熱損傷粗?；◢弾r強(qiáng)度與變形破裂特性試驗(yàn)研究

閔明，張強(qiáng)，郭強(qiáng)，蔣斌松

(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北武漢，430074；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州，221116；3.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東臨沂，276000)

對于核廢料處置庫建設(shè)、地?zé)崮芾煤偷叵旅簹饣裙こ?，研究高溫條件下巖石的力學(xué)行為具有極其重要的意義。受高溫作用，巖石會發(fā)生體積膨脹、化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部損傷，在各種效應(yīng)作用下巖石表現(xiàn)的物理力學(xué)行為與常溫下有明顯的不同[1]。隨著淺部資源枯竭，礦產(chǎn)資源的開采不斷向深部發(fā)展[2]，深度增加致使圍巖承受的應(yīng)力水平也不斷增加，而高應(yīng)力對巖石的承載力學(xué)性能和破裂破壞特性具有顯著影響[3]。因此，研究溫度和圍壓對巖石力學(xué)行為的影響對于深部地下工程圍巖穩(wěn)定和資源安全高效開采至關(guān)重要。

近年來，針對高溫巖石的物理力學(xué)特征，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[4-7]，花崗巖作為一種典型的巖漿巖，具有高強(qiáng)度、致密的優(yōu)點(diǎn)，成為核廢料處置較為理想的地質(zhì)環(huán)境[8-16]。但高溫作用會使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱破裂、高溫相變等物理化學(xué)變化，從而顯著影響巖石的物理性質(zhì)。SUN等[8]研究了花崗巖在25～800 ℃下的宏觀物理性質(zhì)的熱破裂特征，指出400～600 ℃為其力學(xué)性能加劇劣化的熱損傷臨界值；GAUTAM 等[9]研究了花崗巖的物理性質(zhì)隨溫度的變化，發(fā)現(xiàn)300 ℃為力學(xué)性能階段性變化的閥值溫度；GLOVER 等[10]通過熱破裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱處理溫度超過573 ℃時，石英會由α相向β相轉(zhuǎn)變。另外，溫度作用會引起巖石內(nèi)部裂紋變化，不同程度地影響巖石的宏觀力學(xué)參數(shù)。DING等[11-12]通過常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究了高溫處理后花崗巖力學(xué)性質(zhì)受溫度和圍壓的影響規(guī)律；YIN等[13]對比研究了花崗巖在實(shí)時高溫下和熱處理后強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量隨溫度的變化規(guī)律；李二兵等[14]開展不同圍壓條件下?lián)p傷花崗巖的三軸壓縮試驗(yàn)，分析了巖石的強(qiáng)度演化特征和裂紋擴(kuò)展特性。上述研究結(jié)果均表明巖石的力學(xué)性能受溫度作用表現(xiàn)出明顯的階段性變化特征。SHAO[15]等發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)溫度升高，巖石的峰值強(qiáng)度和彈性模量在200 ℃處逐漸降低；趙陽升等[16]研究了花崗巖在高溫高壓三軸下的滲透率和聲發(fā)射隨溫度的變化，揭示了在常溫到600 ℃區(qū)間，其熱破裂存在一個門檻值。上述物理特征和宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化可以間接地反映出巖石受溫度影響的程度。同時，眾多學(xué)者結(jié)合聲發(fā)射特征，探討了巖石的宏觀破裂形態(tài)和裂紋發(fā)育過程[17-21]，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)可以很好地捕獲巖石內(nèi)部裂隙的萌生與擴(kuò)展信息，可直觀反映巖石的損傷差異。

