高溫作用后花崗巖單軸壓縮下變形破壞特征研究*

吳 云 李曉昭 黃 震 許文濤 鄧龍傳 劉茂爭

(①南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023，中國) (②江西理工大學(xué)資源環(huán)境與工程學(xué)院， 贛州 341000，中國) (③江蘇長江地質(zhì)勘查院， 南京 210046，中國)

0 引 言

高溫會導(dǎo)致巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，例如強(qiáng)度、質(zhì)量損失率、波速等等，例如，深部采礦工程，水電工程引水隧道，核廢料深埋地質(zhì)處置工程等，隨著深度的增加，溫度也在上升，如何解決深部巖石工程的“高溫”問題，對巖石力學(xué)工作者提出了巨大的挑戰(zhàn)(錢七虎等， 2008)。隨著經(jīng)濟(jì)和人口的迅速發(fā)展，地面資源日益緊張，向地球深部進(jìn)軍已然成為目前獲取資源的最主要手段之一(孫鈞， 2019)。巖石是自然界經(jīng)歷漫長的地質(zhì)年代而形成的產(chǎn)物，是一種復(fù)雜的地質(zhì)材料，其內(nèi)部含有裂紋、孔隙等原始缺陷(張艷博等， 2020)。巖石破壞是內(nèi)部缺陷在外部環(huán)境作用下長期累計的過程。

聲發(fā)射作為一種無損檢測技術(shù)，主要通過巖石或材料在發(fā)生變形或破壞時釋放彈性波，從而被儀器接收。近年來，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用聲發(fā)射檢測技術(shù)對高溫作用后的巖石破壞規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，取得了可觀的成果。吳剛等(2007)對砂巖在100～1200 ℃溫度作用后的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并對砂巖的高溫破壞機(jī)制進(jìn)行了探究，結(jié)果表明：溫度導(dǎo)致巖石內(nèi)部的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)變化以及熱應(yīng)力是導(dǎo)致巖石發(fā)生變形破壞的原因。翟松韜等(2013)研究了花崗巖在20～800 ℃單軸壓縮下的聲發(fā)射特征，對加載過程中的振鈴計數(shù)率及聲發(fā)射特征參量隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。劉?？h等(2009)建立了聲發(fā)射參數(shù)與煤巖力學(xué)破壞機(jī)制關(guān)系，分析煤巖在受載過程中的損傷演化規(guī)律。李安強(qiáng)等(2016)開展花崗巖單軸壓縮全過程聲發(fā)射定位試驗(yàn)，研究了巖石破裂過程中聲發(fā)射時空演化特征、能量釋放規(guī)律。李浩然等(2014)采用聲波、聲發(fā)射一體化監(jiān)測裝置研究了單軸加載及循環(huán)荷載作用下花崗巖波速和聲發(fā)射變化規(guī)律。Chen et al. (2017)對不同溫度作用后的北山花崗巖熱損傷和滲透特性進(jìn)行研究，得出了花崗巖的溫度閾值，討論了聲發(fā)射參數(shù)和滲透率之間的關(guān)系。Kong et al. (2016)對高溫處理后的砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并給出了砂巖在溫度和應(yīng)力作用下的損傷耦合方程。Ge et al. (2018)對冷熱循環(huán)處理后的花崗巖聲發(fā)射特征進(jìn)行研究。李元輝等(2009)開展單軸聲發(fā)射試驗(yàn)，對巖石破壞過程中的聲發(fā)射b值和分形維數(shù)D進(jìn)行分析，結(jié)果表明，分形維數(shù)D和b值反映了巖石破壞過程中微裂紋的初始和擴(kuò)展，可以作為巖體失穩(wěn)破壞的前兆特征參數(shù)。王林均等(2019)結(jié)合累積聲發(fā)射計數(shù)、累積聲發(fā)射能量、AF值、RA值、b值，詳細(xì)地研究了單軸壓縮下花崗巖和砂巖的聲發(fā)射特征。王德詠等(2011)研究了石灰?guī)r在100～800 ℃高溫壓縮破壞條件下的聲發(fā)射過程，對不同溫度作用下石灰?guī)r的力學(xué)性質(zhì)和聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行分析。趙建軍等(2019)研究了不同應(yīng)力路徑下的英安巖聲發(fā)射b值特征，并探索了b值在巖石破壞前兆方面的變化規(guī)律。林冠宇等(2018)開展了循環(huán)荷載下花崗巖破壞過程研究。Sirdesai et al. (2018)對不同溫度和應(yīng)變下的砂巖變形破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出了砂巖的閾值溫度。Ranjith et al. (2012)對25～950 ℃范圍內(nèi)的砂巖開展了單軸壓縮試驗(yàn)，當(dāng)溫度低于500 ℃時，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度高于500 ℃時，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的升高而減小。Ghasem et al. (2019)對不同礦物成分的花崗巖裂隙演化規(guī)律進(jìn)行研究，通過聲發(fā)射確定了巖石的損傷應(yīng)力閾值，同時分析了巖石在不同的加載時期，內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。

