不同含水率條件下花崗巖力學特性損傷規律研究

陳玉華，徐助龍，葉孔凱

(中國建筑材料工業地質勘查中心福建總隊，福建 福州 350001)

1 引言

花崗巖地層在我國廣泛分布，是一類重要的工程載體，如地下水封洞庫工程、高放射性核廢料處置庫等。考慮到該類工程經常受含水層影響，因此，開展不同含水條件下花崗巖力學特性損傷規律研究對此類工程巖體穩定性評價具有重要意義。

目前，關于巖石含水后力學特性損傷的研究已取得較多成果，現有研究均證明了巖石含水后力學特性會發生不同程度的損傷，如：Lajtai[1]研究得出花崗巖在飽水狀態下單軸抗壓強度降低5%；Colback[2]等通過研究得到石英巖飽和狀態單軸抗壓強度較干燥時降低約50%；Vasarhelyi[3]研究得出飽和石灰巖強度和彈性模量較干燥時降低約34%；路平等[4]研究發現地下水巖石的強度和彈模的弱化作用明顯；陳鋼林[5]研究花崗閃長巖的強度和彈性模量隨含水率增加而快速衰減，而巖石在外荷載作用下的破壞失穩實質上是其內部裂紋發展延伸最后貫通的宏觀反映，破壞后的斷口微觀形貌反應了破壞特征。郭軍等[6]研究了煌斑巖遇水后微觀結構的變化；李先煒等[7]研究了巖石在不同加載條件下的斷口微觀形貌；Horii[8]通過掃描電鏡研究了在單軸壓縮條件下，拉伸裂紋的發展演化趨勢。

本文以花崗巖為研究對象，開展不同含水率花崗巖單軸壓縮試驗，對不同含水率花崗巖在單軸壓縮條件下的力學特性進行總結，分析其損傷規律；選取代表性的碎片/破裂面開展掃描電鏡試驗，通過分析斷口的微觀形貌，揭示單軸壓縮條件下不同含水率花崗巖力學特性損傷機制，獲得了有益的結論。

2 花崗巖力學特性及破壞特征試驗

2.1 巖樣制備

巖樣為黑云母二長花崗巖，中粗粒花崗結構，塊狀構造，節理裂隙一般不發育—稍發育，巖體較完整—完整，主要礦物成分為長石、石英、角閃石、黑云母等，其中石英含量20%～30%，長石含量50%～60%。以現場鉆孔取芯的方法進行巖樣采集，試樣取回后加工成標準試樣，肉眼觀察剔除有缺陷的試件，選擇均勻性好、紋理一致的試樣，再經波速測試后最終選取波速接近且具有代表性的試樣進行試驗(圖1)。

圖1 加工完成后試樣示意圖

2.2 試驗方案設計

含水率通過不同浸水時間控制，試驗中不同含水條件花崗巖按照浸水6h、12h、24h、48h、72h、96h來獲取，并考慮干燥及飽和兩個工況。飽和試樣為在水中煮沸6h獲取，干燥試樣為在烘箱中以110°烘干24h獲取。

花崗巖浸水完成后開展單軸壓縮試驗，試驗中采用力控制方式，試驗機加載速率為2kN/s，試驗數據的采集時間間隔為0.1s。每組試驗至少3個試樣，若個別試樣在試驗過程中發現不符合標準，則重新進行試驗，記錄試件應力—應變數據，對試樣破壞時的現象進行詳細描述。

3 試驗結果分析

3.1 花崗巖力學性質損傷分析

由于水進入花崗巖內部后與礦物顆粒組分發生一系列物理化學反應而發生損傷劣化作用，為分析這種損傷的規律性，根據牛傳星等[9]的研究成果，建立以單軸抗壓強度和彈性模量進行量化的損傷演化規律，其計算式如下所示：

式中：Dσ為單軸抗壓強度損傷率(%)；σco為干燥花崗巖單軸抗壓強度(MPa)；σcn為含水花崗巖單軸抗壓強度(MPa)；De為彈性模量損傷率(%)；Eco為干燥花崗巖彈性模量(GPa)；Ecn為含水花崗巖彈性模量(GPa)；根據試驗結果，由公式(1)計算出該類花崗巖在不同含水率下的累積損傷率(表1)。