盡管國內(nèi)外學(xué)者在巖石熱損傷和圍壓效應(yīng)研究中獲得了大量成果，但溫度和圍壓共同作用下的巖石力學(xué)行為更復(fù)雜，這也是深部地?zé)崮芎偷V產(chǎn)資源開采過程中需密切關(guān)注的問題。為此，本文開展熱損傷粗?；◢弾r三軸壓縮試驗(yàn)，研究高溫處理后粗粒花崗巖的宏觀物理特性，分析熱處理溫度、圍壓對粗?；◢弾r強(qiáng)度變形參數(shù)、破壞形態(tài)和聲發(fā)射特征的影響規(guī)律，以便為相關(guān)地下工程圍巖穩(wěn)定評價和巖石致裂控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所采用的粗?；◢弾r來自甘肅省玉門地區(qū)，現(xiàn)場采集的巖塊長×寬×高約為400 mm×300 mm×200 mm，巖塊質(zhì)地均勻，無明顯裂隙和缺陷。按照《國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗(yàn)規(guī)程》加工成直徑×高度為50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件。用聲波波速測試儀篩選出波速相近的且無明顯裂隙的完整巖樣，合格巖樣數(shù)目不少于75 個，標(biāo)準(zhǔn)巖樣均在自然狀態(tài)下干燥15 d后進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。高溫處理前對編號后的巖樣進(jìn)行初始物理參數(shù)測定：粗?；◢弾r試樣質(zhì)量為(523.38±2.08) g，試樣體積為(195.35±1.59) cm3，天然密度為(2.68±0.03) g/cm3，縱波波速為4.30±0.02 km/s。

采用MXQ1700型箱式氛圍爐對篩選后的巖樣進(jìn)行高溫?zé)崽幚?。設(shè)計(jì)溫度分別為25，200，400，600和800 ℃，控溫精度為±5 ℃。將合格的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，按照高溫處理溫度(25～800 ℃)分為5組，每組15 個巖樣。為了避免溫度驟升對巖石造成破壞，以5 ℃/min 的升溫速率將巖樣加溫至設(shè)置溫度后，恒溫2 h，保證巖樣內(nèi)外受熱均勻，關(guān)閉電源后使試樣在關(guān)閉爐門的狀態(tài)下自然冷卻至室溫[22]。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)步驟

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)采用美國MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行，環(huán)向引伸計(jì)安裝于巖石中部，以測量巖樣的環(huán)向變形，為防止聲發(fā)射探頭因?yàn)閹r樣變形過大脫落，將其安裝于底座位置。

每個溫度下進(jìn)行5 個圍壓(0，50，10，15 和25 MPa)的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，每個圍壓不少于3 個試樣。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)處理好的巖樣進(jìn)行編號整理，并測量巖樣的質(zhì)量、尺寸和波速。

2)將標(biāo)準(zhǔn)巖樣安裝于壓力室中，軸向先施加1 kN 的力以避免巖樣移動，隨后以0.3 MPa/s 的加載速率加圍壓至預(yù)定值，待圍壓穩(wěn)定后，再進(jìn)行軸向加載；在初始加載階段，采用軸向力控制，加載速率為1.5 kN/s，當(dāng)荷載達(dá)到峰值強(qiáng)度的70%～80%時轉(zhuǎn)換為軸向位移控制，以0.002 mm/s的速率加載至破壞，并進(jìn)入殘余穩(wěn)定狀態(tài)。

3)開始時，同步觸發(fā)PCI-2聲發(fā)射監(jiān)測，聲發(fā)射門檻值設(shè)為38 dB，采樣頻率為1 MHz。

2 熱損傷花崗巖物理力學(xué)參數(shù)變化

2.1 物理性質(zhì)

高溫處理后花崗巖最直觀的是巖樣顏色的改變(圖1所示)：常溫下花崗巖呈黑灰色，略帶金屬光澤；200 ℃后略顯紅色形態(tài)；400 ℃以后巖樣開始逐漸發(fā)黃，出現(xiàn)黃白色，漸漸失去金屬光澤，巖石觸碰后的響聲越來越脆亮；800 ℃高溫后花崗巖明顯呈現(xiàn)白色性狀，黑色斑紋越來越明顯。

圖1 熱處理后北山花崗巖巖樣形態(tài)Fig.1 Surface morphology of Beishan granite samples after thermal treatment

根據(jù)常溫下和高溫處理后花崗巖試樣的物理參數(shù)測定結(jié)果，繪制了各物理參數(shù)平均值隨溫度的變化曲線(圖2)，其中ΔXp/Xp表示相應(yīng)溫度下物理參數(shù)相對常溫巖樣的變化率。

