混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()赵子昕,汪发武,朱国龙,等 混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展 工程地质学报,():,():混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展赵子昕汪发武朱国龙彭星亮(同济大学,土木工程学院地下建筑与工程系,上海 ,中国)(同济大学,岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 ,中国)摘要混杂岩是细粒破碎基质中包含外来或原位岩块的岩体,常具有物质组成多样、地质结构复杂、工程特性差异大的特点。混杂岩在岩性组成和力学性质上呈现出的内部异质性和空间变异性,会对工程选址及工程稳定性产生极大影响。目前,混杂岩分布区域已成为工程灾害和地质灾害的频发区。为满足该类区域工程快速安全建设的需求,亟需
2、明确混杂岩的工程力学特性。为此,本文系统梳理了混杂岩力学特性的国内外研究文献,以混杂岩的非均质特性为切入点,首先总结了混杂岩非均质性的形成原因,并在此基础上归纳了目前的混杂岩分类方法;其次分析了混杂岩非均质特性的描述手段,并讨论了混杂岩非均质力学特性的影响因素及评价方法;最后,探讨了工程背景下的混杂岩岩体力学性质。将来还需要研究基于混杂岩力学性质的定量化分类方法;实现定量化归纳多因素影响下的混杂岩力学性质变化规律;采用不确定性分析方法,评估混杂岩的几何分布和力学性质特征。相关结果可为进一步明确混杂岩力学特性、降低同类地区工程建设风险提供参考。关键词混杂岩;非均质结构;工程地质;力学特性中图分类
3、号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金重点项目(资助号:),中央高校基本科研业务费专项资金资助 ()第一作者简介:赵子昕(),男,博士生,主要从事岩体力学性质,地质灾害方面的研究工作 :通讯作者简介:汪发武(),男,博士,教授,博士生导师,主要从事工程地质,地质灾害方面的研究工作 :?(,)(,),:,;引言混杂岩()是指不同成分、不同时代和不同来源的岩块包裹在基质中所形成的组合体,具有岩块()基质()的结构特征(,)。在我国,受长期且复杂的构造演化作用影响,板块边缘及附近区域地质构造复杂(杨巍然等,;闫臻等,),形成了多条混杂岩带(任雪斌等,;张良等,)。例如,东北
4、地区中亚造山带东段的混杂岩,由不同时代、不同性质的地块及缝合带相互拼合组成,以微地块群与俯冲 增生杂岩带的交织分布为显著特征(刘永江等,);内蒙古地区北山造山带则受西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的影响,依次形成了小黄山蛇绿岩带、洗肠井蛇绿岩带等数条蛇绿混杂岩带(胡新茁等,);新疆由于位于古亚洲构造域、特提斯构造域的核心地区,受陆壳增生与古亚洲、特提斯等大洋的洋陆转换过程影响,自北向南形成了 条蛇绿混杂岩带(赵同阳等,);青藏高原地区由于受强烈构造作用影响,形成了雅鲁藏布江蛇绿混杂岩带、嘉黎 迫龙藏布蛇绿混杂岩带等 条蛇绿混杂岩带或俯冲增生杂岩带(潘桂棠等,;祁生文等,)。混杂岩的岩块
5、 基质结构使得其力学性质具有空间变异性和复杂性。难以估计的力学特性和破碎的块体 基质结构(图 )使得混杂岩区域易发生工程灾害和地质灾害(潘桂棠等,;,)。例如:印度 铁路隧道在穿越 厚的混杂岩带时,块体基质接触位置出现应力集中,引发基质变形,导致隧道局部发生坍塌(,)(图 ,图 )。土耳其 地铁隧道建设过程中,地下水流动导致隧道上方的混杂岩体发生风化,进而发生隧道坍塌事故(,)(图 )。另外,混杂岩带边坡易在地震、降雨等条件下发生失稳滑动(曹鹏等,),形成堰塞湖,构成“滑坡 堰塞坝 溃决”链式灾害(胡卸文等,;邓建辉等,;,)。例如:发育在金沙江构造混杂岩区域的西藏昌都白格滑坡,两次形成堰塞体
