溫度作用下巖石力學(xué)行為研究的現(xiàn)狀

張傳虎 徐小麗，2 張 燕 王小平

(1.南通大學(xué)建筑工程學(xué)院，南通226019;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州221008)

1 引言

人類工程建設(shè)已經(jīng)無法滿足于地表或者淺基礎(chǔ)，包括能源的開采也已隨著淺層資源的逐漸減少甚至枯竭而不斷增大開采深度，隨之而來的一系列工程災(zāi)害如巖爆、瓦斯爆炸、巖頂坍塌也日益嚴(yán)重。另外，隨著核能源的發(fā)展，核電站越來越多，其在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的核廢料的處理問題日益嚴(yán)峻。目前，國內(nèi)外對核廢料的處理主要采用深層地質(zhì)處理的方法，采用此種方法處理核廢料的過程中，由于核廢料衰變產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致儲存庫圍巖溫度不斷升高，要解決核廢料的安全與穩(wěn)定問題，就必須對溫度作用下巖石的物理力學(xué)性能進(jìn)行研究。本文主要從溫度作用下巖石的物理特性、力學(xué)特性、損傷以及本構(gòu)理論等方面進(jìn)行闡述。

2 溫度作用下巖石物理特性的研究現(xiàn)狀

2.1 溫度對巖石熱導(dǎo)率的影響

巖石熱導(dǎo)率表示巖石導(dǎo)熱能力的大小，即沿?zé)崃鱾鬟f的方向單位長度(L)上溫度(θ)降低一度時，單位時間(T)內(nèi)通過單位面積(S)的熱量(Q)。隨著全球新能源開發(fā)的不斷深入，地?zé)嶙鳛橐环N清潔的可再生能源，已逐漸成為全球很多國家的選擇，為更好地對地?zé)徇M(jìn)行開發(fā)和利用，巖石熱導(dǎo)率的研究勢在必行。趙永信等人[1-8]指出巖石的熱能傳輸基本依靠晶格震動，隨著溫度的升高，晶格振動幅度增大，造成更大的非諧震蕩減小了熱波的平均自由路程，巖石的熱導(dǎo)率由此降低，研究成果如表1和圖1所示。

表1 溫度與巖石熱導(dǎo)率K(W/m.k)的關(guān)系

由表1和圖1可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論一致，即巖石熱導(dǎo)率隨溫度升高而逐漸降低。但是，我們還發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也有一定的起伏，這可能是由其他因素如巖石的結(jié)構(gòu)、形成條件、含水率等因素的影響有關(guān)，各方面因素對巖石熱導(dǎo)率的影響以及各因素之間的相互影響還有待進(jìn)一步研究。

圖1 溫度與巖石熱導(dǎo)率的關(guān)系

熱導(dǎo)率作為巖石最重要的熱物性參數(shù)，對煤、石油、地?zé)岬鹊叵沦Y源的開發(fā)與利用有著非常重要的研究價值。影響巖石熱導(dǎo)率的因素很多，除本文談到的溫度之外，還包括巖石的組分、結(jié)構(gòu)緊密度、孔隙填充度等?，F(xiàn)有的巖石熱導(dǎo)率的研究還不足以滿足人類地下工程建設(shè)及地下資源開發(fā)的要求，還有很多工作等待著國內(nèi)外學(xué)者去完成。

2.2 溫度對巖石彈性波速的影響

溫度對巖石彈性波速的研究，至今已有半個多世紀(jì)的時間了，越來越多的學(xué)者參與其中。劉斌等人[9-10]重點(diǎn)研究了巖石波速各向異性及其與溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)巖石的波速各向異性隨著溫度的升高而增加，同時他們也提出，這個結(jié)論并不是絕對的，通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，對于不同的巖石，波速各向異性所受溫度的影響有所不同，這還與巖石的組構(gòu)和礦物成分及其含量有關(guān)。

