶系峰峰组、上马沟组、下马沟组的含膏地层,祁县—临汾高速公路和石太客运专线太行山隧道所经膏溶角砾岩段落均位于该层位,且多分布于断裂凹陷带处,呈不连续分布状态。

  1. 2  形成学说
  目前有关膏溶角砾岩的形成有多种看法,主要分为两种,即膏溶坍塌成因说和隐爆成因说。

  (1)膏溶坍塌成因说该学说的主要观点为:石膏遇水极易溶蚀成洞穴,引起顶板岩石的压裂塌落,其塌落的岩石角砾与残留的石膏混合胶结成膏溶角砾岩。

  (2)隐爆成因说自然界中存在一种与构造无关、分布普遍、产状呈筒状、囊状、脉状及似板状的角砾岩,该类角砾岩由隐爆作用形成。主要是由于岩浆侵入岩体后能量释放,产生巨大能量使周围岩体破裂,从而形成角砾岩。孟丽萍分析了各学说的特点,并根据石太客运专线太行山隧道的角砾岩分布形式,对以上两种学说提出异议,提出自己的观点,并归纳了膏溶(含膏)角砾岩的形成过程。

  含膏层沉积寅燕山期酸性岩浆侵入致泥状物挤入灰岩周围,当含有石膏层时产生巨大的流体气压,爆发产生角砾并形成空洞寅冷凝结晶形成角砾岩。

  笔者认为,这种观点更贴近实际,但对泥质的来源和周围岩体相对完整,解释不够清楚,还有待进一步研究。

  1. 3  细观分布特征
  根据前人研究成果,膏溶角砾岩多呈层状不连续分布,未对膏溶角砾岩的细观分布和与周围岩体的关系加以总结归纳。

  山西中南部铁路通道立家长隧道在开挖过程中遇到两层膏溶(含膏)角砾岩,其分布形态多成脉状,位于奥陶系下马沟组(O2x)。隧道开挖揭示掌子面多为灰岩、白云质灰岩,中厚层~厚层状,产状近水平,岩体节理裂隙发育,垂直方向贯通。发育有多条角砾岩脉,宽度0. 5 ~ 2 m,产状与节理一致。角砾岩母岩成分为灰岩及白云质灰岩,无磨圆度,泥质充填,泥质含水量20% ~ 40%,黏度极高,呈软塑状态,整体呈泥包石状,如图1所示。【图1.略】
  
  膏溶角砾岩多呈脉状分布,存在的层位相对稳定,两侧岩层产状平缓且相对完整,仅裂隙面有大量泥质及角砾充填。根据该分布特征,推测膏溶角砾岩形成受沉积岩层位控制,同时受节理裂隙引导。

  2  膏溶角砾岩的理论研究现状

  自膏溶角砾岩出现在工程领域以后,学者们开始对其展开了理论研究工作。

  李尤嘉对太行山隧道膏溶角砾岩取样进行分析,对其在荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展至破碎进行了实时观测,得到了不同含水状态下的岩石破碎过程图像;陈翔在单轴循环加载试验的基础上,基于loland模型和marzars模型提出了膏溶角砾岩损伤演化方程。

  宋飞根据膏溶角砾岩的蠕变特性,建立了流变组合模型,在考虑损伤门槛的统计损伤及石膏角砾岩流变组合模型的基础上,应用应变等效原理,建立了考虑瞬时损伤的流变本构模型,用神经网络对石膏角砾岩的非线性流变特性进行尝试性研究。

  建立了分别加载下岩石流变的神经网络模型。邓建华通过对石太客运专线太行山隧道膏溶角砾岩侧陷膨胀试验,研究了膏溶角砾岩在有侧陷条件下膨胀应变的时变特性和膨胀应力与膨胀关系,得出了侧陷条件下膏溶角砾岩的应变与实践的变化规律。学者们根据祁(县)—临(汾)高速公路和石太客运专线的膏溶角砾岩进行理论研究,取得了丰富的成果。但由于膏溶角砾岩成因不明、结构多变、成分复杂等特点,工程地质特征无法统一,目前的理论研究工作还很难应用于工程领域。笔者认为,可以通过在围岩内埋设应变片的方法,监测扰动后围岩内应力应变情况,并将监测结果与已有本构关系模型相比较,选择适合的模型,反推应力应变数据,再与监控结果相比较,以得到最适合的本构模型。

  3  膏溶角砾岩的组成成分分析

  由于膏溶角砾岩成因复杂,其组成成分也具有多种类型。谢忠安根据石太客运专线太行山隧道膏溶角砾岩为样本,分析其主要由黏土、钙镁质胶结物组成;孟丽萍根据化学试验、电镜扫描、能谱分析、X射线衍射分析结果,膏溶角砾岩主要由碳酸岩组成,主要矿物为白云石、方解石,其次为蒙脱石、伊利石、绿泥石及混层矿物。山西中南部铁路立家长隧道开挖揭示膏溶角砾岩(图2),母岩成分主要为白云岩、白云质灰岩,黏土矿物充填,含少量石膏颗粒(条带),黏土矿物中蒙脱石含量约18% ~25%,与太行山隧道所通过的膏溶角砾岩成分基本一致。但受复杂地质成因影响,多成“泥包石冶状,母岩颗粒大小极不均匀,不同位置的黏土含量变化很大,工程地质特征随之变化明显。【图2.略】
  
