青藏高原东部冻融作用下花岗岩力学性质弱化机理研究

现代地质 ›› 2017, Vol. 31 ›› Issue (05): 943-955.

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青藏高原东部冻融作用下花岗岩力学性质弱化机理研究

郭长宝¹^,²(), 周家作³^,⁴, 刘筱怡¹, 任三绍¹, 吴瑞安¹

1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081
2.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081
3.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北武汉 430071
4.中国科学院岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071

收稿日期:2016-10-12 修回日期:2017-06-10 出版日期:2017-10-10 发布日期:2017-11-06
作者简介:郭长宝,男,博士,副研究员,1980年出生,地质工程专业,主要从事工程地质与地质灾害方面的研究。Email:guochangbao@163.com。
基金资助:
中国地质调查局项目(12120113038000);中国地质调查局项目(DD20160271);自然科学基金项目(41402321);科技基础性工作专项(2011FY110100-2);中铁二院科研计划项目(二院科字201303)

Research on the Weakening Mechanism of the Mechanical Behavior for the Granite in the Eastern Qinghai-Tibet Plateau Under the Condition of Freezing-Thawing Cycles

GUO Changbao¹^,²(), ZHOU Jiazuo³^,⁴, LIU Xiaoyi¹, REN Sanshao¹, WU Rui’an¹

1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081, China
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China
3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei 430071, China
4. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Chinese Academy of Sciences, Wuhan,Hubei 430071, China

Received:2016-10-12 Revised:2017-06-10 Online:2017-10-10 Published:2017-11-06

摘要/Abstract

摘要：

花岗岩山体通常被认为是稳定性较好的地质体,但在青藏高原东部高寒高海拔山区,因冻融作用导致花岗岩体力学性质变差,崩塌、滑坡等地质灾害频发。针对青藏高原东部理塘和八宿地区的花岗岩开展了冻融循环力学试验,通过波速、核磁共振方法分析了岩石冻融过程中的损伤发展趋势。试验结果表明:岩石内部损伤程度随着冻融次数的增加而增加,岩石波速则随着冻融次数的增加而明显降低;从核磁共振T2弛豫时间分布的发展规律可以推断,天然条件下风化较严重的岩样经过冻融循环后裂隙尺寸范围进一步增大,而风化程度微小的岩石经过冻融后裂隙尺寸范围较为集中。对经过冻融循环后的岩样进行三轴压缩试验,结果表明岩石的单轴抗压强度和弹性模量随冻融次数增大而减小,而泊松比和内摩擦角没有表现出明显的变化规律。基于试验数据和理论分析,以八宿花岗岩为例,提出了冻融损伤本构模型,对不同围压和冻融循环次数条件下的岩石应力应变全过程进行模拟和预测。

关键词: 青藏高原, 花岗岩, 冻融循环, 核磁共振, 损伤本构模型

Abstract:

The granite in the eastern Qinghai-Tibet Plateau was tested by the freezing-thawing-cyclic testing, and the damage trend of rock during freezing and thawing was analyzed by the wave velocity testing and nuclear magnetic resonance (NMR). The testing results showed that as the number of freezing-thawing cycles increased, the inner damage degree increased and the wave velocity decreased obviously. The T2 distribution and development of NMR implied that the range of the size of cracks in the more weathered rock samples became wider due to freezing-thawing cycles, while the size of the cracks in the less weathered samples is more concentrative. The samples which were tested by freezing and thawing were then tested on triaxial testing apparatus. The testing results showed that the uniaxial compressive strength and the elastic modulus decreased as the number of freezing-thawing cycles increased, but the Poisson’s ratio and internal friction angle varied randomly. Based on the testing data and theoretical analysis, a freezing-thawing-damage constitutive model was presented, which can be used for simulating and predicting the overall variation of stress and strain of rocks.

Key words: Qinghai-Tibet Plateau, granite, freezing-thawing cycle, damage constitutive model

中图分类号:

P642.2
TU452

郭长宝, 周家作, 刘筱怡, 任三绍, 吴瑞安. 青藏高原东部冻融作用下花岗岩力学性质弱化机理研究[J]. 现代地质, 2017, 31(05): 943-955.

GUO Changbao, ZHOU Jiazuo, LIU Xiaoyi, REN Sanshao, WU Rui’an. Research on the Weakening Mechanism of the Mechanical Behavior for the Granite in the Eastern Qinghai-Tibet Plateau Under the Condition of Freezing-Thawing Cycles[J]. Geoscience, 2017, 31(05): 943-955.

