Correlations between ultrasonic pulse wave velocities and rock properties of quartz-mica schist

Physico-mechanical properties are critically important parameters for rocks. This study aims to examine some of the rock properties of quartz-mica schist（QMS） rocks in a cost-effective manner by establishing correlations between non-destructive and destructive tests. Using simple regression analysis, good correlations were obtained between the pulse wave velocities and the properties of QMS rocks. The results were further improved by using multiple regression analysis as compared to those obtained by the simple linear regression analysis. The results were also compared to the ones obtained by other empirical equations available. The general equations encompassing all types of rocks did not give reliable results of rock properties and showed large relative errors, ranging from 23% to 1146%. It is suggested that empirical correlations must be investigated separately for different types of rocks. The general empirical equations should not be used for the design and planning purposes before they are verified at least on one rock sample from the project site, as they may contain large unacceptable errors.

循环加卸载下黑云母石英片岩的弹性模量与能量演化特征研究

黑云母石英片岩是一种典型的各向异性岩石,为研究其损伤演化规律及各向异性表现特征,针对含0°,45°,90°3种片理角度的试样,开展了等塑性应变循环加卸载试验。结果表明:不同片理面角度试样的破坏模式有所不同,0°片理面试样中的张拉破裂现象与45°片理面中的剪切破坏现象尤为明显。随着塑性应变增加,黑云母石英片岩的弹性模量表现出先强化、后弱化的现象,这一现象在高围压下更为明显。在弱化阶段中,弹性模量演化的转折点与裂纹起裂强度σci稳定时对应塑性应变一致。弹性模量作为岩石损伤劣化过程的评价指标较完整性系数受片理面角度的影响更小。在岩石内部能量演化过程中,耗散能大小与片理面角度的关系为0°>90°>45°,耗散能、弹性能下降的速率大小关系为45°>90°>0°,其降至稳定时与岩石损伤强度σcd稳定时对应塑性应变一致。该研究借助弹性模量和能量演化规律分析,探究了黑云母石英片岩的损伤演化力学行为。

干湿循环作用下片岩片理面抗剪性能劣化实验设计

为揭示片岩片理面在干湿循环作用下抗剪性能劣化规律,选取云母石英片岩设计相应的直剪实验方案进行研究,并将该方案应用于实验教学。实验结果表明:干湿循环作用下,片理面抗剪性能劣化明显,干湿循环20次后,粘聚力和内摩擦角分别下降49.05%、15.34%,粘聚力下降幅度约为内摩擦角的3.2倍;片理面不断渗出黄褐色物质浸染岩样,使片理面逐渐显化,且逐渐沿片理面产生裂隙并不断向岩石内部扩展发育;片理面是水进出片岩内部的良好通道,水可将片理面间的泥质胶结物和可溶性矿物溶解并带出,使得片理面间胶结物及胶结面积逐渐减少,抗剪性能逐渐劣化。该实验教学对培养学生科研创新思维及理论联系实际能力具有重要意义。

不同含水率下变片理倾角云母石英片岩波速变化规律

对不同含水率条件下变片理倾角云母石英片岩试样进行波速测试,结合偏光显微镜和电镜扫描观察,探究声波在云母石英片岩中传播的变化机制。试验结果显示:当声波通过云母石英片岩时,其内部孔隙、裂隙沿片理面方向定向分布的特征以及矿物组构导致波速随其入射方向与片理面的夹角增大而减小;吸水过程中,水逐渐取代空气介质填充在云母石英片岩的空隙中导致波速总体随含水率的上升而增大,在水饱和度从50%上升到70%的阶段,由于水对云母石英片岩的软化作用和水分子自由振动的影响,声波传播速度下降,孔隙、裂隙的分布特征导致饱和状态下云母石英片岩波速受片理倾角影响减小、各向异性指数降低;脱水过程中,云母石英片岩表面的水分和孔隙、裂隙中的自由水蒸发,声波经过的空气介质增多,波速呈快速下降的趋势,但随着水的软化作用减弱,波速出现回升,且片理倾角越小的试样波速变化幅度越大。