高溫處理后花崗巖的波速、質(zhì)量和密度隨溫度升高呈階段性下降的趨勢，而體積隨溫度升高逐漸增大；縱波波速可以反映巖石微裂紋的發(fā)育狀況，200 ℃時巖石縱波波速較常溫增加了0.26%(圖2(a))，這主要是因?yàn)闊釕?yīng)力造成的礦物顆粒膨脹及少量水分散失，導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂紋閉合；超過200 ℃時，縱波波速近似呈線性減小，高溫作用帶來的礦物顆粒不協(xié)調(diào)膨脹會使巖石的微裂紋劇烈萌生，導(dǎo)致從200 ℃到600 ℃，巖樣的波速下降了60.53%。

粗?；◢弾r質(zhì)量隨溫度升高逐漸減小(圖2(b))，從200～800 ℃，不同溫度處理的試樣相對常溫的質(zhì)量變化率為-0.12%(200 ℃)，-0.15%(400 ℃)，-0.24%(600 ℃)，-0.30%(800 ℃)，導(dǎo)致巖石質(zhì)量變化的主要因素是巖石內(nèi)部不同形態(tài)水(自由水、吸附水和結(jié)晶水)在熱處理過程中逸出[23]。

400 ℃前花崗巖體積變化微弱，試樣體積較常溫僅增加了0.6%。在400 ℃后，試樣的體積變化加劇，600 ℃時體積增加了2.75%(圖2(c))，這主要是因?yàn)樵?73 ℃時石英的α 相逐漸向β 相轉(zhuǎn)變，石英的相變導(dǎo)致體積膨脹明顯，大量晶間裂紋萌生[8]。

隨著熱處理溫度升高，由于試樣質(zhì)量不斷減小，體積不斷增加，導(dǎo)致粗粒花崗巖巖樣的密度較常溫逐漸減小。在400 ℃時，密度略有下降(小于1%)，但在400 ℃后，密度下降明顯，800 ℃時巖樣密度較常溫下降了4.4%(圖2(d))。

圖2 熱處理粗?；◢弾r物理性質(zhì)隨溫度的變化Fig.2 Physical properties versus temperature of thermally treated coarse-granite samples

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變特征

根據(jù)上述三軸壓縮試驗(yàn)方法，獲得了75個粗?；◢弾r巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。熱處理溫度分別為25，400和800 ℃時巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，其中，σ1為軸向應(yīng)力，ε1為軸向應(yīng)變，ε3為環(huán)向應(yīng)變。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同溫度和圍壓下花崗巖的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷了微裂紋壓密、彈性變形、屈服破壞、峰后應(yīng)變軟化和殘余等階段。屈服破壞前，巖石的初始環(huán)向變形較小，巖石屈服破壞后，環(huán)向變形快速增長，表現(xiàn)出顯著的塑性流動現(xiàn)象。溫度可以改變巖石的微觀形態(tài)，對巖石壓縮過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)影響明顯。當(dāng)熱處理溫度為25～400 ℃時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的脆性跌落趨勢；當(dāng)熱處理溫度為400～800 ℃時，峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線跌落趨勢逐漸減小，巖樣從脆性破壞逐漸向塑性變形過渡，峰后軟化變形特征隨著溫度升高越來越顯著。此外，圍壓會提高巖石承載能力，隨著圍壓升高，巖石峰后軟化階段變長，塑性特征增強(qiáng)，殘余明顯。對于微裂紋壓密階段，同一圍壓下巖石的初始壓密階段隨著溫度升高而經(jīng)歷時間變長，而在同一溫度下，巖石初始壓密階段隨圍壓增大越來越不明顯，這可能是因?yàn)闊釗p傷產(chǎn)生的裂隙受預(yù)先施加的圍壓作用閉合，導(dǎo)致壓密階段變短。

2.3 熱處理花崗巖強(qiáng)度與變形特征

根據(jù)圖3可以得到不同溫度處理后花崗巖的強(qiáng)度與變形參數(shù)見表1。需要說明的是，彈性模量為軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上近似直線段(30%～70%峰值強(qiáng)度)的斜率，泊松比根據(jù)該直線段對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變比計(jì)算得到，具體計(jì)算示意見圖4，公式見式(1)和(2)。

圖4 彈性參數(shù)計(jì)算示意圖Fig.4 Schematic diagram for elastic parameter calculation

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；σA和σB分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)位置對應(yīng)的軸向應(yīng)力；ε1A和ε1B分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)位置對應(yīng)的軸向應(yīng)變；ε3C和ε3D分別為C點(diǎn)和D點(diǎn)位置對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變。

