熱循環(huán)作用下大理巖力學(xué)特性試驗研究

吳 琦，蒙世仟，蔣買勇，榮 冠

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2. 武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點實驗室，武漢 430072；3. 廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計研究院，南寧 530023；4. 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410131)

0 引 言

隨著人們開發(fā)利用地下空間的程度[1]越來越大以及破裂學(xué)、摩擦學(xué)和流變學(xué)幾個學(xué)科的不斷發(fā)展[2]，高溫高壓巖石力學(xué)順理成章成了巖石力學(xué)研究的新課題。由于巖石具有不均勻性、復(fù)雜性和巖石-流體相互作用的特點，所以高溫高壓作用后的巖石力學(xué)特性與常溫狀態(tài)下差距較大，因此開展高溫高壓條件下巖體力學(xué)特性試驗研究對于大型水利水電工程、地?zé)峁こ淌欠浅Ｓ斜匾摹?/p>

目前，國內(nèi)外學(xué)者在圍繞溫度、圍壓作用下的巖石物理及力學(xué)性質(zhì)變化開展了大量的理論研究、實驗室研究及現(xiàn)場試驗研究。徐小麗等[3]利用美國MTS公司研發(fā)的試驗系統(tǒng)不同溫度下的花崗巖進(jìn)行了不同圍壓作用下的三軸壓縮實驗，研究了在圍壓及溫度這兩個不同自變量下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。李道偉等[4]對大理巖巖樣在不同溫度下進(jìn)行了單軸試驗，發(fā)現(xiàn)在高溫作用后的大理巖物理及力學(xué)特性顯著劣化。吳剛等[5]對取自徐州的大理巖巖樣自常溫至800 ℃設(shè)置溫度梯度進(jìn)行了物理及力學(xué)性質(zhì)試驗研究，對產(chǎn)生的力學(xué)特性曲線隨溫度的變化情況進(jìn)行了細(xì)致分析，并對設(shè)置的不同溫度梯度下巖樣的細(xì)觀特征進(jìn)行了初步研究。在此基礎(chǔ)上，陳國飛等[6]分析了經(jīng)歷800 ℃熱損傷后的大理巖巖樣物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化規(guī)律，同時利用聲發(fā)射儀對熱損傷后的大理巖破裂演化規(guī)律進(jìn)行了探究。汪然等[7]采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行了3種不同溫度處理后的大理巖三軸試驗及經(jīng)歷了熱循環(huán)的大理巖的單軸壓縮試驗，深入分析了大理巖在不同溫度熱循環(huán)作用下的力學(xué)特性變化趨勢。金濟(jì)山[8]深入探究了不同大小圍壓作用下的大理巖力學(xué)性質(zhì)的差異。侯迪等[9]研究了不同高溫處理后的粗粒大理巖試樣在40 MPa圍壓范圍內(nèi)的常規(guī)三軸壓縮試驗，分析了高溫處理和圍壓共同作用下大理巖的強度與變形特征。隨著研究的不斷深入，學(xué)者們也開始考慮到熱循環(huán)作用對巖石力學(xué)損傷的影響，倪驍慧等[10]采用巖石單軸壓縮試驗分別對經(jīng)歷4種不同高溫和3種不同循環(huán)次數(shù)后的大理巖試樣力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。曾嚴(yán)謹(jǐn)?shù)萚11]對不同圍壓下經(jīng)歷了不同熱循環(huán)次數(shù)的大理巖巖樣進(jìn)行了裂紋擴展的細(xì)觀研究。由此，本文認(rèn)為進(jìn)行大理巖巖樣的宏觀力學(xué)特性試驗研究是非常有必要的且十分有現(xiàn)實意義的。

本文通過開展不同圍壓作用下及不同熱循環(huán)次數(shù)處理后的大理巖三軸壓縮試驗，分析了大理巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變曲線、三軸抗壓強度、三軸峰值應(yīng)變、彈性模量等與圍壓及溫度的關(guān)系。研究結(jié)果對地下空間的開發(fā)及工程安全穩(wěn)定有著非常重要的意義。

1 試驗設(shè)計

1.1 巖樣基本物理指標(biāo)

試驗所用大理巖取自河南省商丘市，呈乳白色，表現(xiàn)為細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，均質(zhì)性好。各礦物顆粒粒徑范圍為0.2～0.5 mm，屬白云石大理巖，試樣如圖1所示。經(jīng)衍射分析顯示，白云石大理巖主要礦物成分為白云石、方解石及少量鈉長石，各組分含量見表1。巖樣的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 大理巖礦物組分含量表Tab.1 Marble mineral component content

表2 大理巖試樣物理力學(xué)參數(shù)表Tab.2 Physical and mechanical parameters of marble samples

圖1 大理巖標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.1 Marble standard samples

