不同風化程度作用下巖石破壞特性試驗研究

張文峰 （池州市貴池區住房和城鄉建設局，安徽 池州 247100）

1 引言

花崗巖作為地殼的重要組成部分，是構成大陸上部地殼的基礎，花崗巖的形成過程通常與大陸的構造作用、變質作用和成礦作用密切相關。花崗巖屬于酸性巖漿巖中的侵入巖，多為淺肉紅色、淺灰色、灰白色等。花崗巖在我國30 個省(市、區)均有分布，且出露面積約占全國陸地總面積的9%。由于花崗巖巖基具有強度高、規模大、質地均一、產狀穩定、滲透性低等優點，備受重大型工程的青睞，許多涉及國家安全與社會發展的戰略性、資源性工程，都將花崗巖地區作為建設的首選地。

目前，國內外相關學者對花崗巖進行廣泛而深入的研究。余洋林等[1]利用萬能電液伺服試驗機對花崗巖進行單軸壓縮試驗，同時采用數值軟件模擬巖石的破壞過程，研究單軸壓縮下花崗巖的各應力參數、破壞損傷模式以及裂隙擴展規律。潘生貴等[2]對三種尺寸的花崗巖進行三軸壓縮試驗，研究了尺寸效應下花崗巖的應力-應變曲線以及強度特征。黃鋒等[3]以某隧道工程的花崗巖為研究對象，研究循環加卸載作用下花崗巖的強度及變形特征。杜廣盛等[4]對花崗巖進行巴西劈裂試驗，研究礦物組成對花崗巖抗拉強度的影響。Basu 等[5]通過單軸壓縮、巴西劈裂及點荷載試驗研究了花崗巖的破壞模式，并分析了花崗巖抗拉強度和點荷載強度與其破壞模式之間的關系。周游等[6]制備不同角度及裂隙主次交叉的花崗巖試樣，進行單軸壓縮試驗，研究不同角度交叉裂隙對花崗巖強度的影響。前人研究多集中在花崗巖力學特性和破壞特征上，研究多針對一種風化程度的花崗巖[7～10]，鮮有研究不同風化程度的花崗巖強度特性。基于此，本文在國內外專家學者的研究基礎上，設置兩組不同風化程度的花崗巖樣品，進行三軸壓縮試驗，研究不同風化程度下的花崗巖強度及破壞特性，為區域深基礎重大工程建設的設計與施工提供參考。

2 研究方案

2.1 試驗材料

本試驗所用巖樣取自皖南某地鉆探現場，按風化程度分為中風化和微風化兩組，試樣編號及風化程度見表1所示。

樣品編號及風化程度 表1

2.2 試驗方案

本試驗依據《工程巖體試驗方法標準》（GBT50266-2013）進行三軸壓縮試驗。兩種風化程度的花崗巖，每組設置4 種 圍 壓，分 別 為0MPa、5MPa、10MPa、15MPa。試驗步驟如下：

①以每秒0.05MPa 的加載速度同步施加側向壓力和軸向壓力至預定的側壓力值，記錄試件軸向變形值，并作為初始值，在試驗過程中使側向壓力始終保持為常數；

②加載采用一次連續加載法，以每秒0.5MPa 的加載速度施加軸向載荷，逐級測讀軸向載荷及軸向變形，直至試件破壞，記錄破壞載荷。

3 試驗結果及分析

3.1 強度特性

3.1.1試驗參數

巖石的三軸壓縮試驗參數主要有偏應力峰值、壓縮模量和泊松比，兩組不同風化程度花崗巖的偏應力峰值、壓縮模量及泊松比試驗結果如表2所示。

其中，壓縮模量、泊松比由式（1）、（2）計算得出：

由表2可知，中風化花崗巖的偏應力峰 值 分 別 為99.41MPa、159.87MPa、182.31MPa、244.57MPa，隨著圍壓的增加而增大；壓縮模量分別為41.98GPa、40.11GPa、43.78GPa、41.23GPa，隨 圍壓的增大無顯著變化；泊松比分別為0.18、0.14、0.12、0.18，同樣隨圍壓的增大無顯著變化。微風化花崗巖的偏應力峰值分別為142.47MPa、179.06MPa、208.76MPa、312.56MPa，隨著圍壓的增加而增大；壓縮模量分別為58.47GPa、47.83GPa、48.02GPa、48.86GPa，隨 圍壓的增大無顯著變化；泊松比分別為0.24、0.28、0.26、0.29，隨圍壓的增大無顯著變化。與中風化組相比，微風化組花崗巖的偏應力峰值、壓縮模量與泊松比均顯著增大。