6、并阻断金沙江,造成西藏、四川、云南等地共 万人受灾,经济损失超过 亿元(曹鹏等,)。除此以外,该区域目前已识别出 处体积大于 的滑坡,其中包含特大型滑坡 处(朱赛楠等,)。可见,混杂岩带区域地质结构复杂,具有较高的工程结构灾害和地质灾害风险。混杂岩内部复杂的构成和混乱的结构导致了其力学性质的非均质性。例如:怒江增生杂岩带出现榴辉岩、高压麻粒岩呈构造透镜体产于二长片麻岩中(董永胜等,;张万平等,)。金沙江俯冲增生杂岩带上,蛇绿混杂岩、蛇纹岩、玄武岩、辉长岩、硅质岩等大小不等的岩块,混杂在泥质板岩基质中(王立全等,)。不同强度、大小、方向、数量的岩块夹杂于基质中,势必会产生应力集中、变形不协调等问
7、题。目前,块体体积含量 ()被认为是对混杂岩力学性质影响最大的非均质参数。当混杂岩块体含量发生变化时,其整体力学性质也会发生明显变化(江强强等,;付小娣等,)。块体含量较低时(),混杂岩强度近似与基质强度相等。当 为 时,混杂岩的内摩擦角随着 的增加而增加(爧 ,)。当 时,峰值后区域的应力 应变关系和变形特征强烈依赖于 (,)。在边坡工程中,越高 ()赵子昕等:混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展则边坡安全系数越大(,),且 与安全系数呈正相关关系(,)。在隧道工程中,隧道屈服区的范围和延伸的方向均受到周围岩块位置和数量的强烈影响(,)。除 以外,诸如:块体数量、块体形状、块体强度、分布位
8、置、排列方向等非均质因素也会对混杂岩力学特性产生影响。总的来说,由于混杂岩的岩性组成和内部结构复杂,混杂岩呈现出非均质特点,使得其力学性质难以估计、变形破坏机制仍不明确(,)。因此,为保障混杂岩区域工程的安全快速建设,亟需解决混杂岩非均质结构对其力学特性的影响关键科学问题。鉴于此,本文从混杂岩的分类出发,分别汇总了基于形成过程和工程特性的混杂岩分类方法,并总结了混杂岩的形成过程,整理了混杂岩非均质结构的形成机理。其次,总结了描述混杂岩非均质性的常用方法和参数。最后,对不同非均质参数影响下的混杂岩力学特性进行归纳,以期为进一步明确混杂岩结构与其非均质力学特性的关联性、揭示混杂岩变形破坏机理、降低
9、混杂岩地区地质灾害及工程建设风险提供参考。混杂岩分类及形成过程 年 首 次 将“混 杂 岩()”引入到地质文献当中,用于描述造山带中的混沌岩石组合,即基质中包含破碎、混合、可识别的岩块,并能以?或更小比例尺填图的地质单元(,;,;潘桂棠等,)。在地质工程中,研究者们运用“块状基质组构()”来描述此类由硬块或软块镶嵌在基质中的地质组合体(,;,;,)。之后 ()将这一术语具体化,用“块状基质岩石(,简称 )”这一名称来描述由硬块组成并包裹在质地较细的粘合基质中的岩石混合物,例如:沉积角砾岩、混杂岩、火成集块岩()等(,)。混杂岩的岩块 基质结构可以由不同的地质过程实现,据此可将混杂岩分为 类:构
10、造()混杂岩、沉积()混杂岩和底辟()混杂岩(,;,)。另外,从岩土工程的角度出发,也可以根据混杂岩的各图 混杂岩区域隧道及坍塌事故 :()(,);()(,);()(,);()(,)奥地利构造混杂岩带公路隧道及岩芯(,);印度 铁路隧道支护变形(,);印度 铁路隧道拱顶部分坍塌(,);土 耳 其 地 铁 隧 道 坍 塌(,)向异性、水敏性、块体总体积占岩体总体积的比例 等性质进行分类(,)。构造混杂岩构造活动中的剪切作用导致了构造混杂岩的形成(图 )。构造混杂岩具有结构有序的块状基质结构,其结构排列方向与区域应力场方向一致,并且与大尺度构造背景相一致(,)。受断裂带和剪切带控制,上下盘之间的岩
