孙亮亮，于宏波，徐鑫磊

（赤峰昊林工程勘察设计有限公司，内蒙古 赤峰）

引言

玄武岩是一种基性岩浆岩，经过长期风化作用后，玄武岩表面强烈剥蚀、破裂、解体，其造岩矿物发生了物理化学变化，导致其工程性质发生明显改变，易产生结构不稳定、易发生坍塌等工程危害[1]。近年来，随着城市化进程的加快和工程建设的不断推进，赤峰地区工程建设遇到的强风化玄武岩问题日益增多[2]。这是因为赤峰地区的玄武岩具有明显的区域特性，其斜长石斑晶约占10%，斜长石微晶约占35%，辉石约占15%，基质为间隐结构，极易造成矿物成分的风化，因此，强风化玄武岩的力学特性对于解决工程建设中的问题具有重要的工程和环境地质意义[3-4]。

1 场区玄武岩全强风化的定量和定性分析

大东北商业项目位于赤峰地区桥北新区赤锡路东，东环南路以北，东环南二路以西，新景东路以南。场地属于山区丘陵地貌，场地起伏变化不大。场地地层主要结构为②粉土层、③粉质黏土层、④全风化玄武岩层、⑤强风化玄武岩层。

玄武岩的风化受到表生作用和风化作用的影响，使得原生造岩矿物（如钠长石、钾长石等）在水作用下，氧化形成高岭石等矿物，导致矿物的黏土化和次生矿物的生成，其微观结构构造和微裂隙发育特征与原生造岩矿物存在明显的不同，岩石中钠长石和钾长石的风化作用过程如化学方程式（1）和化学方程式（2）所示，因此，全强风化玄武岩的风化程度判别采用定量和定性相结合的方式进行[5]。

在定量分析中，结合室内岩石薄片显微镜分析，采用造岩矿物蚀变指数判别，共分为5 个等级，其中蚀变指数为0～1 时，判别为未风化，蚀变指数为1～2时，判别为微风化，蚀变指数为2～3 时，判别为弱风化，蚀变指数为3～4，判别为强风化，蚀变指数为4～5 时，判别为全风化。④全风化玄武岩呈灰黑～黑褐色，层厚0.5 m～3.5 m，组织结构完全破坏，呈散体状结构，以黏性土充填，属极软岩，基本质量等级为Ⅴ级，质量指标RQD＜25，其蚀变指数变化曲线如图1所示，长石和辉石的蚀变指数变化范围为4～5；⑤强风化玄武岩呈灰黑～黑褐色，组织结构大部分破坏，岩心呈块状及短柱状，斑状结构，气孔构造，属软质岩，基本质量等级为Ⅳ级，饱和单轴抗压强度fr=14.8 MPa，吸水率为0.313%，软化系数KR=0.94，密度ρ=2.72 g/cm3，基本质量指标RQD=25～50，其蚀变指数变化曲线如图1 所示，长石和辉石的蚀变指数变化范围为3～4，该层最大揭露厚度6.6 m，未揭穿。

图1 全强风化玄武岩定量分析

2 强风化玄武岩地应力- 应变曲线

在现场对强风化玄武岩芯样进行取样，并制作直径为5.0 cm，试样高度为10.0 cm 的标准圆柱形试样，上下两端面采用磨平机进行磨平，两个端面平行度小于0.05 mm，端面表明平整度小于0.02 mm。试验设备采用HSZY-80 型岩石三轴试验仪，采用应变控制方法进行测试，压力板与试样之间防止2 mm 的橡胶垫片，加载速率控制在0.001 mm/s，试验设定5 种不同的围压工况，分别为0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa，每个试验工况重复测试3 个试样。

图2 为不同围压条件下，强风化玄武岩应力应变曲线测试结果。从图2 中可以看出，5 种不同围压条件下强风化玄武岩的应力应变曲线均经历了相似的变化过程，大致可以划分为4 个阶段，即I 阶段～IV 阶段。