图/表 21

图1 青藏高原东部典型花岗岩冷冻风化现象 (a)乱石包高速远程滑坡后缘冷冻风化现象;(b)八宿花岗岩边坡溜砂坡特征

Fig.1 Granite freezing and weathering characteristics in the east margin of the Qinghai-Tibet Plateau

表1 花岗岩试样基本物性指标

Table 1 Basic physical index of testing granite samples

序号	样品编号	采样地点	标准试样件数/个	比重	干密度/ (g/cm³)	含水率/%	孔隙率/%
1	CX73-1	四川理塘毛垭坝盆地乱石包滑坡	14	2.79	2.58	1.7	4.5
2	CX73-2		14
3	CX73-3		4
4	CX73-4		7
5	XZ22-1	西藏八宿县冷曲左岸花岗岩高斜坡	10	2.78	2.66	0.7	1.9
6	XZ22-2		10
7	XZ22-3		10
8	XZ22-4		25

表2 理塘花岗岩冻融及三轴试验方案

Table 2 Freezing-thawing and triaxial test schemes of Litanggranites

组号	编号	冻融次数	围压/ MPa	组号	编号	冻融次数	围压/ MPa
理塘 1组	CX073-1-1	0	0	理塘 2组	CX073-1-11	10	0
	CX073-1-2				CX073-1-12
	CX073-1-3				CX073-1-14
	CX073-1-4	0	5		CX073-2-1	10	5
	CX073-1-5	0	5		CX073-2-2	10	5
	CX073-1-6	0	10		CX073-2-3	10	10
	CX073-1-7	0	10	CX073-2-4		10	10
	CX073-1-8	0	15	CX073-2-5	10	15
	CX073-1-9	0	15	CX073-2-6	10	15
理塘 3组	CX073-2-7	20	0	理塘 4组 (波速、核磁)	CX073-3-2	30	0
	CX073-2-8				CX073-3-3
	CX073-2-9				CX073-3-4
	CX073-2-10	20	5		CX073-4-1	30	5
	CX073-2-11	20	5		CX073-4-2	30	5
	CX073-2-12	20	10		CX073-4-4	30	10
	CX073-2-13	20	10	CX073-4-5		30	10
	CX073-2-14	20	15	CX073-4-6	30	15
	CX073-3-1	20	15	CX073-4-7	30	15

表3 八宿花岗岩冻融及三轴试验方案

Table 3 Freezing-thawing and triaxial test schemes of Basugranites

组号	编号	冻融次数	围压/ MPa	组号	编号	冻融次数	围压/ MPa
八宿 1组	SXZ005-2-1	0	0	八宿 2组	SXZ022-1-8	10	0
	SXZ005-2-2				SXZ022-1-9
	SXZ005-2-3				SXZ022-1-10
	SXZ022-1-1	0	5		SXZ022-3-1	10	5
	SXZ022-1-3	0	5		SXZ022-3-2	10	5
	SXZ022-1-4	0	10		SXZ022-3-3	10	10
	SXZ022-1-5	0	10	SXZ022-3-4		10	10
	SXZ022-1-6	0	15	SXZ022-3-5	10	15
	SXZ022-1-7	0	15	SXZ022-3-6	10	15
八宿 3组	SXZ022-3-7	20	0	八宿 4组	SXZ022-4-14	30	0
	SXZ022-3-8				SXZ022-4-15
	SXZ022-3-9				SXZ022-4-16
	SXZ022-3-10	20	5		SXZ022-4-17	30	5
	SXZ022-4-9	20	5		SXZ022-4-18	30	5
	SXZ022-4-10	20	10		SXZ022-4-19	30	10
	SXZ022-4-11	20	10	SXZ022-4-20		30	10
	SXZ022-4-12	20	15	SXZ022-4-21	30	15
	SXZ022-4-13	20	15	SXZ022-4-22	30	15
八宿 5组 (波速、核磁)	SXZ022-4-23	40	0	八宿 5组 (波速、核磁)	SXZ022-4-5	40	10
	SXZ022-4-24				SXZ022-4-6	40	10
	SXZ022-4-25				SXZ022-4-7	40	15
	SXZ022-4-3	40	5		SXZ022-4-8		15
	SXZ022-4-4	40	5

