不同含水率条件下花岗岩力学特性损伤规律研究

陈玉华，徐助龙，叶孔凯

(中国建筑材料工业地质勘查中心福建总队，福建 福州 350001)

1 引言

花岗岩地层在我国广泛分布，是一类重要的工程载体，如地下水封洞库工程、高放射性核废料处置库等。考虑到该类工程经常受含水层影响，因此，开展不同含水条件下花岗岩力学特性损伤规律研究对此类工程岩体稳定性评价具有重要意义。

目前，关于岩石含水后力学特性损伤的研究已取得较多成果，现有研究均证明了岩石含水后力学特性会发生不同程度的损伤，如：Lajtai[1]研究得出花岗岩在饱水状态下单轴抗压强度降低5%；Colback[2]等通过研究得到石英岩饱和状态单轴抗压强度较干燥时降低约50%；Vasarhelyi[3]研究得出饱和石灰岩强度和弹性模量较干燥时降低约34%；路平等[4]研究发现地下水岩石的强度和弹模的弱化作用明显；陈钢林[5]研究花岗闪长岩的强度和弹性模量随含水率增加而快速衰减，而岩石在外荷载作用下的破坏失稳实质上是其内部裂纹发展延伸最后贯通的宏观反映，破坏后的断口微观形貌反应了破坏特征。郭军等[6]研究了煌斑岩遇水后微观结构的变化；李先炜等[7]研究了岩石在不同加载条件下的断口微观形貌；Horii[8]通过扫描电镜研究了在单轴压缩条件下，拉伸裂纹的发展演化趋势。

本文以花岗岩为研究对象，开展不同含水率花岗岩单轴压缩试验，对不同含水率花岗岩在单轴压缩条件下的力学特性进行总结，分析其损伤规律；选取代表性的碎片/破裂面开展扫描电镜试验，通过分析断口的微观形貌，揭示单轴压缩条件下不同含水率花岗岩力学特性损伤机制，获得了有益的结论。

2 花岗岩力学特性及破坏特征试验

2.1 岩样制备

岩样为黑云母二长花岗岩，中粗粒花岗结构，块状构造，节理裂隙一般不发育—稍发育，岩体较完整—完整，主要矿物成分为长石、石英、角闪石、黑云母等，其中石英含量20%～30%，长石含量50%～60%。以现场钻孔取芯的方法进行岩样采集，试样取回后加工成标准试样，肉眼观察剔除有缺陷的试件，选择均匀性好、纹理一致的试样，再经波速测试后最终选取波速接近且具有代表性的试样进行试验(图1)。

图1 加工完成后试样示意图

2.2 试验方案设计

含水率通过不同浸水时间控制，试验中不同含水条件花岗岩按照浸水6h、12h、24h、48h、72h、96h来获取，并考虑干燥及饱和两个工况。饱和试样为在水中煮沸6h获取，干燥试样为在烘箱中以110°烘干24h获取。

花岗岩浸水完成后开展单轴压缩试验，试验中采用力控制方式，试验机加载速率为2kN/s，试验数据的采集时间间隔为0.1s。每组试验至少3个试样，若个别试样在试验过程中发现不符合标准，则重新进行试验，记录试件应力—应变数据，对试样破坏时的现象进行详细描述。

3 试验结果分析

3.1 花岗岩力学性质损伤分析

由于水进入花岗岩内部后与矿物颗粒组分发生一系列物理化学反应而发生损伤劣化作用，为分析这种损伤的规律性，根据牛传星等[9]的研究成果，建立以单轴抗压强度和弹性模量进行量化的损伤演化规律，其计算式如下所示：

式中：Dσ为单轴抗压强度损伤率(%)；σco为干燥花岗岩单轴抗压强度(MPa)；σcn为含水花岗岩单轴抗压强度(MPa)；De为弹性模量损伤率(%)；Eco为干燥花岗岩弹性模量(GPa)；Ecn为含水花岗岩弹性模量(GPa)；根据试验结果，由公式(1)计算出该类花岗岩在不同含水率下的累积损伤率(表1)。