11、石发生破碎,并逐渐混入到断层核心之中(,)。在初始变形阶段,混合的岩石集中于断层或剪切带的 工程地质学报 图 混杂岩类型及形成过程(修改自文献 (),()(),()边缘。这些岩石的分布与上盘和下盘的岩性分布保持着良好的对应关系。随着应变的进一步发生,破碎岩石的混合作用增强,岩性分布的对应关系逐渐消失,构造混杂岩带厚度和长度逐渐增加(图 )。至此,构造混杂岩可等同于可填图的断层或剪切带,范围从几十米到数百米不等(,)。构造混杂岩中碎屑和块体的大小、形状、排列与岩体的埋藏条件、固结程度、变形过程中的流变性质和应 变 率 有 关(,;,)。不均匀的压力会导致松散的沉积物中形成挤压膨胀结构,进而形成
12、状或透镜状的块体(,;,)。一般来说,嵌入构造混杂岩中的块体平均长短轴比例在 之间(,)。在排列方向方面,虽然经历了强烈的剪切作用,但是原始的层状沉积物的横向连续性依然能够保存数米(,;,)。另外,主剪切面通常与岩石碎屑的长轴方向一致,从而导致了混杂岩体的横观各向异性(,)。但如果块体与基质之间的强度差异较大,微破裂和破碎条带将使其内部的破碎程度更高(,),从而导致其内部的结构形成规律难以辨识。岩石块体和裂隙分布的规律性,反映了构造活动对混杂岩内部结构的塑造过程。因此,根据混杂岩内部特征,诸如:破碎程度、排列方向等,可以实现该地层构造形成过程的逆向推断(,)。沉积混杂岩沉积混杂岩源于海底斜坡破
13、坏和物质运移过程(,),其特征是块状基质组构的高度无序排列,这与构造混杂岩“结构有序”的块状 基质结构形成对比(,)。由于沉积混杂岩的来源通常为海底滑坡(图 ),且海底滑坡的规模普遍图 混杂岩内部结构示意图(修改自文献 ()():();();()构造混杂岩;沉积混杂岩;底辟混杂岩为陆地滑坡的数倍(贾永刚等,),导致其所产生的混合物面积可达数十平方公里、厚度可达百米(,)。整个混杂岩带底部以侵蚀面为界(即原海底滑坡滑动带处),覆盖在一个或多个较老的地层上(,)。由于大部分的剪切作用集中在底部 (,),混杂岩整体呈现出反粒序的特征,即从剪切带到滑体表面,粒径逐渐增大(图 )(,),呈现与陆地 ()
14、赵子昕等:混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展滑坡相同的趋势(王玉峰等,)。由于滑坡使岩石块体进行了长距离运动,混杂岩内部的块体中包括滑坡带来的物质。这些块体与沉积处的岩石岩性不同,但仍能保有一定的原岩组构(,)。滑坡带来的块体与沉积处岩石的混合程度则取决于滑坡滑动带的深度、滑坡类型、海底地形、滑坡侵蚀能力(,;,)。在沉积混杂岩中,块体的形状主要为具有棱角的片状。一般来说,嵌入沉积混杂岩中的块体的平均长短轴比在 之间(,)。但在剪切带附近,由于剪切的影响,长短轴比例可以达到(,)。基质通常是细粒的(黏土或页岩)和不同颗粒大小的混合物(,)。底辟混杂岩泥底辟发生在增生杂岩内部。断裂等作用使超
15、压流体上升,流体与夹带的泥浆一起向断层面移动,然后以底辟的形式上升到地表,形成底劈混杂岩(图)(,)。底劈混杂岩整体呈现出明显的从底辟边缘到核心的分区结构(,)。在侵入边缘带的块体通常为近垂直的片状块状,并包裹在细粒基质中(,)。嵌入底辟边缘带的块体的平均长短轴比在 之间(,),这些破碎且坚硬的碎屑沿着剪切带分布(图 )。底辟核心处的岩块更大且方向更具随机性,长短轴比在 之间(,)。底劈作用中夹带的块体大小和数量可以由浮力理论进行推算(,),因此底辟作用中可携带的块体大小可能有限。如果底辟作用中的块体不是特别密集,且基质非常黏稠或者底辟侵入相对较快,块体可能会相当大(,)。基质则通常是细粒沉积