图2 理塘(a)和八宿(b)花岗岩冻融循环后的波速

Fig.2 Wave velocities of samples from Litang (a) and Basu (b)granites after the freezing-thawing test

图3 理塘(a)和八宿(b)花岗岩波速随冻融次数变化曲线

Fig.3 Curves showing velocity change of samples from Litang (a) and Basu (b) granites with numbers of freezing-thawing cycles

图4 理塘岩样(a)、八宿岩样(b)冻融循环后的FID峰值

Fig.4 FID values of samples from Litang (a) and Basu (b) granites after the freezing-thawing test

图5 样品含水率和密度随冻融次数变化曲线

Fig.5 Curves of water content and density of samples vs. the number of freezing-thawing cycles

图6 典型试样的T2分布曲线 (a)理塘花岗岩典型试样;(b)八宿花岗岩典型试样

Fig.6 Curves of T2 distribution for the representative testing samples

图7 典型岩样应力-应变(a)、体应变-轴向应变(b)曲线

Fig.7 Curves of stress vs. strain (a) and axial strain(b) for typical samples

图8 样品弹性模量和泊松比随冻融次数的变化特征 (a)弹性模量随冻融次数的变化;(b)泊松比随冻融次数的变化

Fig.8 The variation of elasticity modulus and Poisson’s ratio of samples vs. the number of freezing-thawing cycles

图9 SXZ022-4样品强度随围压的变化(a)、应力摩尔圆和强度包络线(b)

Fig.9 The variation of strength of samples vs. the confining pressure(a) and Mohr’s circle and strength envelope line(b)

表4 强度参数随冻融次数的变化

Table 4 The variation of strength parameters of samples vs. the number of freezing-thawing cycles

冻融次数	理塘花岗岩		八宿花岗岩
冻融次数	c/MPa	φ/(°)	c/MPa	φ/(°)
0	5.77	53.54	19.23	55.24
10	9.28	48.78	16.67	57.37
20	6.28	47.79	16.05	56.02
30	7.86	39.3	15.55	55.67
40			16.05	55.04

图10 样品强度随冻融次数的变化 (a) 理塘花岗岩;(b) 八宿花岗岩

Fig.10 The variation of strength of samples vs. the number of freezing-thawing cycles

图11 新旧坐标系下的应力-应变曲线

Fig.11 The variation of stress-strain in the new and old coordinate systems

图12 典型岩样损伤变量变化图

Fig.12 The variation of damage factor of samples

图13 样品残余强度随冻融次数的变化曲线

Fig.13 The variation of residual strength of samples vs. number of freezing-thawing cycles

图14 ln(1/D-1)与 ε 1 '的关系图(a) 冻融0次;(b) 冻融30次

Fig.14 The variation of ln(1/D-1) vs. ε 1 '

表5 参数及取值

Table 5 List of parameters and their values

参数	E/MPa	μ	c₁/MPa	c₂	c₃/MPa
取值	29 000	0.31	-0.384 0	4.938	33.93
参数	r	d₁	d₂/MPa^-1	d₃
取值	2 056.6	-0.077	0.72	11.9

图15 八宿花岗岩应力应变曲线(数据点为实测值,实线为公式(12)计算值)

Fig.15 Curves of stress vs. strain for Basu granites (points are experimental and full lines are calculated)

图16 八宿花岗岩不同冻融循环次数的应力应变曲线

Fig.16 Curves of stress vs. strain with different numbers of freezing-thawing cycles for Basu granites

