陳玉華，徐助龍，葉孔凱

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心福建總隊(duì)，福建 福州 350001)

1 引言

花崗巖地層在我國(guó)廣泛分布，是一類(lèi)重要的工程載體，如地下水封洞庫(kù)工程、高放射性核廢料處置庫(kù)等?？紤]到該類(lèi)工程經(jīng)常受含水層影響，因此，開(kāi)展不同含水條件下花崗巖力學(xué)特性損傷規(guī)律研究對(duì)此類(lèi)工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義。

目前，關(guān)于巖石含水后力學(xué)特性損傷的研究已取得較多成果，現(xiàn)有研究均證明了巖石含水后力學(xué)特性會(huì)發(fā)生不同程度的損傷，如：Lajtai[1]研究得出花崗巖在飽水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度降低5%；Colback[2]等通過(guò)研究得到石英巖飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度較干燥時(shí)降低約50%；Vasarhelyi[3]研究得出飽和石灰?guī)r強(qiáng)度和彈性模量較干燥時(shí)降低約34%；路平等[4]研究發(fā)現(xiàn)地下水巖石的強(qiáng)度和彈模的弱化作用明顯；陳鋼林[5]研究花崗閃長(zhǎng)巖的強(qiáng)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(wěn)實(shí)質(zhì)上是其內(nèi)部裂紋發(fā)展延伸最后貫通的宏觀反映，破壞后的斷口微觀形貌反應(yīng)了破壞特征。郭軍等[6]研究了煌斑巖遇水后微觀結(jié)構(gòu)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(guò)掃描電鏡研究了在單軸壓縮條件下，拉伸裂紋的發(fā)展演化趨勢(shì)。

本文以花崗巖為研究對(duì)象，開(kāi)展不同含水率花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同含水率花崗巖在單軸壓縮條件下的力學(xué)特性進(jìn)行總結(jié)，分析其損傷規(guī)律；選取代表性的碎片/破裂面開(kāi)展掃描電鏡試驗(yàn)，通過(guò)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(xué)特性損傷機(jī)制，獲得了有益的結(jié)論。

2 花崗巖力學(xué)特性及破壞特征試驗(yàn)

2.1 巖樣制備

巖樣為黑云母二長(zhǎng)花崗巖，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙一般不發(fā)育—稍發(fā)育，巖體較完整—完整，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英、角閃石、黑云母等，其中石英含量20%～30%，長(zhǎng)石含量50%～60%。以現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯的方法進(jìn)行巖樣采集，試樣取回后加工成標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)波速測(cè)試后最終選取波速接近且具有代表性的試樣進(jìn)行試驗(yàn)(圖1)。

圖1 加工完成后試樣示意圖

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

含水率通過(guò)不同浸水時(shí)間控制，試驗(yàn)中不同含水條件花崗巖按照浸水6h、12h、24h、48h、72h、96h來(lái)獲取，并考慮干燥及飽和兩個(gè)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(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用力控制方式，試驗(yàn)機(jī)加載速率為2kN/s，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔為0.1s。每組試驗(yàn)至少3個(gè)試樣，若個(gè)別試樣在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)，則重新進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試件應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)，對(duì)試樣破壞時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)描述。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 花崗巖力學(xué)性質(zhì)損傷分析

由于水進(jìn)入花崗巖內(nèi)部后與礦物顆粒組分發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生損傷劣化作用，為分析這種損傷的規(guī)律性，根據(jù)牛傳星等[9]的研究成果，建立以單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行量化的損傷演化規(guī)律，其計(jì)算式如下所示：

