高溫花崗巖物理力學(xué)特性研究綜述★

翟宇星 李亞博 張恩華 彭志鵬 楊其要 賈 蓬

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

1 概述

眾所周知，溫度是影響巖石物理力學(xué)特性的重要因素之一。大量研究都表明，溫度變化會(huì)對(duì)花崗巖造成熱損傷，高溫?zé)釗p傷后巖石的力學(xué)性質(zhì)呈劣化現(xiàn)象。分析巖石靜動(dòng)態(tài)力學(xué)特性隨著溫度的變化規(guī)律，對(duì)于揭示巖石工程在極端工況下的變形破壞機(jī)制具有重要的工程意義和實(shí)用價(jià)值。自20世紀(jì)70年代，各國(guó)學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)上，取得了諸多成就。文獻(xiàn)[1]考察了溫度對(duì)材料韌性和脆性轉(zhuǎn)變的影響，得出韌脆轉(zhuǎn)變的臨界溫度隨加載率的增加而增加。Alshayea N A等[2]利用聲發(fā)射手段來(lái)研究加熱條件下巖石的劣化損傷，主要測(cè)量了20 ℃～50 ℃的花崗巖的斷裂韌性KIC。許錫昌等[3]研究了20 ℃～600 ℃的花崗巖在單軸壓縮狀態(tài)下的基本力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化情況，并發(fā)現(xiàn)75 ℃是花崗巖彈性模量的臨界溫度，而200 ℃是其單軸抗壓強(qiáng)度的門(mén)檻溫度。

然而，近年來(lái)，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問(wèn)題，在各類(lèi)深部地下巖石工程中，如深部礦山開(kāi)采、放射性核廢料深層地質(zhì)處置、干熱巖地?zé)崮荛_(kāi)采等，都涉及到200 ℃以上高溫巖石的研究。因此，有必要研究巖石在高溫作用下的物理力學(xué)特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前對(duì)高溫花崗巖的物理力學(xué)特性的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是實(shí)時(shí)高溫下花崗巖的物理力學(xué)特性的研究；二是高溫花崗巖在各種條件下冷卻后物理力學(xué)特性的研究。其中主要是在對(duì)高溫后花崗巖靜動(dòng)力學(xué)性能以及聲學(xué)性能、高溫下花崗巖各項(xiàng)性質(zhì)變化及結(jié)構(gòu)效應(yīng)、高溫花崗巖遇水冷卻后物理力學(xué)特性及細(xì)觀損傷、高溫花崗巖自然冷卻下力學(xué)特性及裂隙分布等方面的研究。本文重點(diǎn)對(duì)上述研究?jī)?nèi)容和高溫下花崗巖損傷劣化機(jī)制的研究成果的進(jìn)展做簡(jiǎn)要綜述。

2 不同工況下的高溫花崗巖研究

2.1 實(shí)時(shí)高溫下花崗巖力學(xué)特性研究

花崗巖是一種主要由石英、鉀長(zhǎng)石和酸性斜長(zhǎng)石等成分組成的復(fù)雜物質(zhì)，天然狀態(tài)即是具有微裂隙、微空洞的，常溫下為灰白色，非均勻的不連續(xù)體。隨著溫度升高，其脆性和體積均有所增大[4]。繼續(xù)加熱至高溫，花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)和整體模型的力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，改變的發(fā)生與其內(nèi)部首先破裂的顆粒的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而其內(nèi)部晶體顆粒的破裂順序則由花崗巖的非均勻性所決定[5]。近年來(lái)隨著干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)理念以及高放射性核廢料的底層深埋處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高溫環(huán)境下巖石的力學(xué)及損傷特性研究變得尤為重要。

2.1.1利用常規(guī)方法研究高溫花崗巖基本物理力學(xué)性質(zhì)

從1964 年起，Khitaror 和Lebedev 就開(kāi)始了對(duì)花崗巖熱物理特性的研究。此后，研究工作最主要在于高溫花崗巖基本物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)定(包括花崗巖的變形模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、粘度、熱膨脹系數(shù)等)[6]，而近些年，高溫花崗巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等方面的研究也逐漸走入人們視野。