参考文献 33

[1]	姚鑫, 张永双, 王宗亮, 等. 四川泸定磨西台地第四纪冰水台地边坡地质灾害易发性研究[J]. 工程地质学报, 2009, 17(5):597-605.
[2]	尚彦军, 杨志法, 袁广祥, 等. 雅鲁藏布江大拐弯北部川藏公路地质灾害发育与分布研究[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2010:1-50.
[3]	GUO C B, ZHANG Y S, MONTGOMERY D R, et al. How unusual is the long-runout of the earthquake-triggered giant Luanshibao landslide, Tibetan Plateau, China?[J]. Geomorphology, 2016, 259: 145-154. DOI URL
[4]	郭长宝, 杜宇本, 佟元清, 等. 青藏高原东缘理塘乱石包高速远程滑坡发育特征与形成机理[J]. 地质通报, 2016, 35(8):1332-1345.
[5]	黄润秋. 20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(3):433-454.
[6]	刘伟. 西藏易贡巨型超高速远程滑坡地质灾害链特征研析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2002, 13(3):9-18.
[7]	吕杰堂, 王治华, 周成虎. 西藏易贡大滑坡成因探讨[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2003, 28(1):107-110.
[8]	YIN Y P, XINBG A G. Aerodynamic modeling of the Yigong gigantic rock slide-debris avalanche,Tibet, China[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2011, 71: 149-160. DOI URL
[9]	XU Q, SHANG Y J, VAN ASCH T, et al. Observations from the large,rapid Yigong rock slide-debris avalanche,southeast Tibet[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49:589-606. DOI URL
[10]	SHANG Y, YANG Z, LI L, et al. A super-large landslide in Tibet in 2000: background, occurrence, disaster,and origin[J]. Geomorphology, 2003, 54: 225-243. DOI URL
[11]	西藏“3·29”滑坡灾情论证专家组. 关于西藏自治区墨竹工卡县扎西岗乡普朗沟“3·29”滑坡灾害形成原因的论证意见[R]. 墨竹:西藏“3·29”滑坡灾情论证专家组, 2013.
[12]	尚彦军, 杨志法, 廖秋林, 等. 雅鲁藏布江大拐弯北段地质灾害分布规律及防治对策[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2001, 12(4):34-35.
[13]	阙云, 王成华, 张小刚. 川藏公路典型溜砂坡形成机理与整治[J]. 山地学报, 2003, 21(5):595-598.
[14]	梁光模, 王成华, 张小刚. 川藏公路中坝段溜砂坡形成与防治对策[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2003, 14(4):33-38.
[15]	蒋良潍, 姚令侃, 李仕雄. 溜砂坡滑塌特性及内在演化结构实验探索[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2005, 16(2):9-14.
[16]	MARTIN C D. The strength of massive Lac du Bonnet granite around underground openings[D]. Manitoba: University of Manitoba, 1993.
[17]	LEMAITRE J. A continuous damage mechanics model for ductile fracture[J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 1985, 107:83-89. DOI URL
[18]	MATSUOKA N. Mechanics of rock breakdown by frost action: an experimental approach[J]. Cold Regions Science and Technology, 1990, 17(3): 253-270. DOI URL
[19]	PARK C, SYNN J H, SHIN H S, et al. Experimental study of the thermal characteristics of rock at low temperatures[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(3): 81-86.
[20]	葛修润, 任建喜, 蒲毅彬. 岩石细观损伤扩展规律的CT实时试验[J]. 中国科学(E辑), 2000, 30(2):104-111.
[21]	张慧梅, 杨更社. 冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(3):471-476.
[22]	刘泉声, 康永水, 刘小燕. 冻结岩体单裂隙应力场分析及热力耦合模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(2):218-223.
[23]	郭长宝, 杜宇本, 张永双, 等. 川西鲜水河断裂带地质灾害发育特征与典型滑坡形成机理[J]. 地质通报, 2015, 34(1):121-137.
[24]	张继周, 缪林昌, 杨振峰. 冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(8):1688-1694.
[25]	刘成禹, 何满潮, 王树仁, 胡江春. 花岗岩低温冻融损伤特性的实验研究[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2005, 20(1):37-40.
[26]	王宏图, 李晓红, 杨春和, 等. 准各向同性裂隙岩体中有效动弹性参数与弹性波速关系的研究[J]. 岩土力学, 2005, 26(6):873-876.
[27]	WEN Zhi, MA Wei, FENG Wenjie, et al. Experimental study on unfrozen water content and soil matric potential of Qinghai-Tibetan silty clay[J]. Environmental Earth Sciences, 2012, 66(5): 1467-1476. DOI URL
[28]	田慧会, 韦昌富. 基于核磁共振技术的土体吸附水含量测试与分析[J]. 中国科学(E辑), 2014, 44(3):295-305.
[29]	泰斯A R, 奥利丰特J L, 朱元林, 等. 用脉冲核磁共振法及物理解吸试验测定的冻土中冰和未冻水之间的关系[J]. 冰川冻土, 1983, 5(2):37-39.
[30]	RABOTNOV Y N. Creeprupture[M]//IUTAM.Proceedings of 12^th International Union of Theoretical and Applied Mechanics.San Fransisco:IUTAM, 1968:1-5.
[31]	沈珠江. 结构性粘土的弹塑性损伤模型[J]. 岩土工程学报, 1993, 15(3):21-28.
[32]	刘冬桥. 岩石损伤本构模型及变形破坏过程的混沌特征研究[D]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2014.
[33]	曹文贵, 赵衡, 李翔, 等. 基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法[J]. 土木工程学报, 2012, 45(6):139-145.

