南芬露天铁矿是亚洲最大的单体露天矿山。在特殊地形和长期矿山开采综合影响下，采场下帮边坡形成了多处较大规模的滑坡体，潜在滑动面(带)岩性均以绿泥片岩和角闪绿泥片岩为主。这类岩石的普氏强度f=8～12，在干燥条件下对边坡整体稳定性不构成威胁。然而，当这类岩石遇到水的影响下，强度会快速降低，这就是为什么南芬露天铁矿在雨季和冻融季节滑坡灾害频发的根本原因。然而，目前针对南芬露天矿开展的所有研究成果证明该矿边坡潜在滑动面(带)岩体吸水性较弱，水通过何种途径影响边坡稳定性机理不清晰。因此，针对该矿潜在滑动面(带)岩石样品开展微观吸水软化规律实验研究迫在眉睫，能够从本质定量化揭示滑坡发生机理，具有重大的理论意义和实践意义。

目前，国内外学者已经对降雨诱发滑坡进行了多方面的研究，主要集中滑坡机理[1-2]、滑坡稳定性[3-4]及相应的评价方法和预防措施[5-6]等，在理论和实验方面都取得了丰富的研究成果。杨晓杰等[1]进行了降雨与边坡稳定性的相关性研究，发现降雨量100～250 mm的暴雨及以上强度降雨是诱发边坡滑坡的重要因素，同时通过有限元分析揭示了降雨影响边坡失稳的机理;RAHARDJO等[4]以新加坡南洋理工大学校园内发生的浅层滑坡为例，研究了前期降雨对边坡稳定性的影响。通过模拟不同降雨方式引起的孔隙水压力变化，揭示前期降雨对边坡稳定性有重要影响。

但是，针对滑坡潜在滑动面(带)岩体自身特性研究尚不足，尤其是针对露天铁矿环境下各种类型的水通过何种途径影响边坡稳定性机理尚不清晰，在微观上对矿山滑动带岩体的微观结构分析、吸水特性以及两者关系的实验研究尚少。

另外，国内外学者在研究水对岩石强度衰减影响[7-10]以及岩石吸水特征及其影响因素方面也取得了较丰硕的成果[11-13]，刘新荣等[7]通过对三峡库区库岸边坡砂岩进行干湿循环力学特性试验，得出砂岩在饱水-风干循环作用下的黏聚力和内摩擦角会逐渐下降，从而影响了库岸边坡的稳定。杨春和[10]等研究了板岩遇水的吸水率，微观结构以及力学特性的变化，结果表明板岩吸水率随泡水时间的增加变化逐渐减小;矿物颗粒内部发生膨胀，孔隙度变大;强度和弹性模量逐渐降低。何满潮等[11,13]利用自主研发的深部软岩水理作用测试系统研究了深井泥岩的吸水特性以及吸水的主要影响因素。

上述研究虽然取得显著成果，但是在分析岩石孔隙结构对吸水特性的影响方面多采用压汞实验结果，而从SEM图片进行处理得到孔隙定量化的数据来分析岩石孔隙结构大小分布特征对岩石吸水特性的影响方面的研究尚少。

针对上述问题，笔者以岩石吸水软化的室内实验研究为基础，通过对南芬露天矿潜在滑动面(带)上分布的绿泥角闪岩进行室内吸水软化实验，揭示其吸水特性和强度衰减变化规律，同时利用Image-Pro Plus专业图像分析软件对岩样的SEM图片进行处理，并结合压汞实验数据分析孔隙形态特征与岩样吸水性能的相关性。通过岩石的矿物成分特征和孔隙结构特征进行对比分析，研究影响绿泥角闪岩吸水特性的主要因素。

1 实验样品与实验方法

1.1 实验样品

实验所选岩石样品的原则如下:① 岩性随边坡标高在倾向方向具有均一性;② 样品取自失稳边坡潜在滑动面附近;③ 样品附近的岩石节理和弱层较为发育。

依据上述原则，本次取样地点选在采场下盘310～646 m台阶，岩性以绿泥角闪岩为主。为了减少对岩石样品的扰动，本次利用“便携式自动给进截样设备”进行取样，在现场完成岩石样品的无水钻取、切割、磨样和蜡封工作。样品为50 mm×100 mm(±1 mm)圆柱体标准样，图1为本次实验所用绿泥角闪岩样品，其中NF-16,NF-21,NF-25,NF-26,NF-42,NF-46对应编号为NF-1,NF-2,NF-3,NF-4,NF-5,NF-6。样品的基本物理性质见表1。绿泥角闪岩的全岩矿物和黏土矿物成分分析结果见表2，3。