图2 不同围压条件下强风化玄武岩应力- 应变曲线

其中，I 阶段为强风化玄武岩裂隙压密阶段，在此阶段，三轴试验的偏应力（σ1-σ3）较小，存在于玄武岩内部的初始孔隙以及微小裂隙在压力作用下逐渐闭合和压密，试样的体积随着加载的增加而有所缩小，此时试验主要表现为竖向压缩，环向应变变化不大；II 阶段为强风化玄武岩的弹性变形阶段，强风化玄武岩的偏应力（σ1-σ3）与应变ε 在此阶段呈现明显的线性增长关系，且轴向应力增速较大，岩体试验中不断出现压裂裂纹，并出现裂纹扩展现象，试样存在能量的耗散；III 阶段为强风化玄武岩的非稳定破裂发展阶段，试样的偏应力（σ1-σ3）与应变ε 的变化关系呈现明显的非线性，岩样的微裂缝和微裂隙迅速发展，使得施压过程中应力应变曲线呈现明显的抖动，试验的体积也出现扩容现象，偏应力逐步趋于峰值；IV 阶段为强风化玄武岩的失稳破坏阶段，在此阶段的试样呈现明显的脆性特征，应力应变关系呈现明显的突然陡降特征，试样的表面出现明显的宏观裂缝，结构内部的裂隙和孔洞也出现交叉贯通现象，试样发生崩裂，承载力迅速降低。

3 强风化玄武岩的力学参数相关分析

图3 为不同围压条件下强风化玄武岩峰值应变与围压的相关关系。峰值应变是岩石的重要力学性质指标之一，从图3 中可以看出，两者具有良好的线性回归关系，即随着围压的不断增加，强分化玄武岩的峰值应变呈现明显的线性增加，回归确定系数R2为0.8351，相关关系如公式（3）所示。由此表明，增加强风化玄武岩的围压有利于提高其峰值应变，使得其塑性变形能力提升。

图3 不同围压条件下强风化玄武岩峰值应变与围压的相关关系

图4 为不同围压条件下强风化玄武岩峰值偏应力与围压的相关关系。从图4 中可以看出，两者具有良好的线性回归关系，即随着围压的不断增加，强分化玄武岩的峰值偏应力呈现明显的线性增加，回归确定系数R2为0.9792，相关关系如公式（4）所示。由此表明，增加强风化玄武岩的围压有利于提高其峰值偏应力，进而增加其地基承载力。

图4 不同围压条件下强风化玄武岩峰值偏应力与围压的相关关系

图5 为不同围压条件下强风化玄武岩弹性模量与围压的相关关系。弹性模量反映了岩石在受到外力作用时发生伸缩、剪切和体积变化的特征参数，从图5中可以看出，两者具有良好的线性回归关系，即随着围压的不断增加，强分化玄武岩的弹性模量呈现明显的线性降低，回归确定系数R2为0.9548，相关关系如公式（5）所示。由此表明，增加强风化玄武岩的围压使得岩石抵抗弹性变形的能力降低，材料刚度变小。

图5 不同围压条件下强风化玄武岩弹性模量与围压的相关关系

4 结论

（1） 结合室内岩石薄片显微镜分析，采用定性分析和定量分析表明，全风化玄武岩中长石和辉石的蚀变指数变化范围为4～5，强风化玄武岩中长石和辉石的蚀变指数变化范围为3～4。

（2） 不同围压条件下强风化玄武岩的应力应变变化规律大致相同，可以划分为I 阶段～IV 阶4 个阶段，分别为I 阶段为裂隙压密阶段、II 阶段为弹性变形阶段、III 阶段为非稳定破裂发展阶段和IV 阶段为失稳破坏阶段。

（3） 室内三轴试验表明，随着围压的增加，强风化玄武岩的峰值应变、峰值偏应力均呈线性增加的趋势，而弹性模量呈线性减小的趋势。