從以上的研究來看，大多數(shù)學(xué)者采用的試樣為花崗巖、砂巖以及煤巖，開展的試驗(yàn)條件不同，分析的方法和參數(shù)也各有千秋。本文通過開展高溫作用后花崗巖單軸試驗(yàn)，采用聲發(fā)射檢測巖石變形破壞過程，分析應(yīng)力、波速及聲發(fā)射特征參數(shù)隨溫度變化規(guī)律，以期為深部巖石工程高溫作用后變形破壞規(guī)律提供參考。

1 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)所用的花崗巖取自山東省臨沂市，將試樣加工成直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別編號為G1-1～G5-2，加熱溫度為常溫(25 ℃)， 200 ℃， 350 ℃， 500 ℃， 650 ℃共5個溫度段，每個溫度段為一組，每組2塊試樣(圖 1)。從圖 1可以看出，花崗巖加熱前后顏色變化較小。試樣的密度范圍為2.54～2.65g·cm-3，平均密度為2.61g·cm-3，縱波波速范圍為2763.56～2857.55 m·s-1，平均波速為2731.75 m·s-1，試樣的均一性較好。

圖 1 加熱后的花崗巖試樣Fig. 1 The granite sample after high temperature

1.2 試驗(yàn)方法

分別將制備好的巖樣放至馬弗爐(TNX1400，最高加熱溫度為1400 ℃，平均每分鐘升高8 ℃·min-1)中加熱，當(dāng)溫度達(dá)到恒定值后，為了保證巖樣的穩(wěn)定性，在爐內(nèi)恒溫2 h，自然冷卻至室溫。本次試驗(yàn)加載設(shè)備采用的是TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)(圖2)，該試驗(yàn)機(jī)可提供的最大試驗(yàn)力為2000 kN，試驗(yàn)采用位移控制方式，速率為0.005 mm·min-1。為了監(jiān)測巖樣在加載過程中的破壞過程，采用德國Vallen公司生產(chǎn)的AMSY-6型聲發(fā)射檢測儀，聲發(fā)射探頭粘貼在試樣表面，探頭與試樣之間涂抹耦合劑，增大其接觸，為了消除環(huán)境噪音的影響，門檻值設(shè)為40 dB，前置放大器設(shè)置為35 dB。加載過程中實(shí)時采集波形、參數(shù)等信息。

圖 2 TAW-2000三軸試驗(yàn)機(jī)及聲發(fā)射測試系統(tǒng)Fig. 2 TAW-2000 triaxial testing machine and acoustic emission testing system

圖 3 高溫后花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系Fig. 3 Relationship between uniaxial compressive strength and temperature of granite after high temperature

圖 4 高溫后花崗巖縱波波速與溫度關(guān)系Fig. 4 The relationship between P-wave velocity and temperature of granite after high temperature

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫作用后單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2 高溫作用后縱波波速變化規(guī)律

圖 5 不同溫度作用后聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力隨時間變化曲線Fig. 5 The curve of AE parameters and stress with time under different temperaturea. 25℃； b. 200℃； c. 350℃； d. 500℃； e. 650℃

2.3 高溫作用后聲發(fā)射參數(shù)特征

花崗巖試樣在單軸壓縮下會發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的聲信號，進(jìn)而被聲發(fā)射檢測儀采集，本文通過聲發(fā)射檢測儀采集的振鈴計數(shù)對不同溫度作用后的花崗巖在單軸壓縮下的變形破壞過程進(jìn)行分析。

圖 6 不同溫度作用后花崗巖破壞形態(tài)Fig. 6 Failure modes of granite under different temperatures