表2 X射线衍射全岩矿物分析结果
Table 2 X-Ray diffraction Analytical results of rock mineral

表3 X射线衍射黏土矿物分析结果
Table 3 Analytical results of X-ray diffraction for clay mineral

1.2 吸水软化实验

1.2.1 实验设备与原理

吸水实验采用自主研发的“深部软岩气态水吸附智能测试系统”，系统原理如图2所示。

该系统由主体实验箱、称重系统和数据采集系统3部分组成。① 主体实验箱里的温湿度可以通过数控调控，创造一定的温湿度环境。箱体底部有6个直径统一的圆柱形孔，PP棒放置在孔内，PP棒的底部放置在天平托盘上(PP棒不能与圆柱孔侧壁接触)，这样样品就可以放置在PP棒上来测岩样质量的变化。② 称重系统部分有6台电子天平，天平放置在实验箱的下面，通过数据线与电脑连接，这样岩石在气态水环境下的吸水量变化数据就会传输到电脑上。③ 数据采集系统通过自主编写的程序实时读取天平传送的数据，同时自动绘制岩石吸水特征曲线，以此来分析岩石与水的相互作用规律。根据南芬露天矿滑坡发生季节平均温度，实验模拟温度T=20 ℃，相对湿度W=100%。

岩石样品的强度软化实验采用“微机控制电液伺服岩石三轴实验机”，通过对吸水后拥有不同吸水率的岩石样品进行单轴抗压强度实验，分析吸水率与单轴抗压强度与弹性模量的关系，从而判断吸水对岩石样品的强度以及变形能力的影响。

1.2.2 实验方法

实验所用样品都是在真空干燥箱(设定温度105～110 ℃)内烘干24 h得到的干燥岩样，实验主要步骤如下:

(1)校对天平，确保天平的精确度，同时检测水箱中的水量，使其达到水箱容量的一半;

(2)放试样于PP棒上，关闭箱门;开启加温加湿程序;

(3)温度/湿度达到设定值后，停止加温加湿;

(4)当岩样吸水量不再变化，吸水曲线走势平滑后，停止实验;

(5)取下试样并擦去试样表面水分，称量其吸水后质量，然后对岩样进行单轴压缩实验。

2 实验结果分析

2.1 绿泥角闪岩的吸水曲线特征

绿泥角闪岩吸水特征如图3所示，详细吸水实验数据见表4。

由图3和表4可知，绿泥角闪岩总的吸水时间为51 h，其吸水率在0.09%～0.14%，吸水率最大的是NF-6，最小的是NF-2和NF-5。6个岩样的吸水趋势基本相同，在吸水初期阶段Ⅰ(0～2 h)，其吸水速率较大，平均峰值接近0.6 g/h，吸水率增加比较快;阶段Ⅱ(2～12 h)出现下降趋势;阶段Ⅲ(12～51 h)吸水曲线趋于平稳。

本次实验过程中，绿泥角闪岩的吸水特征曲线呈上升又下降的特征，为分析其原因，又开展了2次实验，当曲线开始下降的时候开启箱体门进行观察，发现箱体门和箱体内侧都有露珠，岩样表面也有“凝露”现象，如图4所示。

凝露现象[14-16]是当空气湿度达到一定饱和程度时，在温度相对较低的物体上凝结的一种现象。本次实验仪器是一个密封的实验环境，当箱体内的绝对湿度不变时，空气相对湿度升高，同时温度下降，空气中就出现多余的水附着在岩石和箱体表面，而此时由于绿泥角闪岩不能将岩样表面的水珠全部吸收，其表面的水就逐渐蒸发，出现阶段Ⅱ所示曲线下降，直到相对湿度基本达到饱和状态，绿泥角闪岩岩样的吸水特征曲线也基本达到平稳。因此，通过本次吸水实验，可定量判断出南芬露天矿潜在滑动面(带)上的绿泥角闪岩吸水能力较差。

2.2 吸水特性影响因素分析

2.2.1 矿物成分对吸水特性影响分析

岩石中的矿物成分和含量是影响岩石吸水特性的一个重要因素。不同的矿物颗粒与水作用后会发生不同的物理变化和化学反应，如表面水化和离子交换等。而黏土矿物的性质是由其本身所具有的不饱和电荷、大表面积和其中以不同形式存在的水所决定[17]。所以岩石中黏土矿物的种类和含量直接影响着岩石的吸水量和吸水速率的大小。