16、物,很少有粗粒结构(,)。基于工程性质的混杂岩分类基于工程性质的混杂岩分类方法比较少见,目前仍停留在描述性分类阶段。()提出了一种描述性分类方法,根据混杂岩内部非均质性和地层连续性的程度,将地层细分为 个主要类型:(类)连续的沉积单元,范围涵盖层状沉积到轻度剪切的地层;(类)地层破坏程度不同的沉积单元,范围从裂隙有序沉积(即,层状良好;亚类)到具有块状基质组构的混乱岩石单元(亚类,其中块体被包裹在较软的基质中)。(类)高度不均匀的沉积单元,由包裹在黏土基质中的风化岩石碎片组成(例如,残积土或堆积土)。()利用地质强度指数()岩体分类系统,将 与 破坏准则相结合构建了非均质岩体分类系统,并在 年
17、对这一方法进行了修正(,)。这一分类方式可以对岩体性质进行半经验的量化,并且在分类中能够考虑部分块状基质组构岩体,实现对岩体力学性质的预测和评价。但需注意的是,大多数具有块状基质内部排列的岩体并不能包括在内。上述分类方法并不是以混杂岩为主要对象进行构建的。()结合地质过程和岩土特性,提出了新的混杂岩分类方法(图 )。这一分类方法基于影响块状基质结构岩土体力学行为的 个主要因素:()块体和基质的组成(即岩性、岩化 固结度、性质和流变性):在压力、温度、流体压力、应变率和流体 水含量等附加因素的影响下,混杂岩的力学行为也会发生变化,另外,岩性和矿物成分的不同可导致其对水的敏感性不同;()块体基质组
18、构的内部各向异性程度(简称 ):其各向异性程度可以控制裂缝扩展、流体运移、渗透性等性质;()地层破坏和混合程度:范围包含连续性地层、略有破坏的地层、没有任何连续性的地层;()块体体积比例():正如大量文献所描述的,块体含量在 到 之间的岩土材料比仅有基质的岩土材料表现出更高的强度和刚度、更高的安全系数和更曲折的破坏面。此种分类方法从工程特性的角度出发对混杂岩进行了分类,可以较容易的应用于现场调查。但是,该分类以定性评价为主,分类结果与破坏准则之间的定量化关联性有待进一步研究。混杂岩非均质结构及描述方法混杂岩的特殊工程特性源于其中块体和基质之间的强度差异。混杂岩中由于包含不同粒径、形状、岩性的岩
19、块和基质,使得其纵向和横向的岩土特性差异变化较大(,)。探讨混杂岩的力学性质,首先需要对混杂岩非均质结构进行描述。非均质结构的本质是其内部块体、基质在空间分布和力学性质上的差异性。在此,首先讨论块体与基质的定义及标准。之后,介绍描述混杂岩非均质性的常用参数。工程地质学报 图 基于工程特性的混杂岩分类示意图(修改自文献 ()()混杂岩岩块 基质定义块体和基质是造成混杂岩非均质性的根本原因之一。在对其非均质结构进行描述前,需要明确两个问题:第一,如何定义块体,即块体尺寸的上下界限如何确定;第二,块体的分布是否存在尺度效应。对于第一个问题,()认为块体的尺寸上下限应随工程应用规模的不同而变化,工程应
20、用规模可以根据以下方式进行确定:场地面积;场地中的最大块体直径;滑坡滑动带的厚度;隧道直径;地基宽度或长度;试验岩样尺寸。岩块上下限尺寸计算公式如图 所示(,)。但这一定义过程并不适用于所有情况。在对土耳其某火山碎屑岩进行研究的过程中发现,采用上述标准将会 ()赵子昕等:混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展图 不同工程应用中的块体界限尺寸(和 )(,)()(,)图 混杂岩块体大小归一化分布(,)(,)导致岩石块体尺寸过大,造成岩石样品大部分被单个岩块占据,从而不能反映出混杂岩特征(,)。因此,块体尺寸标准可以基于不同岩块尺寸的出现频率进行缩小。关于第二个问题,经过 块样品的测试,基于工程维度
