含方解石脉石炭系灰岩单轴压缩的变形破裂特点_李腾飞.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0351-07李腾飞，孙增奎，林国涛，等 2023 含方解石脉石炭系灰岩单轴压缩的变形破裂特点J 工程地质学报，31(2):351357 doi:1013544/jcnkijeg20220137Li Tengfei，Sun Zengkui，Lin Guotao，et al 2023 Mechanical behavior of carboniferous limestone containing calcite veins under uniaxial compressionconditionsJ Journal of Engineering Geology，31(2):351357 doi:1013544/jcnkijeg20220137含方解石脉石炭系灰岩单轴压缩的变形破裂特点*李腾飞孙增奎林国涛杨学良(中交公路规划设计院有限公司，北京 100010，中国)摘要沉积岩形成后由于构造运动和热液运移而导致节理裂隙中晶体生长形成岩脉充填，方解石脉充填节理裂隙后与母岩形成整体，公路隧道及边坡工程中会经常遇到岩体中充填有大量的方解石脉。方解石脉与围岩之间的边界由于形成地质结构，所以对于岩体在应力作用下的力学响应具有重要作用，另外方解石脉的充填厚度也会显著影响到岩体的整体力学行为。本次研究从贵州省惠水至兴仁高速公路工程野外露头采集了含有不同厚度方解石脉的石炭纪石灰岩，考虑到不同厚度方解石脉充填以及区域长期降雨过程中水对岩石力学行为影响这两个重要因素，首先对天然以及饱和后的岩石切片开展了矿物组构的统计分析，然后在实验室制备了标准圆柱形岩石试样并开展了天然以及饱和后的单轴压缩力学实验。通过单轴压缩实验获得了试验过程的全应力应变曲线，针对破裂后试样采用工业 CT 扫描及三维重构获得了岩石试样中的裂缝形态特点。经过对饱和以及天然状态下含不同厚度方解石岩脉灰岩的力学行为和裂缝分布的分析发现，由于方解石岩脉厚度和含水饱和度的增加，其单轴受压状态下整体塑性显著增加且强度明显降低，岩石饱和后矿物组构的变化以及方解石脉厚度的增加对其力学行为以及破裂模式有明显影响。另外随着方解石脉厚度变化而导致的力学行为变化表明，方解石岩脉充填在岩石中不仅形成地质结构面而影响其力学行为，另外由于与母岩形成整体抵抗变形而导致其力学行为产生显著变化。关键词岩石力学;变形破裂;单轴压缩;力学行为;矿物组构;方解石脉中图分类号:P642.3文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220137*收稿日期:20220324;修回日期:20220708基金项目:国家重点研发计划项目(资助号:2018YFB1600100)This research is supported by the National Key D Program of China(Grant No 2018YFB1600100)第一作者简介:李腾飞(1985)，男，博士，高级工程师，主要从事工程地质与路基路面方面的科研与生产工作 E-mail:litengfeihpdicomcn通讯作者简介:孙增奎(1972)，男，硕士，教授级高级工程师，主要从事工程地质与道路工程方面的科研与生产工作 E-mail:sunzengkuihpdicomcnMECHANICAL BEHAVIO OF CABONIFEOUS LIMESTONE CONTAIN-ING CALCITE VEINS UNDE UNIAXIAL COMPESSION CONDITIONSLI TengfeiSUN ZengkuiLIN GuotaoYANG Xueliang(CCCC Highway Consultants Co，Ltd，Beijing 100010，China)AbstractThe natural fractures generated by geological movement can form the lattice structure pattern in the sedi-mentary rocks Crystal growth of carbonate mineral in these pre-existing fractures result in the calcite sealing in thelimestone In this study，mineralogical composition was analyzed and the concerns include hard minerals and watersensitive minerals Water saturation can affect the minerals content and lead to water sensitive damage Uniaxialcompression experiment was carried out on the cylinder-shaped samples of the Carboniferous limestone containingcalcite veins Complete stress-strain relationship of the compression experiment combined with CT scanning resultsreflect two aspects for the role of calcite vein in the mechanical behavior of limestone under compression conditionsOne aspect is the structural effect played by the interface between calcite