2.3.1 峰值強(qiáng)度

圖5所示為不同圍壓下粗粒花崗巖峰值強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律。由圖5可見：同等圍壓條件下峰值強(qiáng)度隨著熱處理溫度升高呈先增大后降低趨勢，在200 ℃處最大，例如在1 MPa圍壓條件下，峰值強(qiáng)度由25 ℃時的134.02 MPa 增加到200 ℃時的143.00 MPa，增幅6.7%；熱處理溫度超過200 ℃后，峰值強(qiáng)度逐漸降低，800 ℃時峰值強(qiáng)度下降到68.05 MPa，較200 ℃時減小了52.4%，強(qiáng)度下降是由于巖石內(nèi)部礦物顆粒不均勻膨脹引起裂紋萌生和擴(kuò)展。在相同熱處理溫度下，巖樣峰值強(qiáng)度隨圍壓增大而增大，而且隨著圍壓增大到一定值(15 MPa)后，峰值強(qiáng)度受圍壓影響減弱，說明圍壓會促進(jìn)熱損傷巖石內(nèi)部裂隙閉合，巖樣密實(shí)度增大，導(dǎo)致強(qiáng)度增加，當(dāng)圍壓增加到一定值后，裂紋閉合完成，圍壓影響減弱。

圖5 不同圍壓下粗?；◢弾r峰值強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of peak strength of coarse-grained granite with temperature under different confining pressures

基于Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，可以得到不同溫度下巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角，如圖6所示。由峰值強(qiáng)度得到的黏聚力在200 ℃處最大為25.07 MPa，其后，隨著熱處理溫度升高，黏聚力逐漸減小，800 ℃時為13.07 MPa，降幅為47.87%。內(nèi)摩擦角隨溫度升高逐漸增大在600 ℃處達(dá)到最大值，為53.3°，而后逐漸降低，這是因?yàn)榫ЯＴ诩羟辛ψ饔孟驴赡馨l(fā)生穿晶破壞，使內(nèi)摩擦角又有所降低。從25 ℃到800 ℃，內(nèi)摩擦角最大與最小值相差2.7°，可見花崗巖內(nèi)摩擦角受溫度作用影響不明顯，這可能與其粗顆粒形態(tài)有關(guān)。

圖6 不同溫度下黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律Fig.6 Variation of cohesion and internal friction angle at different temperatures

2.3.2 峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)變隨溫度的變化如圖7(a)所示，其與峰值強(qiáng)度的整體變化規(guī)律相反，在同等圍壓下，峰值應(yīng)變隨溫度呈近似指數(shù)形式增加；在400 ℃之前，峰值應(yīng)變只有微小變化；在400 ℃以后，峰值應(yīng)變隨熱處理溫度升高快速增加，在800 ℃時尤為明顯，1 MPa 圍壓條件下巖石的峰值應(yīng)變?yōu)?.883%，較400 ℃增長了60.54%，這與25～400 ℃階段平穩(wěn)的變化趨勢有很大差別，這表明高溫處理會增加巖石的塑性變形能力，脆性減弱。另外，在相同的熱處理溫度條件下，峰值應(yīng)變隨圍壓增大呈近似線性增加，可見圍壓效應(yīng)也會遏制高溫對巖石的劣化作用，延性得以增強(qiáng)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采式(3)對峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖7(a)。

式中：a1，a2和a3為擬合系數(shù)(見表2)。

表2 峰值應(yīng)變隨溫度變化的擬合系數(shù)Table 2 Fitting coefficients of peak strain variation with temperature

2.3.3 彈性模量

圖7(b)給出了不同圍壓下熱損傷巖樣彈性模量隨溫度變化的散點(diǎn)圖。由圖7(b)可見：在同等圍壓下，巖石的彈性模量隨著熱處理溫度升高整體呈先上升后下降的趨勢，在200 ℃處最大，25 MPa圍壓條件下，花崗巖彈性模量在200 ℃時為42.78 GPa，800 ℃時下降到27.65 GPa，降幅35.37%。另外，400 ℃以前彈性模量劣化趨勢平緩，在400 ℃后彈性模量顯著降低，這是因?yàn)闊崽幚頊囟冗_(dá)到400 ℃后，巖石內(nèi)部有大量微裂紋萌生、擴(kuò)展，導(dǎo)致剛度降低，抵抗變形能力減弱[9]。