表1 花崗巖力學參數損傷率統計

統計結果顯示，該類花崗巖在含水率為0.116%(浸水6h)時，單軸抗壓強度損傷率為4.41%，彈性模量累計損傷率為1.20%，花崗巖單軸抗壓強度的損傷要大于彈性模量的損傷；含水率為0.129%(浸水12h)時，花崗巖彈性模量的累計損傷率為2.70%，單軸抗壓強度的累計損傷率為10.78%；當花崗巖含水率在0.167%(浸水24h)時，可以看出此時花崗巖單軸抗壓強度累計損傷為18.12%，彈性模量損傷為5.26%；在花崗巖含水率在0.478%(浸水48h)時，該類花崗巖的單軸抗壓強度的累計損傷相對彈性模量差異已經較為明顯，當花崗巖試樣接近飽和時，此時單軸抗壓強度累計損傷為40.68%，彈性模量累計損傷為20.20%。損傷率計算結果表明在不同含水率下，花崗巖的單軸抗壓強度累計損傷值均要大于彈性模累計損傷值。綜上所述，可以認為水對花崗巖強度的影響較為顯著。

此外，還可以看出隨含水率逐漸增大花崗巖的單軸抗壓強度和彈性模量減小的趨勢逐漸減弱，說明水對花崗巖力學特性的影響在浸水前期較為顯著，隨著浸水時間的增長該類花崗巖力學特性損傷逐漸趨于穩定發展。

3.2 花崗巖力學特性的損傷機理

為了探究水對花崗巖力學特性的損傷機理，對試驗后的樣品取較典型的破裂斷口開展電鏡掃描，獲取微觀形貌(圖2)。

圖2 花崗巖斷口微觀形貌特征

樣品干燥狀態下，斷口處礦物集合體結構完整，礦物碎片較少，而水進入花崗巖內部后，斷口處礦物集合體結構發生明顯變化，體積發生膨脹，結構變松散，斷口表面呈糊狀且均發生了不同程度的層狀剝離現象，破碎的礦物碎片分布在斷口四周。分析認為水通過裂隙裂紋進入花崗巖內部后，加劇了原生微裂紋和新生成裂紋的復雜性和隨機性，對節理裂隙面產生潤滑作用，降低礦物顆粒間的黏結力，裂隙進一步擴展，結構遭到破壞。上述形貌特征是水對花崗巖劣化的力學、物理及化學作用的綜合體現，使得花崗巖失去原有的結構特征。由上述分析可知，隨著含水率增大，花崗巖力學特性的損傷愈加明顯，水進入花崗巖后對花崗巖的長期抗壓強度造成很大影響，嚴重威脅到工程巖體的穩定性。

4 結論

本文以花崗巖為研究對象，研究了單軸壓縮條件下不同含水率花崗巖力學特性損傷規律，主要得出以下結論。

(1)花崗巖含水后的強度和彈性模量均出現不同程度的降低，其中，單軸抗壓強度和彈性模量分別降低了40.68%和20.20%，在不同含水率下花崗巖的單軸抗壓強度累計損傷值均要大于彈性模量累計損傷值，水對花崗巖強度的影響較為顯著。隨含水率逐漸增大花崗巖的單軸抗壓強度和彈性模量減小的趨勢逐漸減弱，隨著浸水時間的增長該類花崗巖力學特性損傷逐漸趨于穩定發展。

(2)水進入花崗巖內部后在斷口微觀形貌上主要表現為礦物集合體體積發生膨脹，結構變松散，斷口表面呈糊狀且均發生了不同程度的層狀剝離現象，破碎的礦物碎片分布在斷口四周。水對花崗巖力學特性的損傷機理為水進入花崗巖內部后加劇了原生微裂紋和新生成裂紋的復雜性和隨機性，使得裂隙得以擴展，內部結構遭到破壞。

(3)本文研究成果表明，該類花崗巖的力學特性隨含水率增大而表現為持續損傷，這對長時間處于水位升降條件下的工程巖體穩定性影響很大，研究成果對此類工程巖體穩定性評價提供了一個思路。此外，需要指出的是，本文僅研究了單軸壓縮條件下不同含水率花崗巖的力學特性損傷機制，對于不同應力路徑(三軸、拉伸)、不同影響因素(爆破、運營壓力)下的損傷規律有待更深入的研究。