式中：Dσ為單軸抗壓強(qiáng)度損傷率(%)；σco為干燥花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；σcn為含水花崗巖單軸抗壓強(qiáng)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(jù)試驗(yàn)結(jié)果，由公式(1)計(jì)算出該類(lèi)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(xué)參數(shù)損傷率統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該類(lèi)花崗巖在含水率為0.116%(浸水6h)時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度損傷率為4.41%，彈性模量累計(jì)損傷率為1.20%，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度的損傷要大于彈性模量的損傷；含水率為0.129%(浸水12h)時(shí)，花崗巖彈性模量的累計(jì)損傷率為2.70%，單軸抗壓強(qiáng)度的累計(jì)損傷率為10.78%；當(dāng)花崗巖含水率在0.167%(浸水24h)時(shí)，可以看出此時(shí)花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度累計(jì)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(shí)，該類(lèi)花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度的累計(jì)損傷相對(duì)彈性模量差異已經(jīng)較為明顯，當(dāng)花崗巖試樣接近飽和時(shí)，此時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度累計(jì)損傷為40.68%，彈性模量累計(jì)損傷為20.20%。損傷率計(jì)算結(jié)果表明在不同含水率下，花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度累計(jì)損傷值均要大于彈性模累計(jì)損傷值。綜上所述，可以認(rèn)為水對(duì)花崗巖強(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量減小的趨勢(shì)逐漸減弱，說(shuō)明水對(duì)花崗巖力學(xué)特性的影響在浸水前期較為顯著，隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)該類(lèi)花崗巖力學(xué)特性損傷逐漸趨于穩(wěn)定發(fā)展。

3.2 花崗巖力學(xué)特性的損傷機(jī)理

為了探究水對(duì)花崗巖力學(xué)特性的損傷機(jī)理，對(duì)試驗(yàn)后的樣品取較典型的破裂斷口開(kāi)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(tài)下，斷口處礦物集合體結(jié)構(gòu)完整，礦物碎片較少，而水進(jìn)入花崗巖內(nèi)部后，斷口處礦物集合體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，體積發(fā)生膨脹，結(jié)構(gòu)變松散，斷口表面呈糊狀且均發(fā)生了不同程度的層狀剝離現(xiàn)象，破碎的礦物碎片分布在斷口四周。分析認(rèn)為水通過(guò)裂隙裂紋進(jìn)入花崗巖內(nèi)部后，加劇了原生微裂紋和新生成裂紋的復(fù)雜性和隨機(jī)性，對(duì)節(jié)理裂隙面產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，降低礦物顆粒間的黏結(jié)力，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)遭到破壞。上述形貌特征是水對(duì)花崗巖劣化的力學(xué)、物理及化學(xué)作用的綜合體現(xiàn)，使得花崗巖失去原有的結(jié)構(gòu)特征。由上述分析可知，隨著含水率增大，花崗巖力學(xué)特性的損傷愈加明顯，水進(jìn)入花崗巖后對(duì)花崗巖的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度造成很大影響，嚴(yán)重威脅到工程巖體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文以花崗巖為研究對(duì)象，研究了單軸壓縮條件下不同含水率花崗巖力學(xué)特性損傷規(guī)律，主要得出以下結(jié)論。

(1)花崗巖含水后的強(qiáng)度和彈性模量均出現(xiàn)不同程度的降低，其中，單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度累計(jì)損傷值均要大于彈性模量累計(jì)損傷值，水對(duì)花崗巖強(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量減小的趨勢(shì)逐漸減弱，隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)該類(lèi)花崗巖力學(xué)特性損傷逐漸趨于穩(wěn)定發(fā)展。

(2)水進(jìn)入花崗巖內(nèi)部后在斷口微觀形貌上主要表現(xiàn)為礦物集合體體積發(fā)生膨脹，結(jié)構(gòu)變松散，斷口表面呈糊狀且均發(fā)生了不同程度的層狀剝離現(xiàn)象，破碎的礦物碎片分布在斷口四周。水對(duì)花崗巖力學(xué)特性的損傷機(jī)理為水進(jìn)入花崗巖內(nèi)部后加劇了原生微裂紋和新生成裂紋的復(fù)雜性和隨機(jī)性，使得裂隙得以擴(kuò)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。

(3)本文研究成果表明，該類(lèi)花崗巖的力學(xué)特性隨含水率增大而表現(xiàn)為持續(xù)損傷，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間處于水位升降條件下的工程巖體穩(wěn)定性影響很大，研究成果對(duì)此類(lèi)工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了一個(gè)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(xué)特性損傷機(jī)制，對(duì)于不同應(yīng)力路徑(三軸、拉伸)、不同影響因素(爆破、運(yùn)營(yíng)壓力)下的損傷規(guī)律有待更深入的研究。