各個溫度下的花崗巖在單軸加載下的聲發(fā)射變化規(guī)律大致相似，根據(jù)圖 5可以看出，在加載的初期階段，可以觀察到振鈴計數(shù)較少，這一階段可以被稱作平靜期。這有可能是環(huán)境噪音及試樣內(nèi)部天然微孔隙閉合所致，此階段的試樣可以被看作一個彈性體。隨著繼續(xù)加載，試樣內(nèi)部的裂隙在應(yīng)力的作用下，進(jìn)一步地擴(kuò)大，振鈴計數(shù)開始增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時，振鈴計數(shù)急劇增大，此時試樣內(nèi)部的裂隙貫通成核，形成裂隙區(qū)，試樣破壞失去強(qiáng)度，聲發(fā)射活動停止。

以花崗巖在650 ℃作用后加載為例，從圖5中可以看出，相比于25～500 ℃，在加載初期，振鈴計數(shù)更多，這是因?yàn)楦邷刂率够◢弾r內(nèi)部發(fā)生一定程度的損傷，在溫度的作用下，形成了新的裂紋； 當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)加載，試樣進(jìn)入彈性變形階段，此階段聲發(fā)射活動較少，在應(yīng)力的作用下，內(nèi)部的微裂隙進(jìn)一步閉合及壓密。當(dāng)試樣進(jìn)入屈服階段，聲發(fā)射活動變得劇烈，振鈴計數(shù)開始增加，達(dá)到峰值應(yīng)力時，振鈴計數(shù)也達(dá)到峰值。隨后，試樣內(nèi)部裂隙相互貫通，形成長大裂隙，由于裂隙區(qū)域發(fā)展不穩(wěn)定，導(dǎo)致此時還仍有少數(shù)的聲發(fā)射活動。

3 討 論

3.1 加載后宏觀破壞形態(tài)

3.2 溫度對抗壓強(qiáng)度的影響

由圖 3可知，隨著溫度的升高，花崗巖的強(qiáng)度整體上呈下降的趨勢，當(dāng)溫度超過500 ℃以后，花崗巖強(qiáng)度下降趨勢較大，降幅為41%，此時的承載能力較差。巖石的損傷與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分息息相關(guān)Ghasem et al. (2019)。孫強(qiáng)等(2013)研究指出巖石在常溫至100 ℃、100～300 ℃及300～500 ℃3個階段的溫度范圍分別對應(yīng)內(nèi)附著水、結(jié)合水及結(jié)構(gòu)水，不同狀態(tài)水分的喪失，會對巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形成不同的改變，所造成的缺陷也不同。此外，根據(jù)席道瑛(1994)和何愛林等(2018)所發(fā)表的文獻(xiàn)可知，花崗巖中通常含有大量的石英，石英在特定的溫度下會發(fā)生同質(zhì)異晶相變，從而引起巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。石英在573 ℃左右由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，隨著相變進(jìn)行，巖樣體積增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生改變，巖樣內(nèi)部微裂紋突增，導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度降低，因此，得知花崗巖在500～600 ℃范圍內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)會有顯著變化，這可以從圖 6宏觀破壞形態(tài)看出，破壞面較破碎，巖樣損傷程度較大， 500 ℃以后，巖樣的強(qiáng)度開始顯著下降。

4 結(jié) 論

本文通過對高溫作用后的花崗巖在單軸壓縮下的變形破壞試驗(yàn)研究，得出的主要結(jié)論如下：

(1)高溫作用后的花崗巖試樣的物理力學(xué)性質(zhì)都發(fā)生變化，最大強(qiáng)度、縱波波速下降，且溫度超過500 ℃時，下降幅度達(dá)到最大。

(2)花崗巖在加載過程中始終伴隨聲發(fā)射信號，并且與應(yīng)力-時間曲線對應(yīng)較好，溫度越高，聲發(fā)射活動越強(qiáng)，表明花崗巖試樣內(nèi)部的裂紋越多，損傷越嚴(yán)重。

(3)花崗巖巖樣在25～350 ℃之間主要以劈裂為主的脆性破壞， 500 ℃后，主要以剪切破壞為主，并且高溫致使花崗巖試樣內(nèi)部出現(xiàn)較大的裂紋，當(dāng)試樣內(nèi)部裂紋貫通后，花崗巖試樣發(fā)生整體破壞。