此外，劉永祥等人[11]1997年研究了橄欖石、斜長石和花崗巖在高溫高壓下的波速特征，并制作了壓力-溫度-速度等值線圖，得出了巖石波速與這三者的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巖石波速不僅受到溫度和壓力的影響，不同大地構(gòu)造環(huán)境對巖石波速的影響也很明顯。馬麥寧等人[12]2002年在對青藏高原地殼巖石彈性波速特征的研究時，通過對六種不同地殼巖石進(jìn)行高溫高壓縱波波速測量時也發(fā)現(xiàn)，在壓力相同時，絕大多數(shù)的地殼巖石的縱波波速隨著溫度的升高而降低，而不同的巖石波速降低的速率也快慢不同。

幾十年來，我國在高溫高壓實(shí)驗(yàn)波速研究領(lǐng)域經(jīng)歷了從無到有，迅速發(fā)展的過程，取得了可喜的成績，然而，一直以來在此領(lǐng)域的研究大多局限于巖石縱波，不僅如此，在實(shí)驗(yàn)的溫壓條件以及儀器設(shè)備精密度等方面與國外相比仍存在較大差距。

3 溫度對巖石力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀

影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素很多，包括溫度、圍壓、孔隙、含水率等等。如今，隨著高溫環(huán)境下的巖石工程問題的突出，溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)影響的研究成為研究的重要方向。

3.1 高溫作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律

以劉泉聲，許錫昌為代表的國內(nèi)學(xué)者[13-17]近年來研究并總結(jié)了溫度作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，其中，以巖石彈性模量，單軸抗壓強(qiáng)度及泊松比隨溫度變化的研究最為突出。研究成果如表2、表3，圖2～4所示。

由表2、圖2和圖3可見，花崗巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化規(guī)律相似，溫度從室溫(25℃)升高到100℃的過程中，抗壓強(qiáng)度由191.90MPa降至110.10MPa，彈性模量也由 38.37GPa 降至 10.95GPa，分別有42.6%和71.5%的降幅，變化非常明顯。隨著溫度繼續(xù)升高，抗壓強(qiáng)度和彈性模量連續(xù)變化，大體呈降低趨勢。

自研究溫度對巖石泊松比的影響問題至今，不同學(xué)者也有不同觀點(diǎn)，大致有兩種傾向，一是認(rèn)為巖石泊松比與溫度無關(guān)，另一種則認(rèn)為巖石泊松比與溫度有關(guān)，泊松比隨溫度升高而減小。然而，由表3和圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，花崗巖泊松比隨著溫度的升高，雖然會出現(xiàn)上下波動，但總體還是呈現(xiàn)增大趨勢，這可能與巖石微觀裂隙[18]有關(guān)，由于巖石裂隙發(fā)育程度越高泊松比越大，而裂隙發(fā)育程度又隨著溫度的升高而增強(qiáng)，從而間接影響到巖石的泊松比。

表2 實(shí)時高溫作用下花崗巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

圖2 溫度與花崗巖抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 溫度與花崗巖彈性模量的關(guān)系

表3 不同溫度下泊松比

圖4 溫度與花崗巖泊松比的關(guān)系

對于溫度對巖石泊松比的影響，多年來，研究結(jié)果存在較大分歧，究竟是由什么原因造成此種現(xiàn)象的發(fā)生，還沒有一個具有足夠說服力的結(jié)論，但是，通過對巖石力學(xué)研究方法和結(jié)論的對比和總結(jié)，我們可以發(fā)現(xiàn)，無論是研究溫度、圍壓還是其他外部因素對巖石物理力學(xué)特性的影響，都會涉及到這些因素對巖石微觀組構(gòu)影響的研究，這也許可以為巖石泊松比的研究提供一定的思路。

3.2 高溫作用后巖石力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律

吳剛等[19-21]研究了高溫下及高溫后大理巖的力學(xué)性質(zhì)，得出結(jié)論:高溫下的大理巖的峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變高于高溫后，而彈性模量低于高溫后。研究成果如圖5～7所示。

圖5 溫度與大理巖峰值應(yīng)力的關(guān)系

邢愛國等人[22]在對焦作砂巖在常溫及經(jīng)歷100℃-1200℃溫度作用后的力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是發(fā)現(xiàn)，溫度低于400℃時，砂巖的力學(xué)性能變化不大，隨著溫度的升高，砂巖的某些力學(xué)性能會有一定的增強(qiáng);一旦溫度超過400℃，砂巖的力學(xué)性能就會隨著溫度的升高而發(fā)生劣化，如圖8所示。不僅如此，經(jīng)歷高溫后，砂巖的表觀形態(tài)也會發(fā)生變化，如表4所示。