21、定义的混杂岩分布规律被认为与尺度无关(,)。不同尺度下的混杂岩内部块体尺寸均服从负幂律分布(图 )。对 个块体进行了直径测量,得到了不同尺度上无量纲的块体尺寸分布,其分布规律与 所得结果相似,验证了上述分布规律的可靠性(爧 ,)。非均质性常用参数在岩土材料中,常采用基于概率统计、分形维数等理论并辅以数字图像处理的方法,来描述混杂岩、土岩混合物等地质体的非均质结构。在实际情况中,对应不同的采样方法,描述非均质结构所需的参数也不同,常用的参数包括:、块体形状参数、块体尺寸分布等。是块体的总体积占岩体总体积的百分比,是控制混杂岩强度特征的重要参数。一维法使用块体与钻芯的相交长度或者照片上的扫描线对
22、进行估计(,)。然而,由一维线段对三维块体的大小和分布进行估计时,这一估计过程受到诸如块体形状、块体方向和总采样长度等多种因素的影响,导致估计结果存在较大的不确定性,克服这种不确定性需要大量的样本(,;,;,)。二维法是对露头、岩芯样品进行拍照、图像扫描(,),从而实现 的推断。这一方法通常是对岩石试样表面进行拍摄,获得表面高分辨率图像。然后,基于块体和基质的颜色对比度,提取出块体边界,从而获取块体形状特征、面积、分布,进而 对 进 行 推 算(,)。然而,二维法与一维法相同,其使用前提均为:假设基于线性或面状的测量结果在立体上与实际三维值相等来近似。但是,在不考虑不确定性的情况下,这种假设将
23、导致估计结果出现很大误差(,;,)。()以椭球体的偏心率、分布方式为变量,模拟岩石块体的分布,来探讨从二维露头(如地质图或照片)推断实际块体体积分布(即 )时的偏差量。结果显示,块体形状和相对于露头表面的方向对 的估计结果影响较大,基于露头的估计将低估块体的大小和比例。为了评估取样数量对 估计结果不确定的影响,()开发了一种评价误差不确定性的方法,定义了参数 。通过图解法确定 所对应的误差不确定性,可以实现对 的快速评价。推断 最准确的方法是三维方法。该方法通过将块体与基质进行分离,从而获得精确的体积分数。但是,受限于取样难度和分离难度,此种方法的实际可操作性较低。虽然有成功筛分的案例(,;,
24、),但这些案例中的基质部分往往较软弱,几乎可被视为土石混合体,因此 工程地质学报 分离过程较为简单。另外,由于块体上下界限的定义与工程尺度相关,导致实验室规模的块体含量并不能代表现场规模的 。因此,现场尺度下往往仍需通过一维或二维测量方法对 进行推断(,)。除上述方法以外,当块体密度和基质密度存在明显差异时,可以采用公式进行估算 ,即通过块体、基质、样品的单位重量对 进行估计,如式()所示(,)。()()()式中:是试样重度;是基质重度;是块体重度。表 块体形状常用描述参数及公式 参数名称公式计算参数说明平均块体直径系数()珚 珚 为不同方向块体直径的平均值;为样品直径,取两者比值,详见(,)
25、长短轴比()长短绘制与块体面积相同的椭圆,该椭圆的长轴 长与短轴短的比值,详见(,)圆度()描述块体形状偏离圆形的程度,为块体面积,为块体周长,详见(,)组合参数()()()为样品中的块体数量;为分形维数,详见(,)结构系数()()()为颗粒填充权重;为长宽比低于预设判别水平的颗粒数量;是宽高比高于预设判别水平的颗粒数量;是判别形状因子的算术平均值;是判别长宽比的算术平均值;是角度因子,量化颗粒取向,详见(,;,)由于混杂岩内部的岩块类型往往不止一种,为了能用一个参数综合反映出不同种类岩块所占的体积比例,()在 的基础上提出了 (等效块体比例)的概念,如式()所示。()式中:是第 种块体所占总
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