柱状节理玄武岩表观块度与变形模量差异原因分析

荀晓慧，谢立香，聂德新

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610072)

1 引言

岩体的块度是划分岩体完整性的重要指标，也是评价岩体质量的重要依据。块度及其形状,主要由岩体中的不连续面的几何结构所控制。其中不连续面的组数、间距等是主要的控制因素。许多学者对岩体块度的划分方法、工程应用等开展过研究[1-3]。揭示的通常规律是，坚硬岩体中，岩体的块度越大，完整性越好，岩体质量等级越高，岩体的抗变形能力越强，变形模量就越高。这一规律在柱状节理玄武岩中出现了异常。研究区域——金沙江下游某水电站坝址区的柱状节理玄武岩，其块度很小，但同时具有很高的变形模量，与以往的认识有很大的不同。

关于柱状节理玄武岩，王毅[4]，Shi Anchi[5]等研究过这类岩体的力学特性，获得了其变形模量量值范围、变形各项异性特征、尺度特征等成果。但总体而言，对于柱状节理玄武岩块度特征与变形模量量值不对应的特性，没有学者开展过研究。本文在现场及室内试验的基础上，深入分析了柱状节理玄武岩岩体块度小，但纵波波速高、变形模量大的原因。

2 柱状节理玄武岩块度特征及变形参数

2.1 柱状节理玄武岩岩体结构特征

现场对平洞内揭露的柱状节理玄武岩开展结构面精测工作，获得洞壁岩体内所有结构面的空间发育情况，根据其裂隙条数、产状、迹长、分组特征等，利用切割软件，获得岩体不同洞段的块度特征，见表1。根据表中实际测量结果可知，不同洞段的柱状节理玄武岩岩体块度多在0.2～0.3 m之间，仅个别洞段块度达到0.4～0.5 m，整体而言，岩体块度较小。

表1 坝址区玄武岩块度特征

2.2 柱状节理玄武岩变形参数量值

在前面开展岩体块度测量的平洞中进行变形试验和声波测试，结果见表2。

表2 坝址区玄武岩变形模量及波速试验成果

由表2中数据可以看出，试验点位处的柱状节理玄武岩，尽管块度多在0.2～0.3 m之间，但其波速值均在4 000 m/s以上，变形模量除了2个试验点的结果在10 GPa左右，其余均在20 GPa以上，岩体体现了较高的抗变形能力，柱状节理玄武岩块度小，但同时具有高变形模量、高纵波波速的特点。这与通常见到的块度越高，则波速和模量也越高的常规规律相反，同时，这一现象也没有学者开展过研究。了解柱状节理玄武岩这一特性的内在影响因素及本质原因，对柱状节理玄武岩的可利用程度、未来建基面开挖柱状节理玄武岩暴露后表现的松弛特征、工程建设中的施工方法或注意事项等方面的研究有着至关重要的作用。

3 块度与变形参数不匹配的原因

现场调查发现，柱状节理玄武岩具有如下典型特性：

(1) 介质本身特性

岩石介质本身的特性是决定岩体力学性质的关键因素，而介质本身的特性可以通过物理指标来反映。表3是收集的研究区玄武岩物理力学指标，从表中可以看出，柱状节理玄武岩岩石的比重、容重均高于斜斑玄武岩、杏仁玄武岩等其它玄武岩，同时在孔隙率和吸水率上低于其它岩石，岩石介质的这些特性决定了柱状节理玄武岩岩石的力学性质要优于研究区其它岩性的岩石，从表中抗压强度、弹性模量等力学指标上也有清晰反映。因此，岩石介质本身的特性，是柱状节理玄武岩具备高波速、高模量的先决条件。

(2) 结构面发育特征

现场调查发现，研究区域柱状节理玄武岩结构面发育有如下特点：

① 在弱下-微新无卸荷岩体中，结构面色泽光鲜，嵌合紧密。

表3 研究区玄武岩物理力学指标

② 柱体中原生微裂纹发育，但裂纹尚未发展成裂隙，未受爆破等外界扰动情况下，微裂纹肉眼不可见，呈包封状封闭于柱体之中，仅在洞室开挖过程中爆破使柱体被炸开，微裂纹出露并发展形成小裂隙，且其迹长一般不超过10 cm。如图1为平洞洞壁揭露的岩体，上部岩体距离炮孔近，受爆破影响大，微裂纹多有出露，岩体显破碎，而同一柱体的下部岩体受爆破影响小，观察不到微裂纹，岩体相对于上部要完整。其它部位勘探平洞揭露的柱状节理玄武岩也有这一特点(图2)。

图1 柱状节理玄武岩微裂纹出露特征1

图2 柱状节理玄武岩微裂纹出露特征2

根据地质体规律，同一柱体中相邻部位原生微裂纹的发育程度应一致或接近，而图1和图2揭示了同一柱体中洞壁上部岩体短小裂隙多、岩体破碎，而下部岩体却能保持裂隙少、岩体完整的现象。这一特殊现象表明：柱状节理玄武岩中的微裂纹本身在柱体中并未发展形成裂隙，在开挖、爆破等外界因素扰动后才以短小裂隙的形式出现。这表明柱状节理玄武岩中的隐裂纹受爆破和洞壁二次应力变化的影响，出现松弛开裂而成为显式裂纹，在少受干扰的条件下紧密闭合，使得柱状节理玄武岩有高的波速和高的变形模量。

上述几点特性是柱状节理玄武岩块度小但岩体纵波波速高、变形模量大的根本原因所在。

4 结论

根据试验及分析成果可知，岩体的块度大小，并不是决定岩体抗变形能力的唯一因素，结构体的力学性质、结构面的发育特征等因素也发挥着重要影响。柱状节理玄武岩，尽管岩体的块度很小，但因岩石介质本身力学性质好，以及岩体中的结构面刚性接触、紧密闭合，因此具有高的变形模量和纵波波速。

[1] 杜时贵,王思敬.岩石质量定量描述研究现状及趋向[J].工程地质学报,1998,6(3):230-237.

[2] 徐健,王驹.利用岩石质量指标和岩体块度指数进行岩体质量评价研究——以高放废物地质处置库预选场址甘肃北山1号钻孔为例[J].铀矿地质,2006,22(5):295-299.

[3] 张世殊.坝基岩体块度特征研究[J].工程地质学报,2001,9(4):353-356.

[4] 王毅,杨建宏.玄武岩的岩体结构与力学性状研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1307-1310.

[5] Shi Anchi，Tang Mingfa，Zhou Qijian. Research of deformation characteristics of columnar jointer basalt at Baihetan hydropower station on Jinsha river. Chinese ournal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(10):2079-2086.