圖6 溫度與大理巖彈性模量的關(guān)系

圖7 溫度與大理巖峰值應(yīng)變的關(guān)系

圖8 溫度與砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

高峰等人[14，23]在進(jìn)行溫度對花崗巖影響的研究時，也進(jìn)行了高溫前和高溫后巖石力學(xué)性質(zhì)的不同表現(xiàn)展開了討論，通過利用日本理學(xué)D/Max 3B型X射線和晶體學(xué)理論對高溫后巖石的物相特征進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高溫處理后的巖石，結(jié)晶狀態(tài)變差，結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得出了巖石組份改變以及結(jié)晶態(tài)相變是導(dǎo)致高溫下巖石力學(xué)性質(zhì)突變的重要原因的結(jié)論。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的觀測手段與高溫高壓實(shí)驗(yàn)相結(jié)合已經(jīng)成為巖石力學(xué)研究的主要趨勢，也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際工程中的應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。就目前情況而言，雖然我國高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了較好的發(fā)展，也有了較高的發(fā)展平臺，但是，在實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面較之國際水平還有很大差距，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難得到國外的認(rèn)可。

表4 經(jīng)歷不同溫度后焦作砂巖的表現(xiàn)形態(tài)

4 巖石損傷理論及本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀

自從巖石形成以來，歷經(jīng)漫長的地質(zhì)歷史變遷，經(jīng)受了數(shù)次構(gòu)造運(yùn)動，造就了巖石的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特性的復(fù)雜性，巖石損傷理論的研究著眼于巖石內(nèi)部存在的缺陷，力求尋找這些缺陷的形成、發(fā)展及回合的過程，進(jìn)而解決因?yàn)檫@些缺陷給人類工程帶來的各種問題。劉石等人[24]通過單軸試驗(yàn)的方法，研究了以大理石為代表的巖石經(jīng)歷不同溫度(25-1000℃)后的損傷特性隨溫度的變化規(guī)律，并引入損傷因子D的概念，用以描述溫度對巖石內(nèi)部損傷特性的影響。

其中:VPT表示大理巖試樣經(jīng)過溫度T作用后的縱波的波速，VP表示大理巖25℃時縱波的波速。

巖石損傷的描述以及演化規(guī)律，主要是通過損傷變量進(jìn)行體現(xiàn)，而損傷的力學(xué)行為則需通過損傷變量和本構(gòu)方程來表現(xiàn)。1993年，何文生等人[25]根據(jù)巖石材料破壞特性，首次提出采用兩個損傷變量來描述各向同性材料的損傷變化規(guī)律，這比用單個損傷變量描述更符合實(shí)際，并提出用內(nèi)時標(biāo)度衡量損傷變量變化規(guī)律關(guān)鏈;曹文貴等人[26]在2006年1月針對前人幾何損傷統(tǒng)計(jì)理論的不足，對巖石損傷定義進(jìn)行了該進(jìn)并建立了反映不同圍壓條件下的巖石損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型。2011年，徐燕萍等人[27]提出宏觀的損傷變量和塑性變形是同時出現(xiàn)的假設(shè)，在只引入塑性變形的屈服準(zhǔn)則而不引入損傷準(zhǔn)則的情況下也推導(dǎo)出了處于塑性損傷狀態(tài)下的熱力耦合本構(gòu)方程;高瑋等人[28]于2011年采用最小耗能原理，以應(yīng)變等效原理為前提，提出一種從能量角度進(jìn)行描述的巖石損傷演變模型。

很多年以來，不少學(xué)者都做了這方面的實(shí)驗(yàn)與研究，并建立了相應(yīng)的本構(gòu)方程。

5 結(jié)語

如今，國內(nèi)外學(xué)者對巖石的研究已經(jīng)越來越深入，但是溫度對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響的研究仍處于不成熟階段，很多巖石工程問題尚未從理論或?qū)嶒?yàn)上得到真正解決，還需更多的研究來推進(jìn)巖石力學(xué)的發(fā)展。

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