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水-岩耦合下花岗岩力学特性的多维度试验与机制解析

一、引言

1.1研究背景与意义

花岗岩作为一种分布广泛且具有重要工程应用价值的岩石，在各类工程领域中扮演着举足轻重的角色。在建筑结构中，花岗岩常被用于基础工程，其高强度和良好的耐久性能够为建筑物提供稳定的支撑，确保高层建筑在长期使用过程中抵御各种荷载的作用。在道路和桥梁工程中，花岗岩因其优异的抗压强度和耐磨性，被广泛应用于道路铺设和桥梁的基础及桥面建设，能够承受车辆和行人的长期荷载，保障交通基础设施的安全运行。在水利工程方面，花岗岩作为大坝、堤岸等结构的建筑材料，需要具备良好的抗渗性和力学稳定性，以抵御水压力和水流冲刷等作用。

然而，在实际工程环境中，花岗岩不可避免地会受到水的作用，水-岩耦合作用对花岗岩力学特性的影响不容忽视。众多岩体工程灾害统计数据表明，超过90%的岩质边坡失稳、60%的矿井事故以及30%-40%的水电工程大坝失事均与水的作用密切相关。在沿海花岗岩地区，受台风暴雨等亚热带季风气候影响，降雨或地下水对花岗岩工程的稳定性产生了显著威胁，导致滑坡、坍塌等地质灾害频发。在一些地下工程中，地下水的存在会使花岗岩的力学性质发生改变，增加工程施工和运营的风险。因此，深入研究水-岩耦合作用下花岗岩的力学特性，对于准确评估工程岩体的稳定性，保障工程的安全与稳定具有重要的现实意义。它能够为工程设计提供更为准确的参数依据，优化工程方案，有效预防和减少因水-岩相互作用引发的工程事故，降低工程建设和运营成本，推动工程建设的可持续发展。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对水-岩耦合作用下花岗岩力学特性开展了大量研究。在实验研究方面，一些学者通过单轴压缩、三轴压缩等实验，探究了不同含水率条件下花岗岩的强度、变形特性以及破坏模式。曹洋兵等开展了不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验，结果表明，随着含水率增大，花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量降低，变形破坏过程中的微裂隙压密阶段长度增加，稳定破裂阶段及非稳定破裂阶段长度缩短，破坏机制呈现出从以压致拉张破坏为主向以剪破坏为主的转变趋势。朱泽奇等研究了花岗岩起裂应力、起裂角和围压的关系，并建立了裂纹的起裂准则，为分析水-岩耦合作用下花岗岩的裂纹扩展提供了一定的理论基础。

在数值模拟方面，学者们利用有限元、离散元等方法对水-岩耦合过程进行模拟分析。通过建立合理的数值模型，能够模拟花岗岩在水-岩耦合作用下的应力、应变分布以及裂纹扩展过程，从而深入研究其力学行为的内在机制。有研究采用有限元软件模拟了花岗岩在不同水压条件下的力学响应，分析了孔隙水压力对花岗岩变形和破坏的影响规律。

尽管已有研究取得了一定成果，但仍存在一些不足与空白。部分研究仅考虑了单一因素（如含水率）对花岗岩力学特性的影响，而实际工程中，水-岩耦合作用往往受到多种因素的综合影响，如温度、应力状态、岩石微观结构等，对这些多因素耦合作用的研究相对较少。在研究方法上，实验研究与数值模拟之间的结合还不够紧密，实验结果对数值模型的验证和优化作用有待进一步加强，数值模拟结果的准确性和可靠性也需要更多的实验数据来验证。此外，对于水-岩耦合作用下花岗岩的长期力学性能和劣化机制的研究还不够深入，难以满足长期服役工程的需求。

1.3研究内容与方法

本试验研究的具体内容主要包括以下几个方面：首先，开展不同含水状态下花岗岩的基本物理力学试验，测定其密度、孔隙率、吸水率等物理参数，以及单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学参数，分析含水状态对这些参数的影响规律。其次，进行不同应力条件下的三轴压缩试验，研究水-岩耦合作用下花岗岩在不同围压、轴压条件下的力学特性，包括强度特性、变形特性以及破坏模式等，探讨应力状态和水的耦合效应对花岗岩力学行为的影响。此外，还将对花岗岩进行微观结构分析，利用扫描电子显微镜（SEM）等技术观察不同含水状态和应力条件下花岗岩内部微观结构的变化，如孔隙、裂隙的发育情况，矿物颗粒的分布和接触关系等，从微观角度揭示水-岩耦合作用下花岗岩力学特性变化的内在机制。

在研究方法上，拟采用实验研究与数值模拟相结合的方式。实验研究方面，选用合适的实验设备，如电液伺服万能试验机、三轴压力室等，严格按照相关标准和规范进行试件制备和实验操作，确保实验数据的准确性和可靠性。同时，利用声发射监测系统、应变片等设备同步监测实验过程中花岗岩的声发射信号和应变变化，获取更多关于岩石变形破坏过程的信息。数值模拟方面，基于有限元或离散元方法，选用合适的数值模拟软件（如ANSYS、FLAC3D等），建立水-岩耦合作用下花岗岩的数值模型。通过输入实验测定的物理力学参数，模拟不同工况下花岗岩的力学响应，并将模拟结果与实验结果进行对比分析，验证数值模型的