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(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(gòu)成大陸上部地殼的基礎(chǔ)，花崗巖的形成過程通常與大陸的構(gòu)造作用、變質(zhì)作用和成礦作用密切相關(guān)?；◢弾r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(qū))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(guī)模大、質(zhì)地均一、產(chǎn)狀穩(wěn)定、滲透性低等優(yōu)點，備受重大型工程的青睞，許多涉及國家安全與社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、資源性工程，都將花崗巖地區(qū)作為建設(shè)的首選地。

目前，國內(nèi)外相關(guān)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(shù)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(yīng)力參數(shù)、破壞損傷模式以及裂隙擴展規(guī)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(yīng)下花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)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(huán)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(guān)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?；诖?，本文在國內(nèi)外專家學者的研究基礎(chǔ)上，設(shè)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(qū)域深基礎(chǔ)重大工程建設(shè)的設(shè)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(xiàn)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(jù)《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(shè)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(cè)向壓力和軸向壓力至預(yù)定的側(cè)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(cè)向壓力始終保持為常數(shù)；

②加載采用一次連續(xù)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(jié)果及分析

3.1 強度特性

3.1.1試驗參數(shù)

巖石的三軸壓縮試驗參數(shù)主要有偏應(yīng)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(yīng)力峰值、壓縮模量及泊松比試驗結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(shù)據(jù)繪制兩組花崗巖的應(yīng)力莫爾圓，如圖1、圖2所示。

圖1 中風化組花崗巖應(yīng)力莫爾圓

圖2 微風化組花崗巖應(yīng)力莫爾圓

根據(jù)莫爾應(yīng)力圓獲得兩組花崗巖抗剪強度參數(shù)黏聚力C 和內(nèi)摩擦角φ，如表3所示。

黏聚力和內(nèi)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(nèi) 摩 擦 角φ 為50.07°；微風化組花崗巖的黏聚力C 為13.84MPa，內(nèi)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(nèi)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗結(jié)果繪制出兩組花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 中風化組花崗巖應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)前期曲線較緩的階段，該階段試樣內(nèi)部原有裂隙開始閉合，對應(yīng)的軸向應(yīng)變較大，應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變較小。第三階段為裂紋穩(wěn)定擴展階段，此時應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始變緩，軸向應(yīng)變顯著增大。第四階段為裂紋非穩(wěn)定擴展階段，即破壞階段，此時偏應(yīng)力達到峰值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)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(yīng)力峰值均顯著提高，且圍壓越高，偏應(yīng)力峰值越大。兩組巖石的軸向應(yīng)變均在0.5%左右，其中中風化組的軸向應(yīng)變整體較微風化組高。

圖4 微風化組花崗巖應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(fā)展的結(jié)果，反映出巖石的強度較高。但中風化組中，試樣破壞時產(chǎn)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(nèi)部微裂隙較多；微風化組風化程度較低，試樣內(nèi)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(qū)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(jié)論

本文設(shè)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(jié)論如下。

①微風化組花崗巖的偏應(yīng)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(nèi)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(wěn)定擴展階段、裂紋非穩(wěn)定擴展階段（破壞階段）。隨著圍壓的增加，兩組巖石的偏應(yīng)力峰值均顯著提高，且圍壓越高，偏應(yīng)力峰值越大。兩組巖石的軸向應(yīng)變均在0.5%左右，其中中風化組的軸向應(yīng)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(qū)別，即中風化組為脆性剪切破壞，微風化組為脆性劈裂破壞。