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[1]	陈耀新, 刘文恒, 王凯兴, 刘晓东, 孙立强, 尹冬华. 甘肃青山堡中牌细粒花岗岩成因与构造环境:锆石U-Pb年龄和全岩元素组成制约[J]. 现代地质, 2024, 38(01): 169-182.
[2]	张舒, 张赞赞, 胡召齐, 施立胜, 周涛发, 吴明安, 杜建国. 长江中下游成矿带庐枞矿集区花岗岩型铀矿床成矿作用研究进展[J]. 现代地质, 2023, 37(06): 1435-1448.
[3]	杨元江, 邓昌州, 李成禄, 杨文鹏, 符安宗, 郑博, 袁茂文, 张立东. 小兴安岭翠峦地区早侏罗世A型花岗岩成因与动力学背景[J]. 现代地质, 2023, 37(06): 1597-1608.
[4]	席振, 马德成, 李欢, 高光明, 向夏楠. 新疆东昆仑土窑洞地区新元古代早期侵入岩年代学、地球化学及其构造意义[J]. 现代地质, 2023, 37(06): 1609-1623.
[5]	程天赦, 杨文静, 滕超, 张学斌, 杨欣杰, 来林, 吴荣泽, 周长红. 内蒙古西乌旗早泥盆世I型石英闪长岩的发现及其地质意义[J]. 现代地质, 2023, 37(06): 1624-1633.
[6]	李俊磊, 张绪教, 王一凡, 张向格, 王重歌, 袁晓宁, 刘心兰, 王凯雅, 饶昊舒, 刘江, 秦渊. 青海省化隆县地学研学旅行的路线规划与思考[J]. 现代地质, 2023, 37(05): 1411-1422.
[7]	鲁浩, 刘欢, 胡峰, 王海波, 王超, 孔祥超. 西昆仑造山带东段中生代碰撞造山事件的记录:来自新疆温泉—胜利达坂一带三叠纪侵入岩年代学、地球化学的证据[J]. 现代地质, 2023, 37(03): 573-585.
[8]	马德成, 席振, 高光明, 李欢. 新疆祁漫塔格花土沟地区中酸性侵入岩的年代学、地球化学特征及其地质意义[J]. 现代地质, 2023, 37(03): 599-612.
[9]	徐立明, 刘涛, 郑吉林. 大兴安岭北段阿里河镇早白垩世高分异花岗岩的确定及其地质意义[J]. 现代地质, 2023, 37(03): 613-626.
[10]	张国宾, 孔金贵, 吴子杰, 冯玥, 何云龙, 陈兴凯. 蒙古—鄂霍次克洋早侏罗世构造演化:来自大兴安岭北段新立屯地区花岗岩的证据[J]. 现代地质, 2023, 37(02): 404-418.
[11]	刘金宝, 朱洛婷, 李龙雪, 侯青叶. 内蒙古艾力格庙地区卫境岩体的地球化学特征及其构造意义[J]. 现代地质, 2023, 37(02): 419-432.
[12]	刘心兰, 张绪教, 李俊磊, 王一凡, 张向格, 袁晓宁, 王凯雅, 王重歌, 刘江, 侯恩刚. 青海化隆县独特的峡谷丹山地貌景观及其科学价值[J]. 现代地质, 2023, 37(01): 233-244.
[13]	杨帆, 陈岳龙, 于洋. 鲁西地区新太古代晚期正长-二长花岗岩成因及地质意义[J]. 现代地质, 2022, 36(04): 1155-1172.
[14]	李柱, 张德会, 张荣臻, 沈存利, 焦世豪, 李林, 朱鹏龙. 内蒙古那仁乌拉早白垩世高分异花岗岩年代学及其成因[J]. 现代地质, 2022, 36(03): 848-861.
[15]	张宏辉, 谢财富, 陈凯, 袁永盛, 余杨忠, 张沥元, 陈贵仁, 李鸿, 詹华思, 石海涛, 蔡泉宇, 于一帆. 粤西北大桂山岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb测年、岩石成因及构造环境分析[J]. 现代地质, 2022, 36(03): 862-875.