表1 花岗岩力学参数损伤率统计

统计结果显示，该类花岗岩在含水率为0.116%(浸水6h)时，单轴抗压强度损伤率为4.41%，弹性模量累计损伤率为1.20%，花岗岩单轴抗压强度的损伤要大于弹性模量的损伤；含水率为0.129%(浸水12h)时，花岗岩弹性模量的累计损伤率为2.70%，单轴抗压强度的累计损伤率为10.78%；当花岗岩含水率在0.167%(浸水24h)时，可以看出此时花岗岩单轴抗压强度累计损伤为18.12%，弹性模量损伤为5.26%；在花岗岩含水率在0.478%(浸水48h)时，该类花岗岩的单轴抗压强度的累计损伤相对弹性模量差异已经较为明显，当花岗岩试样接近饱和时，此时单轴抗压强度累计损伤为40.68%，弹性模量累计损伤为20.20%。损伤率计算结果表明在不同含水率下，花岗岩的单轴抗压强度累计损伤值均要大于弹性模累计损伤值。综上所述，可以认为水对花岗岩强度的影响较为显著。

此外，还可以看出随含水率逐渐增大花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量减小的趋势逐渐减弱，说明水对花岗岩力学特性的影响在浸水前期较为显著，随着浸水时间的增长该类花岗岩力学特性损伤逐渐趋于稳定发展。

3.2 花岗岩力学特性的损伤机理

为了探究水对花岗岩力学特性的损伤机理，对试验后的样品取较典型的破裂断口开展电镜扫描，获取微观形貌(图2)。

图2 花岗岩断口微观形貌特征

样品干燥状态下，断口处矿物集合体结构完整，矿物碎片较少，而水进入花岗岩内部后，断口处矿物集合体结构发生明显变化，体积发生膨胀，结构变松散，断口表面呈糊状且均发生了不同程度的层状剥离现象，破碎的矿物碎片分布在断口四周。分析认为水通过裂隙裂纹进入花岗岩内部后，加剧了原生微裂纹和新生成裂纹的复杂性和随机性，对节理裂隙面产生润滑作用，降低矿物颗粒间的黏结力，裂隙进一步扩展，结构遭到破坏。上述形貌特征是水对花岗岩劣化的力学、物理及化学作用的综合体现，使得花岗岩失去原有的结构特征。由上述分析可知，随着含水率增大，花岗岩力学特性的损伤愈加明显，水进入花岗岩后对花岗岩的长期抗压强度造成很大影响，严重威胁到工程岩体的稳定性。

4 结论

本文以花岗岩为研究对象，研究了单轴压缩条件下不同含水率花岗岩力学特性损伤规律，主要得出以下结论。

(1)花岗岩含水后的强度和弹性模量均出现不同程度的降低，其中，单轴抗压强度和弹性模量分别降低了40.68%和20.20%，在不同含水率下花岗岩的单轴抗压强度累计损伤值均要大于弹性模量累计损伤值，水对花岗岩强度的影响较为显著。随含水率逐渐增大花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量减小的趋势逐渐减弱，随着浸水时间的增长该类花岗岩力学特性损伤逐渐趋于稳定发展。

(2)水进入花岗岩内部后在断口微观形貌上主要表现为矿物集合体体积发生膨胀，结构变松散，断口表面呈糊状且均发生了不同程度的层状剥离现象，破碎的矿物碎片分布在断口四周。水对花岗岩力学特性的损伤机理为水进入花岗岩内部后加剧了原生微裂纹和新生成裂纹的复杂性和随机性，使得裂隙得以扩展，内部结构遭到破坏。

(3)本文研究成果表明，该类花岗岩的力学特性随含水率增大而表现为持续损伤，这对长时间处于水位升降条件下的工程岩体稳定性影响很大，研究成果对此类工程岩体稳定性评价提供了一个思路。此外，需要指出的是，本文仅研究了单轴压缩条件下不同含水率花岗岩的力学特性损伤机制，对于不同应力路径(三轴、拉伸)、不同影响因素(爆破、运营压力)下的损伤规律有待更深入的研究。