Liu等[7]采用液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，分析了高溫花崗巖和高溫砂巖的物理力學(xué)特性，表明高溫對(duì)花崗巖的力學(xué)性能影響較砂巖更不明顯，600 ℃和800 ℃分別為砂巖和花崗巖脆塑性轉(zhuǎn)變的臨界溫度。Chaki等[8]分析了溫度變化對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，試驗(yàn)表明隨著溫度的升高，巖石的孔隙率和滲透性都逐漸增大。Alm等[9]介紹了對(duì)含有不同數(shù)量微裂紋的條狀花崗巖進(jìn)行的大量力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并得到了微裂紋密度的變化。黃彥華等[10]考察了高溫作用對(duì)含孔花崗巖拉伸力學(xué)特性的影響，探討了高溫作用下花崗巖裂隙演化特性。得到了花崗巖在高溫作用后體積、質(zhì)量和脆性的變化。

利用常規(guī)方法研究其物理力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)原理較為簡(jiǎn)便，研究手段也比較直接。通過(guò)此研究得出的不同條件下的花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)可以為之后的深入研究提供依據(jù)與參考。其實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)原理也可應(yīng)用于后續(xù)研究中。

2.1.2高溫花崗巖的聲學(xué)特性

花崗巖的某些物理力學(xué)特性可以通過(guò)超聲波試驗(yàn)中的超聲參數(shù)來(lái)間接反映。不同溫度或不同加熱次數(shù)下的巖石試樣會(huì)有不同程度的損傷。在超聲波試驗(yàn)中，試樣的不同的損傷程度會(huì)獲得不同的縱波波速，可利用縱波波速來(lái)分析其物理力學(xué)性能的變化趨勢(shì)[11]。支樂(lè)鵬等[12]對(duì)高溫作用下的花崗巖的力學(xué)性能和超聲波特性進(jìn)行了分析，測(cè)試了高溫后花崗巖的超聲波特性。孫強(qiáng)等[13]利用MTS伺服試驗(yàn)機(jī)和高溫爐進(jìn)行常溫至800 ℃花崗巖物理力學(xué)參數(shù)隨溫度變化特征試驗(yàn)，研究得到了在溫度變化下巖石強(qiáng)度和波速的變化，并發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度與波速的降低與礦物膨脹和熔融有關(guān)。杜守繼等[14]對(duì)經(jīng)歷不同高溫前后花崗巖試件縱波波速進(jìn)行測(cè)定，并據(jù)此計(jì)算出花崗巖的動(dòng)力彈性模量，研究了其變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)歷高溫作用后，動(dòng)力彈性模量比靜力彈性模量變化更加劇烈。李政陽(yáng)等[15]開(kāi)展了高溫花崗巖試樣的超聲波振動(dòng)損傷特性試驗(yàn)，得到了溫度對(duì)超聲波振動(dòng)損傷的影響，并且測(cè)定了超聲波振動(dòng)造成花崗巖孔隙度增幅時(shí)的門(mén)檻溫度。

作為與傳統(tǒng)分析手段有所區(qū)別的超聲波檢測(cè)手段，其優(yōu)點(diǎn)可以大致分析巖樣內(nèi)部的裂隙狀況，把內(nèi)部情況通過(guò)縱波波速的變化展現(xiàn)出來(lái)。

未來(lái)的研究可以把巖石聲波監(jiān)測(cè)儀與掃描電鏡相結(jié)合，更加精確地展現(xiàn)巖石內(nèi)部的情況。

2.2 高溫花崗巖在不同冷卻條件下性能劣化研究

關(guān)于高溫花崗巖冷卻之后性能劣化的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所研究的條件主要分為：