由表2和表3可知:6个绿泥角闪岩主要是以黏土矿物、石英和钠长石为主，6个岩样都不含有白云石，只有个别岩样含有少量的钾长石、方解石和云母类，石英的含量相差不多，NF-1的较少为13.5%，NF-1中不含钠长石，而云母类含量相对较少，NF-3最大为11%。其中，NF-6的黏土矿物含量最高为61.4%，NF-2的最低为35.7%，其他的岩样黏土矿物含量相差较少，都在40%～50%。黏土矿物中主要是以绿泥石和伊利石为主，而绿泥石含量基本上都占到黏土矿物总量的70%～90%，其中NF-4的伊利石含量较高为44%。

图5，6分别为岩样黏土矿物成分中绿泥石含量、伊利石含量与吸水率(岩样吸水量与岩样干燥状态下质量的百分比)的关系，由图可知，它们之间并没有直接的相关性，说明黏土矿物(绿泥石和伊利石)对绿泥角闪岩的吸水特性并没有显著的影响。

2.2.2 孔隙结构对吸水特性影响分析

岩石的微观结构主要是指岩石内部的孔隙结构和黏土间的微孔隙结构，孔隙是指岩石中未被碎屑颗粒、胶结物或其他固体物质充填的空间，孔隙结构是指岩石中孔隙和喉道的几何形状、大小、分布特征及其相互连通关系。岩石的孔隙结构特征在很大程度上影响着岩石的吸水特性，是影响岩石吸水的主要因素之一。

2.2.2.1 孔隙类型对吸水特性的影响

绿泥角闪岩的原SEM图像如图7(a)所示。由图7可知，6个绿泥角闪岩样品的SEM特征基本相同，岩样结构非常密实，有裂缝，孔隙类型主要以黏土矿物晶间微孔隙为主，具有孤立特性，不发育，主要见块状伊利石、呈薄片状和鳞片状的绿泥石和成块状的白色石英。扫描区域较大裂缝长度在50～100 μm。所以绿泥角闪岩的吸水性较差。

2.2.2.2 孔隙大小分布特征对吸水特性的影响

岩石内孔隙的大小直接影响岩石的吸水速率和吸水量，一般情况下，孔隙越大，岩石的吸水能力越强。通过压汞实验和SEM测试来分析岩石的孔隙大小分布特征对吸水特性的影响。

(1)利用压汞实验结果分析孔隙大小分布特征。根据压汞实验数据得到绿泥角闪岩的孔隙累积体积(mL/g)与孔径(μm)大小的关系曲线，如图8所示。

可知，绿泥角闪岩的孔径分布曲线趋势相似，其孔隙累计总体积在0.009～0.012 mL/g，NF-3,NF-4和NF-6的孔隙累积体积都较大，其中NF-6最大，NF-2和NF-5次之，NF-1的最小。其孔隙累计体积与岩石吸水率的关系如图9所示。

可知岩石的孔隙累计体积(孔隙总体积)与其吸水特性存在一定的正相关性关系，即岩石中孔隙总体积越大，其吸水率越大，吸水能力越强。

(2)利用SEM测试结果分析孔隙大小分布特征。运用Image-pro-plus 6.0图像处理程序对岩样的SEM图像进行精细化处理，并通过测量和计算程序，得到SEM图中每个孔隙的平均直径(根据形心法每隔两度测量一次得到的平均直径)，分析得出岩石样品孔隙大小分布特征。绿泥角闪岩的SEM图像进行灰度阈值处理前后的图片如图7所示，绿泥角闪岩孔隙的平均直径大小分布特征见表5，孔隙的平均孔径大小分布特征如图10所示。

研究发现，水在孔隙表面形成的吸附膜厚度>0.1 μm，只有孔隙直径>0.2 μm时，该孔隙才参与流体流动[18]。

由图10可知，绿泥角闪岩的平均直径主要分布在0.2～2 μm，占据80%～90%，其次分布在2～20 μm，只有极少数孔隙平均直径大于20 μm。根据表4岩样吸水结果可知，6个样品中，NF-2和NF-5的平均直径分布在0.2～2 μm的百分比占90%以上，其吸水率最小，而NF-4和NF-6在此区间占据的百分比较小，吸水率较大。因此，可判定集中分布的孔隙直径越小，占据比例越大，则其岩石的吸水能力越差。因此，岩石样品的孔隙大小分布特征是影响绿泥角闪岩吸水特性的主要因素。