圖7 變形參數(shù)隨熱處理溫度和圍壓的變化Fig.7 Variation of deformation parameters with heat treatment temperature and confining pressure

為了方便運(yùn)用到實(shí)際工程及數(shù)值計(jì)算中，需要利用合適公式來描述彈性模量隨溫度和圍壓的變化關(guān)系。在不考慮圍壓影響時采用式(4)對彈性模量隨溫度的變化進(jìn)行擬合，即

式中：E為彈性模量；e1，e2和e3為擬合參數(shù)；T為熱處理溫度。

擬合結(jié)果見圖7(b)，在不同圍壓下，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.93，說明該模型能很好表征彈性模量隨溫度的變化特征。另外，擬合系數(shù)e1，e2和e3均表現(xiàn)出隨著圍壓增大逐漸增大的趨勢，可采用式(5)回歸分析進(jìn)行確定：

式中：eij(i,j=1，2，3)為擬合系數(shù)；σ3為圍壓。

式(4)和式(5)整體構(gòu)成了彈性模量隨溫度和圍壓變化的演化模型，利用MATLAB 工具對彈性模量散點(diǎn)值進(jìn)行整體擬合，得到如圖8(a)所示三維曲面，整體擬合參數(shù)見表3，整體擬合度為0.98，可見該函數(shù)模型有良好適用性。

表3 彈性模量整體擬合系數(shù)Table 3 Overall fitting coefficients of elastic modulus

從圖8(a)可以看出：粗?；◢弾r的彈性模量隨著圍壓增大逐漸增大；在低圍壓階段(1～15 MPa)，彈性模量受圍壓作用影響明顯；當(dāng)圍壓大于15 MPa 后，彈性模量增長幅度很小。根據(jù)擬合曲面發(fā)展趨勢發(fā)現(xiàn)，假如圍壓足夠大，彈性模量將趨于定值。

圖8 彈性模量和泊松比隨溫度和圍壓變化的三維演化曲面Fig.8 Three-dimensional evolution surface of elastic modulus and poisson's ratio with temperature and confining pressure

2.3.4 泊松比

目前大量研究認(rèn)為，泊松比對于巖石力學(xué)中塑性區(qū)分布及對巖體變形影響不突出，但其仍然是數(shù)值計(jì)算或理論研究中的重要參數(shù)。從圖7(c)可以看出：在同等溫度下，泊松比隨圍壓增大而增大，在圍壓約為15 MPa 時，泊松比隨圍壓增大表現(xiàn)出明顯的階段性變化特征。若圍壓足夠大，則泊松比會趨于0.25～0.35的區(qū)間內(nèi)。在同等圍壓下，巖樣的泊松比隨溫度升高總體呈增大的趨勢。

顯然，當(dāng)圍壓達(dá)到一定程度時，其對泊松比影響幅度降低，利用式(6)對泊松比與圍壓關(guān)系進(jìn)行擬合：

式中：μ為泊松比；σ3為圍壓；μ1，μ2和μ3為擬合參數(shù)。

擬合結(jié)果見表4，根據(jù)擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)參數(shù)μ1，μ2和μ3與溫度有較好的單調(diào)關(guān)系，可用式(7)擬合。利用式(6)和(7)對泊松比進(jìn)行整體擬合，結(jié)果如圖8(b)所示，整體擬合參數(shù)見表5。

表4 粗粒花崗巖試樣泊松比擬合參數(shù)Table 4 Poisson's ratio fitting coefficients of coarse granite samples

表5 泊松比整體擬合參數(shù)Table 5 Overall fitting coefficients of poisson's ratio

式中：μij(i,j=1，2，3)為擬合系數(shù)；T為熱處理溫度。

2.4 破壞形態(tài)

熱損傷粗?；◢弾r的破裂形態(tài)受溫度和圍壓作用影響明顯，圖9所示為不同溫度和圍壓下花崗巖的破壞形態(tài)和破裂面的素描圖，由于試驗(yàn)過程中有液壓油進(jìn)入試樣，顏色不做參考。從圖9可見：