1)自然冷卻條件；

2)遇水冷卻條件；

3)其他冷卻條件。

近年來(lái)，也有學(xué)者集中研究高溫花崗巖遇水冷卻之后物理力學(xué)特性，但尚不多見(jiàn)。Shao等[16]研究了三種類(lèi)型的花崗巖在自然冷卻和遇水冷卻這兩種方式下力學(xué)性能的變化。王朋等比較了不同溫度的花崗巖在自然冷卻和遇水冷卻時(shí)物理力學(xué)性能的變化。綜上研究可得到，遇水冷卻和自然冷卻對(duì)高溫下花崗巖的物理力學(xué)性能的影響具有明顯的差異性。這是因?yàn)樵谝陨蟽煞N工況下，巖石內(nèi)部的損傷和裂隙的發(fā)展程度有所不同，而裂隙的大小、連貫性和分布特點(diǎn)會(huì)對(duì)巖石試樣的物理力學(xué)性能有明顯不同的影響。

崔翰博等[17]對(duì)自然冷卻和遇水冷卻后高溫花崗巖進(jìn)行單軸壓、拉和聲波測(cè)定試驗(yàn)。研究不同方式冷卻后花崗巖溫度與表觀形態(tài)、縱、橫波波速、彈性模量等物理力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系，同時(shí)考慮遇水冷卻后靜置過(guò)程對(duì)花崗巖力—聲性質(zhì)影響。解元等[18]通過(guò)對(duì)高溫遇水冷卻花崗巖與高溫自然冷卻花崗巖的物理性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，得到隨溫度升高，兩種情況下花崗巖的顏色變化、質(zhì)量降低率的變化和縱波波速與橫波波速的變化。高經(jīng)緯等[19]采用CT(Computed Tomograph Technique，計(jì)算機(jī)層析掃描技術(shù))觀察巖石內(nèi)部損傷裂隙的分布情況，并考察了冷卻方式的不同對(duì)高溫花崗巖內(nèi)部裂隙分布的影響。朱要亮等[20]對(duì)遇水冷卻后高溫花崗巖進(jìn)行核磁共振測(cè)試、波速測(cè)試、分離式霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)，和沖擊破碎試樣的掃描電鏡觀察，研究了不同狀態(tài)下花崗巖波速、孔隙度和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。

不同的冷卻方式對(duì)應(yīng)著不同的工況，而不同的工況中所需要重點(diǎn)關(guān)注的花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)也有所不同。例如，用于開(kāi)發(fā)地?zé)崮艿娜斯?chǔ)留層的井壁圍巖在受到高溫之后又遇水冷卻，而且還會(huì)由于上部圍巖的自重和內(nèi)部地應(yīng)力的存在而使井壁圍巖發(fā)生蠕變，因而容易發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)需要研究與其相對(duì)應(yīng)的支護(hù)方式來(lái)保證遇水冷卻之后圍巖的穩(wěn)定。所以上述實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和所得出的結(jié)論對(duì)實(shí)際工程中有很廣泛的應(yīng)用。

2.3 高溫和其他條件作用下花崗巖的物理力學(xué)性能研究

埋深大的花崗巖所處地下條件復(fù)雜，不單單是溫度、水這些簡(jiǎn)單的因素。而且僅僅研究這些因素，也不能給地?zé)衢_(kāi)采工程以足夠的理論支持。國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)高溫花崗巖進(jìn)行了其他條件下的特性研究，諸如高應(yīng)力，靜水壓力，蒸汽作用等。

趙金昌等[21]研究高溫高壓狀態(tài)下花崗巖的切削破碎規(guī)律，得到高圍壓狀態(tài)下花崗巖的可切削性、單位破巖能耗較常溫下的變化情況。還得出“鉆壓需超過(guò)一定的值，才能在高溫下對(duì)花崗巖產(chǎn)生良好的切削效果”的結(jié)論。王建美等[22]選取了廣義開(kāi)爾文模型來(lái)反映高溫靜水壓力下花崗巖蠕變參數(shù)，通過(guò)拉普拉斯變換及逆變換，詳細(xì)推演出了鉆孔徑向位移解析解，并且考慮溫度應(yīng)力的耦合效應(yīng)，給出了模型參數(shù)隨溫度及靜水應(yīng)力變化的關(guān)系，利用該關(guān)系進(jìn)行擬合計(jì)算。張學(xué)堯等[23]采用對(duì)流加熱原位開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)和真三軸壓力機(jī)，研究了不均勻地應(yīng)力狀態(tài)下注蒸汽花崗巖熱破裂的損傷破裂規(guī)律，并得到花崗巖脆性破裂的臨界溫度和裂縫產(chǎn)生規(guī)律。