1.2 試驗設(shè)備

本試驗的試驗設(shè)備包括TAW-3000型三軸伺服多場耦合試驗系統(tǒng)、SX2-10-12型高溫箱式電阻爐等。

圖2 TAW-3000型三軸伺服多場耦合試驗系統(tǒng)Fig.2 TAW-3000 rock three-axis servo multi-field coupling test system

圖3 SX-2-10-12型高溫箱式電阻爐Fig.3 SX-2-10-12 high temperature box type resistance furnace

1.3 試驗方案

將本次試驗巖樣放置于SX2-10-12箱式電阻爐中按10 ℃/min的速率加熱至400 ℃，保持爐箱恒溫4 h使試樣完全受熱，隨后打開爐箱使其自然冷卻至室溫，這個循環(huán)過程稱為一次熱循環(huán)。本次試驗設(shè)置的熱循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次、2次、4次、8次，每種循環(huán)次數(shù)為1組，每組3個試樣。三軸壓縮試驗在TAW-3000型巖石三軸伺服多場耦合試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，按照0.25 MPa/s的速率同步施加軸壓和圍壓至圍壓預(yù)設(shè)值，再以0.075 mm/min速率加載，直至巖樣破壞后停止試驗。試驗設(shè)置0、5、10、15、20、25、30 MPa共7個圍壓等級。

2 試驗結(jié)果分析

表3列出了經(jīng)歷不同熱循環(huán)次數(shù)的巖樣的基本物理力學(xué)參數(shù)平均值，挑選了較為完好的巖樣試件，盡可能排除偶然性的干擾，所得結(jié)果具有較高可信度。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨熱循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖4為大理巖巖樣在不同大小圍壓作用下經(jīng)歷不同熱循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(包括圍壓為0 MPa時的情況)。

由圖4可知，對于應(yīng)力-應(yīng)變曲線來說，在圍壓一定時，經(jīng)歷不同熱循環(huán)次數(shù)的巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢大體上是相似的，基本上都經(jīng)歷了壓密階段、彈性工作階段、塑性性狀階段、破壞階段這四個階段。壓密階段：因巖樣本就存在的細(xì)微裂隙受壓閉合，于是這一階段應(yīng)變隨著應(yīng)力呈現(xiàn)非線性增加且增加速率較應(yīng)力快，在圖形上表現(xiàn)為稍微向上彎曲；彈性工作階段：在這一階段，巖樣表現(xiàn)出明顯的彈性，應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為一段斜率為其彈性模量的直線；塑性形狀階段：這一階段曲線斜率相對彈性工作階段開始下降，在圖形上表現(xiàn)為逐漸向下彎曲直至到達(dá)峰值強度點，這主要是因為巖樣內(nèi)開始形成大量細(xì)微裂隙并有貫通趨勢；破壞階段：這一階段軸向應(yīng)力開始下降，由于塑性形狀階段產(chǎn)生的大量細(xì)微裂隙發(fā)生貫通形成裂紋，根據(jù)格里菲斯理論，每種尺寸的裂紋對應(yīng)著一個強度，作用在這個裂紋上的外應(yīng)力超過其對應(yīng)的強度值時，這個裂紋就會擴展，最終導(dǎo)致材料失去承載能力被破壞。

熱循環(huán)作用對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要來自于3個方面：首先高溫循環(huán)使得巖樣中的結(jié)合水與結(jié)晶水析出，隨著溫度升高，原有的孔隙中水分蒸發(fā)到巖體外，這個過程導(dǎo)致巖石中孔隙變長、變大；其次在高溫作用下，巖石礦物中組分發(fā)生變化，產(chǎn)生新型礦物后將導(dǎo)致巖石孔隙增加；最后一種影響是因為本試驗大理巖巖樣中白云石、方解石和鈉長石受熱后膨脹程度不同，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，巖石內(nèi)部微裂紋顯著發(fā)育或產(chǎn)生新裂紋形成了連通網(wǎng)格，于是巖石孔隙率明顯增大。

同時圍壓作用對大理巖強度與變形性質(zhì)影響亦十分顯著，其主要原因是巖石內(nèi)大部分原本存在的微裂紋在圍壓作用下已被擠壓閉合，這就導(dǎo)致隨著圍壓逐漸上升的過程中，峰值強度、峰值應(yīng)變及彈性模量均有增大趨勢。

表3 不同熱循環(huán)次數(shù)巖樣的基本物理力學(xué)參數(shù)表Tab.3 Table of basic physical and mechanical parameters of rock samples with different thermal cycles

圖4 熱循環(huán)作用后的大理巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of marble after thermal cycling

