在三轴压缩作用下，花岗岩的应力特性、能量演化以及峰前脆性都受约束条件的影响

《Scientific Reports》：Confinement-dependent characteristic stresses, energy evolution and pre-peak brittleness of granite under triaxial compression

　　

摘要

了解花岗岩在压力作用下的开裂现象及其能量演变对于评估复杂原位应力条件下深部隧道围岩的稳定性至关重要。本研究在对花岗岩试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验时，施加了0、5、10、15和20 MPa的围压，以研究其力学行为、特征应力、能量分配以及峰值前的能量储存状态的变化。采用裂纹体积应变方法确定了裂纹闭合应力、裂纹起始应力、裂纹损伤应力及峰值应力；同时，基于阶段理论的能量分析框架用于量化总输入能量、弹性应变能、耗散能量、能量比以及在不同特征应力状态下的能量储存型脆性指标。研究结果表明，围压显著增强了花岗岩的强度和变形能力。随着围压从0 MPa增加到20 MPa，峰值应力从82.95 MPa上升至293.62 MPa，弹性模量从40.83 GPa增加到56.13 GPa，峰值应变从0.2001%增加到0.6122%。裂纹闭合应力、裂纹起始应力及裂纹损伤应力也同步增加，在20 MPa围压下分别达到88.02 MPa、147.27 MPa和209.77 MPa。尽管绝对特征应力明显依赖于压力，但在三轴压缩作用下标准化应力比相对稳定，裂纹起始发生在峰值强度的大约一半处，裂纹损伤发生在峰值强度的70–75%左右。能量演变过程具有明显的阶段性特征：裂纹起始后能量耗散变得更为显著，并在裂纹损伤阈值之后加速。围压的增大改变了总输入能量、弹性能量和耗散能量的绝对值，并在接近峰值破坏阶段时显著改变了它们的相对分配。能量储存型脆性指标在施加围压后通常会下降，表明在特征应力状态下可恢复储存的总输入能量比例减小；然而，在高围压条件下，该指标的敏感性更强。区间依赖性敏感性分析进一步表明，响应受初始围压水平和裂纹发展阶段的共同影响。在15–20 MPa区间内，特征应力及绝对能量分量的敏感性系数最大；而峰值阶段的能量分配及相关的能量储存指标在高围压条件下表现出最强的响应。这些发现表明，围压显著提高了裂纹发展所需的应力和能量阈值，同时大体上保持了裂纹发展阶段的正常顺序。所提出的基于阶段的分析框架为评估深部地下工程中花岗岩的破坏倾向及围岩稳定性提供了定量依据。