干湿循环作用下云母石英片岩抗剪强度损伤劣化模型

为探究干湿循环作用对片岩抗剪特性的影响,以鄂西北广泛分布的云母石英片岩为研究对象,通过直剪试验揭示其在干湿循环作用下抗剪性能的劣化规律,并建立损伤劣化模型。结果表明:云母石英片岩抗剪性能在干湿循环作用下劣化效应明显,且前期劣化速率较快、幅度较大,后期劣化速率减慢、幅度降低;干湿循环20次后,云母石英片岩不同法向应力下峰值剪应力劣化度为16.27%~29.59%,黏聚力、内摩擦角劣化度分别为26.58%、15.36%,黏聚力对干湿循环作用的影响更为敏感。基于Lemaitre损伤理论与统计损伤本构模型,建立起云母石英片岩抗剪强度损伤劣化模型,计算所得峰值剪应力预测值与试验值相对误差为1%~6%,可有效预测干湿循环作用下云母石英片岩的抗剪强度变化。

基于核磁共振技术云母石英片岩干湿循环损伤特性研究

为研究片岩在干湿循环作用下的微观损伤特性,对不同干湿循环作用下云母石英片岩试样进行核磁共振测试,并定量分析其损伤变量变化规律。结果表明:不同干湿循环作用下云母石英片岩孔隙之间连通性较好,孔径较小孔隙集中发育,随着干湿循环次数的增加,孔径逐渐扩展增大;云母石英片岩孔径发育具有关联性,干湿循环5次前小孔、中孔数量增加较快,5~10次循环后小孔数量趋于饱和,部分中孔发育扩展为大孔,导致中孔数量减少,大孔数量从5次干湿循环后开始显著增加;云母石英片岩受干湿循环影响损伤明显,损伤变量曲线在前5次干湿循环作用下近似呈直线上升,试样内部孔隙、裂隙发育扩展较快,5次干湿循环后,孔隙、裂隙的大小和数量发育减缓,云母石英片岩损伤变量增速逐渐变缓。

黑云母石英片岩骨料在巴塘水电站工程中的应用研究

通过对巴塘水电站开挖弱风化黑云母石英片岩进行云母含量检测及混凝土力学性能试验,并结合类似工程研究成果进行分析,确定了采用工程开挖弱风化黑云母石英片岩作为混凝土骨料的料源方案。据此对工程的料源规划及总布置进行调整,大幅节省了工程投资,减轻了工程建设对环境的影响。

强风化云母石英片岩原位直剪试验研究

强风化片岩难以采取原状试样开展室内试验获取岩体力学强度参数,原位直剪试验是获取强风化片岩抗剪强度参数的可靠途径。原位直剪试验研究表明,强风化片岩整体呈弹塑性破坏特征,在抗剪断强度达到峰值后,剪切位移急剧增大,剪应力未出现陡降,即残余强度效应不明显。同时,强风化片岩抗剪断内摩擦角呈显著的各向异性,随预设剪切面与层理面夹角的增大而增大,当夹角为零即沿层理面剪切时内摩擦角值最小;强风化片岩的黏聚力与剪切方向相关性不明显,主要受岩体内石英、云母等矿物成分含量的高低影响。基于原位直剪试验成果,开展强风化片岩高边坡防护工程优化设计的成功实践表明,加大勘察成本投入,通过原位试验获取可靠的抗剪强度参数,可保证高边坡支护设计方案的安全性和经济性。