2.2 強度與變形參數(shù)隨熱循環(huán)次數(shù)及圍壓大小變化規(guī)律

(1)峰值強度。對常溫下和經(jīng)歷不同熱循環(huán)次數(shù)的大理巖巖樣進(jìn)行了三軸壓縮試驗，得到的峰值強度(σP)與熱循環(huán)次數(shù)及圍壓數(shù)值關(guān)系如圖5和圖6所示。由圖可知，在同一圍壓下，大理巖峰值強度隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而呈現(xiàn)減小趨勢；而在熱循環(huán)次數(shù)相同時，大理巖峰值強度隨圍壓的升高而增大。在設(shè)置了6種不同熱循環(huán)次數(shù)的情況下，大理巖巖樣(不考慮圍壓)在經(jīng)歷了4種不同熱循環(huán)次數(shù)后的三軸抗壓峰值強度平均值分別是未經(jīng)歷熱循環(huán)作用的72.60%(1次熱循環(huán))、64.08%(2次熱循環(huán))、57.88%(4次熱循環(huán))、45.56%(8次熱循環(huán))?？梢钥闯觯诮?jīng)歷了熱循環(huán)作用后，大理巖巖樣的峰值抗壓強度隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸降低。這也表明了在相同條件下，如果溫度升高，雖然巖石質(zhì)點間的分子間作用力不變，但因為巖石質(zhì)點間的凝聚力減弱及能量起伏作用下熱運動能量大于激活能的少數(shù)巖石晶體質(zhì)點脫離了平衡位置，形成了熱缺陷，導(dǎo)致巖石峰值強度顯著降低。

圖5 不同圍壓下巖樣峰值強度隨熱循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig.5 The variation of peak intensity of rock sample with thermal cycle times under different confining pressures

圖6 不同熱循環(huán)次數(shù)下巖樣峰值強度隨圍壓大小變化規(guī)律Fig.6 The variation of peak intensity of rock sample with confining pressure under different thermal cycles

從圖5中可以看出4次熱循環(huán)為峰值強度變化的臨界次數(shù)，峰值強度在第4次循環(huán)后的下降幅度有明顯的減緩趨勢，說明了4次熱循環(huán)后巖石已經(jīng)受到較大不可恢復(fù)性熱損傷。這導(dǎo)致此后雖然熱循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，但是峰值強度下降幅度并沒有4次熱循環(huán)前顯著。

另外，在設(shè)置了6種不同圍壓的情況下，大理巖巖樣的三軸抗壓峰值強度平均值(不考慮熱循環(huán)次數(shù))分別是無圍壓時的169.89%(5 MPa圍壓)、242.12%(10 MPa圍壓)、302.80%(15 MPa圍壓)、331.11%(20 MPa圍壓)、371.89%(25 MPa圍壓)、381.64%(30 MPa圍壓)。可以看出，在設(shè)置了圍壓后，大理巖的峰值強度相對單軸抗壓強度有明顯的增高。但隨著圍壓逐漸增大，巖樣峰值強度的增大趨勢也慢慢減緩。這從熱力學(xué)的角度來說，表明了在相同條件下，如果圍壓升高，則巖石質(zhì)點間的分子間作用力增大，即巖石質(zhì)點間凝聚力增強，高圍壓的巖石晶體發(fā)生斷裂所需的能量增加，所以巖石的峰值強度顯著增加。

(2)彈性模量。巖石的彈性模量(E)一般用來表征巖石的變形性質(zhì)，此次試驗彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)與圍壓變化規(guī)律如圖7和圖8所示。由圖可知，大理巖彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而呈現(xiàn)減小趨勢，而在熱循環(huán)次數(shù)相同時，大理巖彈性模量隨圍壓數(shù)值的上升而增大。

圖7 不同圍壓下巖樣彈性模量隨熱循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig.7 The variation law of elastic modulus of rock sample with different confining pressures

圖8 不同熱循環(huán)次數(shù)下巖樣彈性模量隨圍壓大小變化規(guī)律Fig.8 The variation law of elastic modulus of rock sample with confining pressure under different thermal cycles

大理巖巖樣(不考慮圍壓)在經(jīng)歷了4種不同次數(shù)熱循環(huán)后的彈性模量平均值分別是未經(jīng)歷熱循環(huán)作用的60.89%(1次熱循環(huán))、33.13%(2次熱循環(huán))、27.60%(4次熱循環(huán))、18.31%(8次熱循環(huán))?？梢钥闯?，在經(jīng)歷了熱循環(huán)作用后，大理巖巖樣的彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多而降低。這是因為大理巖經(jīng)過多次熱循環(huán)作用后，其脆性性質(zhì)減弱，延性性質(zhì)增強，使得巖樣的彈性模量產(chǎn)生下降趨勢。

由圖亦可以看出4次熱循環(huán)為彈性模量變化的臨界次數(shù)，在4次熱循環(huán)前彈性模量降幅較大，而在4次熱循環(huán)后，彈性模量-循環(huán)次數(shù)曲線的斜率趨近于0。