表5 绿泥角闪岩孔隙平均直径大小分布特征
Table 5 Pore diameter distribution of chlorite amphibolite

(3)孔隙率对岩样吸水特性的影响。孔隙率是指岩石样品中孔隙体积与该岩样的总体积的百分比。孔隙率参数在一定程度上(孔隙连通性影响较小的情况下)影响岩石的吸水性能。孔隙率大，则岩样吸水量大;孔隙率小，则岩样吸水量小。

6组绿泥角闪岩样品NF-1,NF-2,NF-3,NF-4,NF-5和NF-6的孔隙率分别为2.408%,2.119%,2.593%,3.306%,2.771%和3.562%。其中，NF-6的孔隙率最大，其次是NF-4，孔隙率最小的为NF-2，结合岩样的吸水实验结果图3和表4可知，绿泥角闪岩的孔隙率大小和吸水率大小成正比。表明孔隙率大小在一定程度上反映了岩石的吸水量大小，影响岩石的吸水特性。

2.3 吸水对强度衰减影响结果分析

吸水是导致岩石变形破坏的主要原因之一。绿泥角闪岩样品的强度实验结果见表6。

表6 不同吸水率下的单轴抗压强度值和弹性模量
Table 6 Uniaxial compressive strength and modulus of elasticity under different water absorption

其中，NF-1～NF-5的单轴压缩强度都在45～55 MPa变化，NF-6的强度较低为28.91 MPa。图11,12分别表示吸水率与单轴压缩强度以及弹性模量的相关性分析,可知，它们之间呈负相关性，可以判定绿泥角闪岩的强度随吸水率的增加而降低，同时也更容易发生变形。

绿泥角闪岩不同吸水率与单轴抗压强度之间关系的拟合方程见式(1)。

σW=106.5-557.68w

(1)

式中，w为指岩石的吸水率;σW为随吸水率变化的单轴压缩强度。

绿泥角闪岩不同吸水率与弹性模量之间关系的拟合方程见式(2)。

EW=82.69-439.39w

(2)

式中，EW为随吸水率变化的弹性模量值。

绿泥角闪岩不同吸水率与单轴抗压强度值和弹性模量的拟合函数见表7。

表7 绿泥角闪岩不同吸水率与单轴抗压强度值和弹性模量的拟合函数
Table 7 Fitted function of uniaxial compressive strength and modulus of elasticity with different water sorption

由表7可知:岩石的吸水率与岩石的单轴抗压强度以及弹性模量都呈良好的负相关性，即:岩石样品的单轴抗压强度及弹性模量随岩石吸水率增加呈线性降低，此次实验结论与前人[8-10]研究结论具有很好的一致性;绿泥角闪岩在不同吸水率下的单轴抗压强度和弹性模量随吸水率增加的衰减速率分别为557.68和439.39。

3 结 论

(1)绿泥角闪岩的吸水特征曲线整体趋势一致，在实验中出现“凝露现象”时，由于其本身吸水能力较差，无法将岩样表面的水珠全部吸收，曲线出现上升又下降的过程后，基本趋于稳定。

(2)黏土矿物含量和种类是影响岩石吸水的重要因素，绿泥角闪岩的黏土矿物中主要是伊利石和绿泥石，其含量与吸水特性不相关，即黏土矿物含量并不是影响绿泥角闪岩吸水特性的重要因素。

(3)绿泥角闪岩的孔径分布曲线趋势相似，其孔隙累计体积(孔隙总体积)与其吸水特性呈正相关性;绿泥角闪岩的结构较密实，内部孔隙主要以裂缝和黏土矿物间的微孔隙为主，孔隙较少，其平均直径主要分布在0.2～2 μm，占据80%～90%，是影响其吸水特性的主要因素。

(4)绿泥角闪岩的吸水率与单轴压缩强度以及弹性模量均呈负相关性，此次实验所得结论与前人研究结果一致。表明绿泥角闪岩的强度随吸水率的增加而降低，同时也更容易发生变形。。

研究表明，绿泥角闪岩吸水能力较弱，但其可在短时间内达到吸水饱和状态，对诱发滑坡具有显著的影响，加之雨水对滑动面(带)产生的外力作用等因素，加速诱发边坡的变形破坏和滑坡失稳。因此，在雨季和冻融季节，南芬露天矿要加强边坡排水防护，减少水直接进入边坡潜在滑动面，从而减少滑坡的发生。

参考文献(References) :

[1] 杨晓杰,侯定贵,郝振立,等.南芬露天铁矿高陡边坡失稳与降雨相关性研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(S1):3232-3240.