抽水蓄能电站云母石英片岩各向异性特性试验研究

云母石英片岩的各向异性特征对抽水蓄能电站地下洞室围岩稳定性影响较大。通过岩矿鉴定、室内压缩实验、直剪试验、点荷载现场试验等手段,分析了云母石英片岩强度、变形的变化规律,研究了不同风化程度的云母石英片岩在不同加载方向上的各向异性特性。结果表明:在漫长地质历史过程中经历各种地质作用,云母石英片岩的矿物形成了强烈的定向排列结构,使云母石英片岩具有明显的片状构造,从而导致云母石英片岩在力学性质上具有明显的各向异性;在不同方向荷载作用下,云母石英片岩的抗压强度、变形模量、弹性模量均表现出一定的各向异性,随着水平与片理面夹角的增大,云母石英片岩的单轴抗压强度、变形模量、弹性模量先减小后增大,均呈现出“U”型的变化规律;水平与片理面夹角α为0°时,岩石破坏为压密剪切破坏,α为40°时,岩石破坏为复合剪切破坏,α为70°时,岩石破坏为典型层面剪切破坏,α为90°时,岩石破坏为劈裂张拉破坏;直剪试验指出片理面间的粘结强度较低,在荷载方向与片理方向平行时易产生错动,反应了云母石英片岩的各项异性;通过点荷载试验,不同风化程度不同加载方向的云母石英片岩点荷载强度呈现出明显的各向异性,平行片理面的强度主要由片理层间的胶结强度提供,而非云母石英片岩本身的力学强度特性,同时云母石英片岩的各向异性程度随着风化程度减弱而稍有减弱。

干湿循环作用下云母石英片岩抗压性能劣化规律及机理

干湿循环作用可促使片岩边坡岩体力学性能劣化、稳定性降低,进而诱发滑坡、崩塌等地质灾害。以湖北十堰地区广泛分布的云母石英片岩为研究对象,分别对不同干湿循环作用下云母石英片岩试样开展了单轴压缩试验和电镜扫描测试,揭示了其抗压性能劣化规律及机理。结果表明:在干湿循环作用下,云母石英片岩抗压强度和弹性模量劣化效应明显,前期劣化速率较快、劣化幅度较大,后期劣化速率减缓、幅度降低;宏观破坏模式受到片理面的控制作用而逐步增强,由“X”型、“Y”型破坏逐渐演变为沿片理面的剪切破坏;微观结构表现为片状矿物颗粒不断剥落、颗粒化,微裂隙、孔隙逐渐发育、扩展贯通;干湿循环作用使得云母石英片岩产生次生矿物、离子和岩屑并不断离开岩石,促使片理、微裂隙等结构面扩展开裂、岩石结构松散,进而使得云母石英片岩整体力学性能劣化。研究成果可为片岩边坡稳定性分析及治理工程设计提供理论依据。

辽宁弓长岭鞍山群时代与物源--来自石榴十字云母片岩碎屑锆石U-Pb-Hf同位素特征与稀土元素组成的约束

鞍山群是华北克拉通东部陆块最重要的含BIF变质表壳岩之一,经历了绿片岩相—角闪岩相变质-变形作用,准确限定其沉积时代与物质来源,对于探究华北克拉通BIF的构造环境具有重要意义。利用LA-MC-ICP-MS(多接收激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪)对弓长岭鞍山群石榴十字云母石英片岩进行了碎屑锆石U-Pb-Hf同位素与稀土元素原位分析。根据碎屑锆石阴极发光图像特征与U-Pb年龄结果,获得石榴十字云母石英片岩中最年轻一组碎屑锆石峰值年龄为2528 Ma,限定了其原岩的最大沉积时代,结合区内约2500 Ma齐大山富钾花岗岩侵入鞍山群的野外地质关系,以及鞍山群经历了2510~2470 Ma变质作用,认为弓长岭地区鞍山群沉积时代为2528~2510 Ma,属于新太古代晚期。鞍山群十字石榴云母石英片岩碎屑锆石年龄集中在2931~2454 Ma之间,最主要的峰值年龄为2528 Ma。结合碎屑锆石内部结构特征,认为鞍山群主要物源为新太古代晚期酸性岩浆岩。代表性碎屑锆石Hf两阶段模式年龄为3532~2711 Ma,峰值年龄为2830 Ma,进一步揭示了中太古代晚期是鞍山—本溪地区地壳最重要的生长阶段。综合鞍山—本溪地区已发表的相关地球化学数据,推测弓长岭鞍山群可能沉积于活动大陆边缘的弧后盆地。