在設(shè)置了6種不同圍壓的情況下，大理巖巖樣的彈性模量平均值(不考慮熱循環(huán)次數(shù))分別是無圍壓時的118.59%(5 MPa圍壓)、164.25%(10 MPa圍壓)、175.26%(15 MPa圍壓)、266.54%(20 MPa圍壓)、198.51%(25 MPa圍壓)、216.15%(30 MPa圍壓)?？梢钥闯觯谠O(shè)置了圍壓后，大理巖巖樣的彈性模量相對無圍壓時有明顯的升高，但隨著圍壓逐漸增大，巖樣峰值強度的增大趨勢也慢慢減緩。原因是在圍壓較低時，大理巖內(nèi)部的微裂紋細(xì)長且稀疏，而且此時大理巖表現(xiàn)為脆性，所以晶粒出現(xiàn)的位錯少[8]。

(3)峰值應(yīng)變。試驗中得到的峰值應(yīng)變(εP)與熱循環(huán)次數(shù)及圍壓大小關(guān)系如圖9和圖10所示。由圖可知，大理巖峰值應(yīng)變隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而呈現(xiàn)增大趨勢；而在熱循環(huán)次數(shù)相同時，大理巖峰值應(yīng)變隨圍壓的升高而增大。大理巖巖樣(不考慮圍壓)在經(jīng)歷了4種不同次數(shù)熱循環(huán)后的三軸峰值應(yīng)變平均值分別是未經(jīng)歷熱循環(huán)作用的141.70%(1次熱循環(huán))、161.64%(2次熱循環(huán))、169.46%(4次熱循環(huán))、220.66%(8次熱循環(huán))。可以看出，在經(jīng)歷了熱循環(huán)作用后，大理巖巖樣的峰值應(yīng)變隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸增加，此時峰值應(yīng)變增加原因分析為：因為高溫使得巖石中的水分受熱汽化為水蒸氣從孔隙中溢出，于是巖石的熱損傷加劇，巖石晶體間的膠結(jié)作用減弱，故晶體更容易發(fā)生相對位移及滑動，這使得巖石中的孔隙增大，從而表現(xiàn)為應(yīng)變增大。圖中沒有明顯峰值應(yīng)變變化的熱循環(huán)臨界次數(shù)。

圖9 不同圍壓下巖樣峰值應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig.9 The variation of peak strain of rock sample with the number of thermal cycles under different confining pressures

圖10 不同熱循環(huán)次數(shù)下巖樣峰值應(yīng)變隨圍壓大小變化規(guī)律Fig.10 The variation of peak strain of rock sample with confining pressure under different thermal cycles

另外，在設(shè)置了6種不同圍壓的情況下，大理巖巖樣的三軸峰值應(yīng)變平均值(不考慮熱循環(huán)次數(shù))分別是無圍壓時的152.69%(5 MPa圍壓)、182.69%(10 MPa圍壓)、202.69%(15 MPa圍壓)、232.37%(20 MPa圍壓)、244.07%(25 MPa圍壓)、249.61%(30 MPa圍壓)。可以看出，設(shè)置了圍壓后，大理巖巖樣的峰值應(yīng)變相對未設(shè)置圍壓時有了明顯的增高，但隨著圍壓增大到一定程度，巖樣峰值應(yīng)變的增大趨勢也慢慢減緩。這里峰值應(yīng)變增大的原因分析為：圍壓改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)，隨著圍壓增大，巖石塑性增大，所以破壞前變形加大，于是應(yīng)變增大。

3 結(jié) 論

本文對經(jīng)歷了不同圍壓下經(jīng)歷了不同熱循環(huán)次數(shù)的大理巖巖樣開展了三軸壓縮試驗，得到的主要結(jié)論如下：①在相同次數(shù)熱循環(huán)作用下，大理巖巖樣的峰值強度、峰值應(yīng)變和彈性模量均隨圍壓增大而增大。②在相同圍壓作用下，大理巖三軸壓縮試驗峰值應(yīng)變隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而增大，而峰值強度與彈性模量均隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而呈現(xiàn)下降趨勢。 ③在設(shè)置圍壓的情況下，巖石內(nèi)大部分原本存在的微裂紋在圍壓作用下被擠壓閉合，導(dǎo)致在圍壓逐漸上升的過程中，巖樣的力學(xué)性質(zhì)顯著改善。④大理巖巖樣內(nèi)不同礦物受熱后膨脹程度不同，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，且?guī)r石內(nèi)部微裂紋顯著發(fā)育或產(chǎn)生新裂紋形成了連通網(wǎng)格，于是巖樣延性增強，力學(xué)性質(zhì)劣化。

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