YANG Xiaojie,HOU Dinggui,HAO Zhenli,et al.Research on correlations between slope stability and rainfall of high steep slope on Nanfen open-pit iron ore[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(S1):3232-3240.

[2] 孙殿兴,陶志刚,范立军,等.南芬露天铁矿边坡稳定性评价及敏感性分析[J].金属矿山,2011,40(5):57-60.

SUN Dianxing,TAO Zhigang,FAN Lijun,et al.Stability assessment and sensitivity analysis of slope at Nanfen Open-pit Iron Mine[J].Metal Mine,2011,40(5):57-60.

[3] 王俊,黄润秋,聂闻,等.基于无限边坡算法的降雨型滑坡预警系统的模型试验研究[J].岩土力学,2014,35(12):3503-3510.

WANG Jun,HUANG Runqiu,NIE Wen,et al.Experimental study of early warning system model of landslide induced by rainfall based on infinite slope method[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(12):3503-3510.

[4] RAHARDJO H,LIX W,TOLL D G,et al.The effect of antecedent rainfall on slope stability[J].Geotech Geol Eng,2001,19:371-399.

[5] 何玉琼,徐则民,张勇,等.斜坡失稳的降雨阈值模型及其应用[J].岩石力学与工程学报,2012,31(7):1484-1490.

HE Yuqiong,XU Zemin,ZHANG Yong,et al.Rainfall threshold model of rainfall-induced slope instability and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(7):1484-1490.

[6] 高华喜,殷坤龙.降雨与滑坡灾害相关性分析及预警预报阀值之探讨[J].岩土力学,2007,28(5):1055-1060.

GAO Huaxi,YIN Kunlong.Discuss on the correlations between landslides and rainfall and threshold for landslide early-warning and prediction[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(5):1055-1060.

[7] 刘新荣,傅晏,王永新,等.水-岩相互作用对库岸边坡稳定的影响研究[J].岩土力学,2009,30(3):613-616.

LIU Xinrong,FU Yan,WANG Yongxin,et al.Stability of reservoir bank slope under water-rock interaction[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(3):613-616.

[8] YILMAZ I.Influence of water content on the strength and deformability of gypsum[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2010,47(2):342-347.

[9] VSRHELYI B,VN P.Influence of water content on the strength of rock[J].Engineering Geology,2006,84(1-2):70-74.

[10] 杨春和,冒海军,王学潮,等.板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[J].岩土力学,2006,27(12):2090-2098.

YANG Chunhe,MAO Haijun,WANG Xuechao,et al.Study on variation of microstructure and mechanical properties of water-weakening slates[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(12):2090-2098.

[11] HE M C,ZHANG N.Experimental study on water absorption and strength degradation effect of shale at great depth[J].Disaster Advances,2014,7(3):28-36.

[12] ZHANG N,HE M,LIU P.Water vapor sorption and its mechanical effect on clay-bearing conglomerate selected from China[J].Engineering Geology,2012,141-142(4):1-8.

[13] 何满潮,周莉,李德建,等.深井泥岩吸水特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(6):1113-1120.

HE Manchao,ZHOU Li,LI Dejian,et al.Experimental research on hydrophilic characteristics of mudstone in deep well[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(6):1113-1120.

[14] 郭琳.环境试验中凝露问题浅析[J].电子产品可靠性与环境试验,2009,27(S1):263-265.

GUO Lin.Analysis of gel problems in environmental test[J].Reliability and Environmental Testing of Electronic Products,2009,27(S1):263-265.

[15] 吴雪冰,刘欣,李帅.室外密封箱体内部凝露现象分析[J].电子质量,2013(7):24-27.

WU Xuebing,LIU Xin,LI Shuai.The outdoor sealed box internal condensation phenomenon analysis[J].Electronic Quality,2013(7):24-27.

[16] 刘建戈.空气相对湿度及凝露对中置式开关柜的影响及对策[J].电工技术,2016(2):26-28.

LIU Jiange.The influence of air relative humidity and dew on the central switch cabinet[J].Electrical Engineering,2016(2):26-28.

[17] 赵杏媛,张有瑜.粘土矿物与粘土矿物分析[M].北京:海洋出版社,1990.

[18] 秦积舜,李爱芬.油层物理学[M].东营:石油大学出版社,2003.