高溫花崗巖當(dāng)前的研究主要集中在不同冷卻條件下的性能劣化方面。但實(shí)際工況中，花崗巖所面臨的外部環(huán)境復(fù)雜而多變，因此，上述高應(yīng)力、靜水壓力和蒸汽作用的情況也有必要納入研究的范疇。

3 高溫花崗巖失穩(wěn)機(jī)理

花崗巖在受熱后，由于熱應(yīng)力的作用，使得其內(nèi)部微細(xì)觀晶體顆粒結(jié)構(gòu)不斷變化、裂縫缺陷發(fā)生劣化，微觀損傷隨溫度繼續(xù)升高而繼續(xù)發(fā)展、貫通，直至破壞。因此，從微細(xì)觀尺度出發(fā)來(lái)分析花崗巖內(nèi)部損傷狀況，對(duì)于研究其宏觀破壞形式具有很大的價(jià)值[5]。在自然狀態(tài)下，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原巖應(yīng)力分布處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，高溫條件下，巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生多種物理變化和化學(xué)變化，如水分蒸發(fā)、礦物熱膨脹、晶體相變和礦物組分轉(zhuǎn)變[24]。而且溫度升高還會(huì)引起彈塑性變形，這其中塑性變形是無(wú)法恢復(fù)的，因此降溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力[25]?；◢弾r內(nèi)部物理化學(xué)變化和熱應(yīng)力便會(huì)使其內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，而孔隙率的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)花崗巖性能造成損傷。

而高溫巖樣在受到單軸壓縮時(shí)，不斷從外界吸收與釋放能量，與此同時(shí)，其內(nèi)部細(xì)微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變，因而導(dǎo)致花崗巖的熱力學(xué)狀態(tài)更加不平衡，內(nèi)部細(xì)微裂紋擴(kuò)展成為宏觀裂紋。

4 結(jié)論

高溫花崗巖的研究主要分為實(shí)時(shí)高溫下各項(xiàng)性能的研究、不同冷卻條件下性能劣化研究、高溫和其他條件作用下物理力學(xué)性能研究。近年來(lái)，利用超聲波技術(shù)研究高溫花崗巖聲學(xué)力學(xué)特性逐漸興起，研究成果頗多；

花崗巖在高溫作用下，內(nèi)部會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，降溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，因而造成花崗巖內(nèi)部孔隙率的變化，內(nèi)部造成損傷。在受到單軸壓縮之后，內(nèi)部孔隙更加繁雜，導(dǎo)致花崗巖的熱力學(xué)狀態(tài)更加不平衡，花崗巖由此發(fā)生更加劇烈失穩(wěn)現(xiàn)象。

盡管對(duì)于高溫花崗巖的研究自20世紀(jì)60年代便有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注，但由于實(shí)驗(yàn)儀器和科技水平的限制，一直局限于單一條件下測(cè)定其某些物理力學(xué)性質(zhì)。在實(shí)際巖石工程中，對(duì)巖石產(chǎn)生劣化的因素，諸如水巖力學(xué)作用、物理和化學(xué)作用等，并非單一出現(xiàn)，而是同時(shí)或者相間隔、兩個(gè)或者多個(gè)一起作用于巖體，多個(gè)因素相互影響，其產(chǎn)生的效應(yīng)互相促進(jìn)。因此，多場(chǎng)耦合作用是目前必須要關(guān)注到的研究方向。

由于近年來(lái)清潔能源——地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)和應(yīng)用，花崗巖遇水之后各項(xiàng)性質(zhì)的研究也逐漸引起重視，這也必將成為將來(lái)研究的重點(diǎn)和方向。

此外，花崗巖本身的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其物理力學(xué)性能的影響機(jī)理并未十分清楚與完備，如何定量表征花崗巖細(xì)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其各項(xiàng)特性的影響，是亟待進(jìn)行研究的問(wèn)題。