绢云母石英片岩浮选尾砂提纯工艺研究

本研究利用绢云母石英片岩浮选云母后获得的石英尾砂为原料提纯制备了纯度99.9%高纯石英粉。研究结果表明,采用熔解-中和-灼烧提纯工艺,可打破SiO_(2)晶格内化学键,可使石英晶格中采用物理法提纯无法去除的气液包裹体类和类质同象类等杂质转移到熔液中,再通过固液分离使其得以有效去除而获得高纯石英粉。

干湿循环作用下云母石英片岩物理性能及宏微观结构劣化规律

为研究云母石英片岩在干湿循环作用下易劣化问题,以鄂西北地区广泛分布的云母石英片岩为例,分别对不同干湿循环作用下片岩试样开展吸水性试验、波速测试和电镜扫描试验,揭示其物理性能及宏微观结构劣化规律。试验结果表明,云母石英片岩吸水率随干湿循环次数的增加呈大幅上升的趋势;波速随干湿循环次数的增加而减小,并逐渐趋于稳定;试样表面逐渐被浸染成红褐色,且片理面逐渐开裂、贯通;片状颗粒剥落变多,逐渐浑圆化、颗粒化,矿物颗粒间裂隙、孔数量不断增多,微裂隙逐渐扩展、开裂,进而使其吸水率增大、波速降低。

云南省麻栗坡县老寨马卡锌矿地质特征及成因分析

根据矿床形成的地质环境、成矿作用、空间分布规律及含矿岩石的特征,确定了麻栗坡县老寨马卡锌矿属花岗岩外接触带矽卡岩型、石英脉型矿床。从矿体形态、产状及发育的两种矿床类型看,矿床成因具有明显的多源性和多期次成矿特点,且花岗岩对成矿具有主导性的控制作用。

真三轴压缩下石英云母片岩力学特性研究

石英云母片岩是深部地下工程中常见的一种层状岩石,许多地下工程灾害的发生都与其失稳破坏有关。为探明其力学性质,为深部地下隧道(洞)建设提供依据,对不同加载角度下新鲜不含石英脉、风化含石英脉、风化不含石英脉3种石英云母片岩进行真三轴压缩试验,结合声发射监测手段研究片理、风化程度、石英脉对其力学性质的影响。试验结果表明:3种石英云母片岩的强度、特征应力和弹性模量随β角(最大主应力方向与片理的夹角)增加呈先减小后增大趋势;新鲜无石英脉试样的强度、特征应力和弹性模量最高,风化含石英脉试样次之,风化不含石英脉试样最低。根据室内试验结果,总结了石英云母片岩等层状岩体隧道(洞)施工过程中应注意的开挖与支护问题和具体应对措施。

鞍山陈台沟BIF铁矿与太古代地壳增生:锆石U-Pb年龄与Hf同位素约束

新发现的陈台沟隐伏铁矿床位于辽宁鞍山附近,矿石类型以条带状铁矿石为主,铁矿层顶板围岩为绿泥石英片岩,底板围岩为黑云石英片岩。元素地球化学分析表明,铁矿石及磁铁矿单矿物均富集重稀土,具La、Eu及Y正异常,无明显Ce负异常,反映成矿物质来源于海底高温热液(约占0.1%)与海水的混合溶液,且BIF沉积时海水处于缺氧环境。标型组分分析显示铁矿石及磁铁矿属于沉积变质型或BIF型。原岩恢复表明,绿泥石英片岩原岩为酸性火山岩,黑云石英片岩原岩为泥砂质岩石,二者皆富集Rb、Th、U、LREE,亏损Nb、Ta、Ti。构造背景分析表明两类片岩的原岩均形成于岛弧背景,反映了陈台沟BIF沉积时的构造环境。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年显示铁矿体夹层绿泥石英片岩中岩浆锆石形成于2551±10Ma,代表陈台沟BIF形成时代;变质锆石形成于2469±23Ma,代表后期变质作用时代。Hf同位素分析显示大多数锆石具有正的εHf(t)值(-2.23～7.54),表明岩浆源区以亏损地幔物质为主,但明显受到古老地壳物质的混染;二阶段模式年龄(tDM2)主要介于3133～2580Ma之间。结合其他矿区Hf同位素资料,指示鞍本地区可能存在新太古代(～2.55Ga)地壳增生事件。综合分析认为,陈台沟铁矿属Algoma型BIF,是新太古代末华北克拉通大规模BIF成矿事件的代表之一。