圖9 不同圍壓下熱損傷粗?；◢弾r破壞特征Fig.9 Failure characteristics of thermally damaged coarse-grained granite under different confining pressures

1)在接近單軸應(yīng)力狀態(tài)下(即1 MPa時)，花崗巖在25～800 ℃時以脆性張拉劈裂和陡傾角的剪切復(fù)合型破壞為主。

2)當(dāng)σ3=5 MPa 時，常溫下花崗巖主要發(fā)生張拉劈裂破壞，隨著溫度升高，剪切裂紋逐漸出現(xiàn)，花崗巖主要發(fā)生陡傾角剪切破壞，傾角在70°～76°之間。

3)當(dāng)σ3=10 MPa時，常溫至200 ℃下花崗巖發(fā)生拉伸-剪切復(fù)合型破壞，在400 ℃和800 ℃時發(fā)生Y 型剪切破壞，在600 ℃時發(fā)生陡傾角剪切破壞。

4)當(dāng)σ3=15 MPa時，在常溫和600 ℃下花崗巖發(fā)生明顯陡傾角剪切破壞，而在200，400 及800 ℃下均發(fā)生Y型剪切破壞。

5)當(dāng)σ3=25 MPa時，花崗巖均發(fā)生明顯剪切破壞，塑性特征明顯。總體而言，低溫低壓下巖樣以張拉破壞為主，且破壞后的破碎巖塊較多，在高溫高圍壓下，巖樣以剪切破壞為主。經(jīng)歷4種溫度處理后花崗巖的破壞形態(tài)均從脆性破壞向塑性過渡。

圖10所示為巖石破裂角隨溫度和圍壓的變化曲線。從圖10可以看出：破裂角整體隨圍壓增大而減小，隨溫度升高而升高，在600 ℃附近又緩慢降低；在25～800 ℃溫度下，試樣破裂角的平均值與由莫爾庫倫準(zhǔn)則求出的理論破裂角45°+φ/2(φ為不同溫度下的內(nèi)摩擦角)基本一致，差值在0.2°～4.7°范圍內(nèi)波動；從常溫到800 ℃，破裂角最大變化幅度為8.9%，而當(dāng)圍壓從1 MPa 到25 MPa 時，破裂角最大變化幅度為14.3%，這說明圍壓對破裂角的影響略大于溫度對破裂角的影響。

圖10 巖樣破裂角隨溫度和圍壓的變化Fig.10 Fracture angle of rock sample variation with temperature and confining pressure

3 聲發(fā)射特征

聲發(fā)射(AE)監(jiān)測技術(shù)對探測巖石的破壞過程及裂紋演化機(jī)制具有重要的作用。本試驗(yàn)選用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)率進(jìn)行分析，受篇幅限制，在不失一般性的情況下，采用σ3=5 MPa 和T=25 ℃的部分樣品來研究溫度和圍壓對AE 特征的影響，同時根據(jù)BRACE 等[24]提出的體積應(yīng)變法即采用軸向應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線，求取閉合應(yīng)力、起裂應(yīng)力與損傷應(yīng)力，結(jié)果如圖11所示。

3.1 圍壓影響

在25 ℃條件下，不同圍壓粗?；◢弾r聲發(fā)射特征如圖11(a)和圖11(b)所示。從圖11(a)和圖11(b)可見：在三軸壓縮應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度σc之前，AE活動比較平靜，而這個平靜期持續(xù)時間隨著圍壓增加變得越來越不明顯，這主要是因?yàn)閲鷫簩?dǎo)致部分微裂紋預(yù)先閉合，圍壓越大，裂紋閉合階段(OA)越來越短，使得裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段(BC)和裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段(CD)裂紋快速發(fā)育，AE活動越來越活躍；另外，在低圍壓條件下，巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度時，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率也增至最大值，之后迅速進(jìn)入殘余階段(EF)，AE 活動微弱；而在高圍壓條件下，峰值振鈴計(jì)數(shù)率稍微滯后于峰值應(yīng)力，同時，DF段聲發(fā)射活動較低圍壓活躍，這歸因于峰后應(yīng)變軟化階段(DE)有大量裂紋擴(kuò)展，體積變形較大?？梢姡瑖鷫捍龠M(jìn)熱損傷巖樣初始微裂紋的閉合，擬制新生裂紋的萌生。