  4  膏溶角砾岩的力学性质试验研究

  岩土的工程力学特征是工程研究最主要的内容之一,膏溶角砾岩作为一种新的特殊岩土,引起人们的重视。人们通过常规的研究方法从多方面获取膏溶角砾岩的工程力学性质。

  4. 1  强度特征
  宋飞等人利用三轴试验得出了石膏角砾岩的应力 应变曲线,并得出膏溶角砾岩在受压破坏过程中分为3个阶段:即弹性变形阶段、塑性变形阶段和应变软化阶段,并根据试验结果分析了岩石强度随围压变化的关系;谢忠安通过对石太客运专线太行山隧道膏溶角砾岩的试验总结出膏溶角砾岩单轴压缩试验结果与岩体含水状态、硬角砾含量有关,根据试验结果,一般天然条件下变形模量在15 MPa左右,抗拉强度在0. 13 MPa左右。

  胡文寿根据角砾岩层中原位(重II)测试成果,测定土层的变形模量15 ~ 65 MPa,最小值接近黏土指标,均匀性极差。

  4. 2  含水率对岩石性质的影响
  膏溶角砾岩对水有着极强的敏感性,遇水强度迅速降低。不同含水状态下的膏溶角砾岩的力学性能研究有很重要的意义。邓建华通过试验得出了不同含水率状态下的应力-应变曲线和峰值应力随含水率变化的关系曲线,并根据试验结果判断岩石的初始含水率对岩石力学性质影响很大,且该岩石的工程力学特征具有记忆的性质。李建华根据岩石试验分析了膏溶角砾岩软化系数在0. 08 ~ 0. 59,属于易软化岩,有着很强的水敏感性。
  
  4. 3  膨胀性分析
  膏溶角砾岩在干燥时显示出岩质坚硬的特点,遇水迅速崩解软化成泥状,根据试验分析,膏溶角砾岩含有蒙脱石和高岭石等黏土矿物,因此,判断其具有一定得膨胀性。彭结兵利用最大膨胀法和平衡加载法测得了膏溶角砾岩的膨胀力,并分析了膨胀力随初始含水率变化的关系,膨胀变形以胶结物为主,角砾基本不具膨胀性。山西中南部铁路立家长隧道在通过膏溶角砾岩时,亦取样对其膨胀性进行试验分析,试验结果如表1所示。根据试验结果,依据《铁路工程特殊岩土勘察规程》对膨胀岩(土)判别标准,Y1具中等膨胀性,Y2具弱膨胀性。【表1】
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  5  目前针对膏溶角砾岩研究存在的不足

  5. 1  成因
  目前膏溶角砾岩成因仍是个谜,根据立家长隧道开挖揭示的膏溶角砾岩分布及周围岩体特征和膏溶角砾岩的试验参数,目前的各形成学说仍无法解释黏土矿物的来历和周围岩体产状平缓和相对完整的特点,还无法判断该位置膏溶(含膏)角砾岩的具体成因。只有在进一步研究区域地质构造历史的基础上,将构造运动与周围岩石矿物组成成分相结合进行研究,以获得成因的最佳解释。

  5. 2  理论
  膏溶角砾岩属于复杂的特殊软岩,具有强度低、土质不均、局部压缩性高、软化系数低等特征。作为水敏感性极强的岩石,已经引起人们的重视,但对其研究仍处于起步阶段,学者研究了很多变形损伤破坏模型,但这些模型还处于理论探索阶段,未能应用于工程领域。但可以参考其他特殊性岩土的研究方法,如软岩、膨胀岩的流变等,通过增加应变计等方式将监控量测结果与已有研究成果中模型相对比,并不断调整,以期得到最适合的本构模型。

  5. 3  力学特征
  岩石工程力学特性是工程界最关注的特性之一。膏溶角砾岩的研究工作由于借鉴案例少,对该岩石的不均匀性没有系统性的认识,同时工程力学性质还没有形成判定指标,缺少指导工程实施的应对方案。目前,膏溶角砾岩在工程中的危害,尚未得到完全重视,在今后的工作中,应通过大量实验,得到其各项力学指标,并结合施工中的不同情况,采取相应的工程措施,并结合其他特殊岩土的判定指标,形成一定的指导规范,为将来统一规范的制定提供理论依据。

  6  结语

  本文在前人研究成果的基础上,总结了膏溶角砾岩的工程地质特征,结合山西中南部铁路立家长隧道实际开挖揭示的膏溶角砾岩分布状态,提出了膏溶角砾岩分布受沉积层位控制同时受节理裂隙引导的细观分布方式。根据实际开挖揭示的膏溶角砾岩特征和前人的研究成果,分析总结了该岩石的工程地质特征。同时根据前人研究成果对比实际开挖揭示的膏溶角砾岩地质特征,归纳了目前研究的不足之处,为今后的发展提出了研究方向。

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