分级加载下薄层状岩石蠕变特性研究

为研究丹巴水电站薄层状岩石二云石英片岩的蠕变特性,在RLW–2000微机控制岩石三轴蠕变试验机上对试样进行加载方向分别为平行片理面(0)°、垂直片理面(90)°及与片理面成30°夹角3个方向的单轴蠕变试验。基于试验结果,研究不同加载方向的蠕变规律;分析片理面对二云石英片岩蠕变的影响。根据蠕变曲线的特征,采用改进的西原模型对二云石英片岩蠕变进行辨识,并根据试样的蠕变试验数据拟合出改进的西原模型参数,拟合结果与试验数据比较吻合。同时,试验结果还表明,3种加载方向的长期强度为对应单轴抗压强度的0.6～0.7倍,这些结论对今后丹巴水电站二云石英片岩的研究具有重要的指导意义。

绢云母石英片岩和砂岩的SHPB试验研究

利用液压伺服压力试验机和波形整形器改进后的φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究绢云母石英片岩和砂岩在50～160 s-1应变率等级下的准静态力学性能及其在不同冲击压缩荷载作用下的波形曲线、动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态的应变率效应问题。试验结果表明,绢云母石英片岩和砂岩的动态抗压强度、比能量吸收以及破坏形态均表现出显著的应变率相关性,但弹性模量的应变率相关性较弱。综合绢云母石英片岩和砂岩动态力学性能的对比结果可知,砂岩比绢云母石英片岩对应变率的变化更敏感。从材料的微观结构特征和能量吸收的角度对岩石动态破坏过程进行分析,探寻岩石破坏的本质。研究成果可为其他类型的脆性材料动态力学性能的研究提供参考。

绢云母石英片岩和砂岩动态破坏过程的能量分析

采用直径为100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对绢云母石英片岩和砂岩进行冲击动力学试验,研究了岩石动态破坏过程中能量的种类以及对岩石变形破坏所起的不同作用。从岩石的微观结构和能量的角度分析了岩石的动态破坏过程中,能量吸收能力的差异所导致的岩样不同的破坏形态的问题。试验结果表明,在岩石的冲击破坏过程中,试件吸收的能量只有很少一部分转化为破碎石块的动能,其余绝大部分用于产生岩石的变形及破坏。同时还发现,与绢云母石英片岩相比,砂岩的吸收能量的能力更强,破碎的程度也更高。

基于损伤演化的片岩应力松弛特性

为揭示丹巴水电站石英云母片岩的各向异性松弛性特及松弛过程中的损伤演化规律,针对平行片理组和垂直片理组石英云母片岩,采用程控蠕变试验仪,开展为期720 h的单轴应力松弛试验。试验发现,平行片理组和垂直片理组岩样的应力松弛曲线均可分为快速松弛、减速松弛和稳定松弛3个阶段,属于非完全衰减型松弛类型;受片理发育方向影响,平行片理组应力衰减历时较垂直片理组长。结合石英云母片岩的应力松弛特征,将基于能量耗散的损伤因子代入Bingham模型流变本构方程,利用改进Euler差分算法推导应力松弛方程,并用神经网络法对模型参数进行辨识。研究表明,平行片理组与垂直片理组在快速松弛阶段损伤发展较快,且随着松弛过程的进行损伤速率逐渐降低至稳定,损伤演化与应力松弛过程是统一的;考虑损伤演化的Bingham流变模型拟合曲线与试验结果具有较高的吻合度,说明文中提出的松弛方程能很好地描述石英云母片岩的应力松弛特性,对软岩工程研究具有较高的应用价值。