vein and host rock，and another aspect isthe joining of the thick calcite vein together with the host rock to resist compression Significant brittleness of thelimestone containing thin calcite veins is illuminated through the experimental results More plasticity and lowerstrength are shown with thickness increase of the calcite vein in the limestoneKey wordsock mechanics;Deformation and fracturing;Uniaxial compression;Mechanical behavior;Mineralcomposition;Calcite vein0引言沉积岩中的方解石脉通常是由于长期热液运移过程中晶体生长并且以脉状矿物的形式充填于母岩节理裂隙中，能够将母岩天然节理裂隙封闭并且与母岩紧密结合形成整体。方解石脉生长速率差异很大，通常与热液流经岩体中节理裂隙的速率成正比(Williams et al，2019)。沉积岩中方解石岩脉广泛分布，由于岩脉和母岩之间强烈的颜色对比，所以在野外非常容易识别(Bons et al，2012)。方解石脉经常出现在构造作用强烈的沉积岩石中，充填于深色富含有机质的石灰岩和页岩近水平层理或近垂直节理裂隙中，此类方解石脉的空间分布和比例变化很大，经常生长于呈等间距分布的岩石节理裂隙中(Narr et al，1991;Vermilye et al，1995)。在相关的岩石工程中，例如隧道以及路基的设计与施工，需要对工程现场岩石的物理力学性质有着非 常 深 入 的 了 解(Bieniawski，1967a，1967b;Wawersik et al，1970)，尤其是对于其力学行为的特点以及与此相关的关键力学参数，这些关键参数值的获取对于岩石工程的设计优化和工程安全具有重要意义，研究方解石岩脉对岩石力学行为和变形破裂的影响对相关的岩石工程具有重要的理论支撑作用。研究发现，含岩脉沉积岩中如果岩脉和母岩的弹性行为差别较大，则岩脉作为软弱面存在于母岩中，而且在接触界面处会引起应力集中进而影响岩体内的局部应力分布(Gudmundsson et al，2010)。数值模拟的研究结果也表明，岩脉和母岩之间力学性质的差异状态可能会导致出现不同类型的相互作用结果(Virgo et al，2014;Shang，2020)。含岩脉岩石在单轴压缩力作用下的高速摄影结果也表明其初始裂隙是优先沿着岩脉形成的，岩脉这时也是扮演了软弱夹层的角色(Louis et al，2015)。含方解石脉岩石在地层压力作用下，其变形破裂后的新生裂缝和岩脉与母岩之间形成的已有结构面之间的相互作用过程非常复杂，岩脉与母岩之间形成的结构面会影响裂缝扩展的方向、连续性和贯通性(Virgo et al，2013)，目前已经观察到的两者相互作用的模式，包括裂缝在岩脉中扩展、沿着界面扩展或者在母岩中扩展，其形成机制以及作用过程均没有定论(Capu-to，2010;Holland et al，2010)。岩脉的另外一个重要作用就是可以将节理裂隙切割的碎裂岩体聚合形成整体，使得岩体具有黏聚力并能够抵抗拉应力的作用，力学性能方面表现为具备一定的抗拉强度(Caputo，2010)。Lee et al(2015)研究了页岩中方解石岩脉对水力压裂过程中水力裂缝扩展的影响，试验结果表明，诱导裂缝的接近夹角以及岩脉厚度对水力裂缝有很大影响。岩石中岩脉的存在会显著影响岩石的力学行为，与没有岩脉影响的情况相比较具有显著区别(Turichshev et al，2017)。关于岩石中岩脉的国内外研究目前主要集中在岩脉的形成过程，着重于岩石物理和微观结构方面的研究，也有从地球化学角度开展了相关研究，而对于岩脉对岩石力学性质的影响却鲜有相关的试验研究成果，已有成果都是通过数值模拟的方法对变形破裂过程进行模拟，而此方面的研究对于岩石工程来讲却具有重要意义。本次研究中，我们聚焦于单轴压缩条件下方解石脉对石炭系灰岩的强度和变形破裂特点，研究过程中考虑了水作用的影响，针对天然状态和饱水后含方解石岩脉灰岩的强度和变形破裂特点开展了研究，研究过程中采用了电镜扫描分析饱水前后灰岩的矿物组构变化，采用工业 CT 观测了含不同厚度岩脉岩石试样的破裂特征。用于本次研究的含方解石脉石炭系灰岩是出露于贵州省紫云县野外露头的石炭系摆佐大塘岩关组灰岩。在露头中可以观察到不同厚度的近垂直方解石脉，这些方解石脉充填于石灰岩的裂缝中且将切割分块的母岩聚合形成整体，方解石岩脉厚度不等，出露很多相对较厚的高倾角方解石脉。这些方解石脉的空间分布和标度变化很大，从小尺寸的253Journal of Engineering Geology工程地质学报2023裂缝到规则间距的裂缝不等，如图 1 为含方解石脉野外石炭系灰岩露头。图 1含方解石脉野外石炭系灰岩露头Fig 1Calcite veins in the outcrop of Carboniferous limestone1石炭系灰岩矿物组构本研究采用扫描电子显微镜(SEM)和 Amics 大面积矿物自动扫描识别系统相结合来完成灰岩矿物组构测定及分析，两者集成后可用于开展岩石矿物的微观成像以及大面积矿物的识别分析，试验所用天然岩石样品取自于现场采集的灰岩试样。首先完成了天然状态岩石的矿物扫描分析，之后在实验室对天然样品进行真空饱和，然后对饱和后岩石试样的矿物组构进行了矿物扫描分析。1.1矿物组构扫描电子显微镜利用聚焦的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，激发各种物理信息，对这些信息收集