花崗巖三軸壓縮試驗結果 表2

3.1.2抗剪強度

運用莫爾-庫倫破壞準則，基于試驗數據繪制兩組花崗巖的應力莫爾圓，如圖1、圖2所示。

圖1 中風化組花崗巖應力莫爾圓

圖2 微風化組花崗巖應力莫爾圓

根據莫爾應力圓獲得兩組花崗巖抗剪強度參數黏聚力C 和內摩擦角φ，如表3所示。

黏聚力和內摩擦角 表3

由表3 可知，中風化組花崗巖的黏聚 力C 為7.94MPa，內 摩 擦 角φ 為50.07°；微風化組花崗巖的黏聚力C 為13.84MPa，內摩擦角φ 為55.35°。相比于中風化組，微風化組花崗巖的黏聚力和內摩擦角均較大，即微風化組花崗巖的抗剪強度高于中風化組。

3.2 破壞特征

3.2.1應力-應變曲線

根據試驗結果繪制出兩組花崗巖的應力-應變曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 中風化組花崗巖應力-應變曲線

由圖3和圖4可知，兩組巖石的破壞過程均可分為4 個階段。第一階段為初始壓密階段，此階段對應前期曲線較緩的階段，該階段試樣內部原有裂隙開始閉合，對應的軸向應變較大，應力-應變曲線較緩。第二階段為彈性變形階段，此階段曲線為一條直線，試樣為線彈性、各向同性，此時軸向應變較小。第三階段為裂紋穩定擴展階段，此時應力-應變曲線開始變緩，軸向應變顯著增大。第四階段為裂紋非穩定擴展階段，即破壞階段，此時偏應力達到峰值，應力-應變曲線開始出現轉折點，試樣破壞。

由圖3 和圖4 可知，隨著圍壓的增加，兩組巖石的偏應力峰值均顯著提高，且圍壓越高，偏應力峰值越大。兩組巖石的軸向應變均在0.5%左右，其中中風化組的軸向應變整體較微風化組高。

圖4 微風化組花崗巖應力-應變曲線

3.2.2破壞模式

兩組花崗巖試樣的破壞情況，如圖5、圖6所示。

圖5 中風化組破壞情況

圖6 微風化組破壞情況

由圖5和圖6可知，兩組巖石均屬于脆性破壞模式，即在荷載作用下未有顯著變形就突然破壞，且軸向應變均在0.5%左右。此種破壞模式是由于巖石中裂隙的存在和在荷載作用下裂隙發展的結果，反映出巖石的強度較高。但中風化組中，試樣破壞時產生的裂隙較多，如試樣1-1，多為脆性剪切破壞；而微風化組中，試樣破壞時裂隙較少，多為脆性劈裂破壞。這是由于風化程度不同，中風化組風化程度較高，試樣內部微裂隙較多；微風化組風化程度較低，試樣內部微裂隙較少。兩組花崗巖由于整體強度較高，破壞模式均為脆性破壞，但由于風化程度不同，破壞模式又存在一定區別，即中風化組為脆性剪切破壞，微風化組為脆性劈裂破壞。

4 結論

本文設置兩組不同風化程度的花崗巖試樣，進行三軸壓縮試驗，研究不同風化程度下的花崗巖強度及破壞特性，主要結論如下。

①微風化組花崗巖的偏應力峰值、壓縮模量與泊松比與中風化組相比均顯著增大。微風化組花崗巖的黏聚力和內摩擦角相比于中風化組均較大，即微風化組花崗巖的抗剪強度高于中風化組。

②兩組巖石的破壞過程均可分為4個階段，分別為初始壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段（破壞階段）。隨著圍壓的增加，兩組巖石的偏應力峰值均顯著提高，且圍壓越高，偏應力峰值越大。兩組巖石的軸向應變均在0.5%左右，其中中風化組的軸向應變整體較微風化組高。兩組花崗巖破壞模式均為脆性破壞模式，但由于風化程度不同，破壞模式又存在一定區別，即中風化組為脆性剪切破壞，微風化組為脆性劈裂破壞。