3.2 溫度影響

在5 MPa圍壓條件下，不同溫度作用花崗巖聲發(fā)射特征如圖11(c)和11(d)所示。在25～400 ℃時，AE 特征非常相似，可以分為2 個典型時期：平靜期(OC)和活躍期(CF)。在平靜期(OC)內(nèi)，由于潛在裂紋閉合，AE事件很少。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到損傷應(yīng)力σcd時，AE 事件明顯增加，AE 步入活躍期，一旦達(dá)到峰值強(qiáng)度，軸向應(yīng)力突然下降，導(dǎo)致一系列較大的AE事件發(fā)生，累積振鈴計(jì)數(shù)率立即增加到最大值。當(dāng)熱處理溫度超過400 ℃附近時，聲發(fā)射特征與25～400 ℃階段的特征明顯不同，振鈴計(jì)數(shù)率以越來越平滑的形式增加，突增和突降的聲發(fā)射事件減少。在裂紋閉合階段(OA)和線彈性變形段(AB)逐漸有AE 事件發(fā)生，隨著溫度升高，這種行為越來越明顯。當(dāng)軸向應(yīng)力超過σcd時，峰值附近發(fā)生一些大的AE 事件，呈“簇狀”分布，接著進(jìn)入應(yīng)變軟化至殘余階段，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率也緩慢降低，累計(jì)量逐漸增至最大，這與25～400 ℃階段存在突降的過程不一樣，說明溫度損傷使巖石的脆性變?nèi)?，塑性顯著增強(qiáng)。

圖11 花崗巖聲發(fā)射特征隨溫度和圍壓的變化Fig.11 Variation of acoustic emission characteristics of granite with temperature and confining pressure

因此，巖石裂紋的萌生擴(kuò)展與AE行為關(guān)系密切，溫度影響著巖石裂紋發(fā)展，又同時受圍壓效應(yīng)的影響。圖12所示為不同圍壓下峰值振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率隨溫度變化規(guī)律。從圖12可以看出：峰值振鈴計(jì)數(shù)率在200 ℃時明顯增大，隨后均呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率隨溫度升高整體呈逐漸增大的趨勢。

圖12 峰值振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)率隨溫度和圍壓的變化Fig.12 Variation of peak ringing count rate and accumulative ringing count with temperature and confining pressure

4 結(jié)論

1)熱應(yīng)力作用會引起粗?；◢弾r內(nèi)部不同形態(tài)水散失、礦物顆粒間不協(xié)調(diào)膨脹及礦物結(jié)構(gòu)破壞等變化，致使花崗巖宏觀物理特性呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征。300～500 ℃為熱損傷的閾值溫度分布區(qū)間，熱處理溫度低于300 ℃時，宏觀物理特性變化微弱，熱處理溫度超過500 ℃時，質(zhì)量、密度和縱波波速急劇下降，體積增大。

2)在低溫和低壓條件下，花崗巖破壞形式主要為張拉劈裂破壞，而在高溫和中高圍壓條件下，花崗巖以“Y”型和陡傾角(70°～75°)剪切破壞為主，與理論破裂角45°+φ/2相近，溫度和圍壓增加會增強(qiáng)巖石的塑性變形能力，破裂角整體隨圍壓增大而減小，隨溫度升高而升高。

3)隨著溫度升高，彈性模量、峰值強(qiáng)度和黏聚力總體呈下降趨勢，泊松比和峰值應(yīng)變逐漸增大，內(nèi)摩擦角最大值與最小值相差約2.7°。力學(xué)參數(shù)階段性變化的閾值溫度在300～500 ℃。隨著圍壓增大，峰值強(qiáng)度、彈性模量、峰值位移和泊松比都有所提高，隨著圍壓增大到一定值(15 MPa)，提高幅度越來越小。

4)累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率隨溫度升高整體上逐漸增大，熱處理溫度越高、圍壓越大，巖石的延性增強(qiáng)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率增長變化越平緩，突增和突減聲發(fā)射事件減少，峰前平靜期也越來越不明顯。