熱循環(huán)影響的細粒致密花崗巖力學特性試驗

張建國，馮 淦，王曉川，康 勇

(1.中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065；4.武漢大學 水射流理論與新技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072)

巖石廣泛存在于自然界，由于受到自然環(huán)境和人為工程活動等因素影響，巖石溫度往往會發(fā)生變化。諸如：在煤炭開采工程中[1-5]，深部開采、煤層地下氣化及自燃會引起圍巖溫度發(fā)生較大梯度改變；在地熱能開發(fā)工程中[6-8]，工質(zhì)流體循環(huán)注入與提取熱能造成熱儲層和井筒井壁的溫度經(jīng)歷多次升高與降低；在熱能壓氣儲存工程中[9-10]，儲熱圍巖溫度隨著儲能與釋放發(fā)生相應改變；在深埋地下隧道工程中[11-12]，由于通風降溫與地熱環(huán)境因素影響，圍巖溫度往往發(fā)生周期性改變；地表巖石建筑物、博物館、紀念碑等在遭遇火災時，會經(jīng)歷升溫與降溫過程；甚至在高寒高海拔地區(qū)，晝夜溫差也會導致巖石溫度周期性改變?？梢?，巖石溫度發(fā)生周期性變化是一種普遍存在的現(xiàn)象。因此，研究巖石在熱力耦合作用下的變形破壞機理具有重要的理論和工程意義[13]。

溫度變化引起巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，礦物顆粒出現(xiàn)膨脹變形，影響其物理和力學性質(zhì)。Yin等[14]研究了沖擊載荷下，不同溫度處理后煤巖的物理力學性質(zhì)，得到彈性模量和峰值應變降低。Liu等[15]研究得出孔隙度降低會加劇凍土退化，并導致非對稱熱狀況。Xu等[16]指出巖石熱損傷隨溫度的升高呈Logistic增長函數(shù)。Linghu等[17]通過分析不同地溫條件下深部煤層滲透率的演化規(guī)律，得出地溫差異提高了煤層滲透率，增加了煤層突出的風險。Feng等[18-19]研究了砂巖斷裂力學行為，揭示了熱損傷砂巖斷裂特性變化的微細觀機制。Qiao等[20]分析了溫度效應下力學性能與聲發(fā)射能量之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立了能量自激勵自抑制（EII）模型，得出耗散能與彈性能之比作為巖石破壞前兆的能量指標，表征砂巖系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

可見，關(guān)于不同溫度對各類巖石的影響，已取得了豐富的研究成果。然而，溫度的變化往往是反復多次，并非一次性的，常常具有周期性的升高和降低，稱為熱循環(huán)。朱珍德等[21]采用SEM手段觀察了熱循環(huán)和力學破壞后的大理巖斷口，統(tǒng)計得到微裂隙參數(shù)，并進行了分形計算與分析。倪驍慧等[22]研究表明，熱循環(huán)作用后，巖石單軸壓縮破壞的主導裂紋為沿晶裂紋。Mahmutoglu[23]和Hu[24]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度和熱循環(huán)次數(shù)的增加，花崗巖裂紋發(fā)展，同時力學強度降低。Zhu等[25]對取自福建漳州的花崗巖進行熱循環(huán)后，開展力學測試及聲發(fā)射試驗，得出其物理力學參數(shù)隨著熱循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)下降。Feng等[26]指出，通過修正斷裂過程區(qū)，能夠提高修正最大切向應力準則（MMTS）預測巖石斷裂的準確性。Rong等[27]研究指出，巖石宏觀裂化在很大程度上可歸因于熱應力導致巖石產(chǎn)生的晶界與晶內(nèi)裂紋。Zhao[28]研究表明，巖石力學性能降低是因為微裂紋密度增加。Griffiths等[29]定量研究了花崗巖的熱裂紋特征。Zhao等[30]研究花崗巖滲透性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)得出，達到臨界溫度時，其滲透率顯著增加。

前人研究成果均表明溫度變化在一定程度上對巖石物理與力學性質(zhì)有影響。而細粒致密花崗巖是一類礦物顆粒較小、結(jié)構(gòu)緊密、較為堅硬的巖石。在一些地下工程中，該類巖石起到關(guān)鍵性作用。例如：干熱巖開發(fā)工程中，人工儲留層通常為滲透率和孔隙率較低的致密變質(zhì)巖或花崗巖[31-32]；在深部高地應力環(huán)境下，礦產(chǎn)開采堅硬頂板一般為細粒致密花崗巖；對于核廢料地質(zhì)封存場所，常選取細粒致密花崗巖作為封存圍巖，以防止核廢料衰變引起泄漏而污染地層與地下水，保證封存安全。然而，針對熱循環(huán)作用下細粒致密花崗巖的破壞力學特性、微裂紋結(jié)構(gòu)特征及其相關(guān)性研究鮮見報道。因此，本文采集地熱潛在開發(fā)區(qū)巖樣，對花崗巖分別進行從室溫（20 ℃）到上限溫度為100、200和300 ℃的熱循環(huán)處理試驗、單軸壓縮試驗及光學顯微鏡觀測試驗，研究花崗巖力學特性演化規(guī)律。

1 試驗過程

1.1 試樣準備

試驗所用巖石試樣取自中國隨州。按照國際巖石力學學會（ISRM）發(fā)布的建議，鉆取直徑50 mm×高100 mm的標準巖樣，并將樣品上、下兩端打磨平整，使其兩端面不平行度小于0.02 mm，如圖1（a）所示。試樣主要含有石英、鉀長石、斜長石、黑云母等礦物，如圖1（b）所示，礦物顆粒平均直徑多為0.2～0.5 mm，屬于細粒致密結(jié)構(gòu)。

圖1 細粒致密花崗巖試樣Fig. 1 Fine grained dense granite samples

1.2 試驗方法與測試

采用智能馬弗爐對細粒致密花崗巖試樣（本文簡稱花崗巖試樣）進行熱處理試驗，熱循環(huán)從室溫（20 ℃）開始，上限溫度分別為100、200和300 ℃；熱循環(huán)次數(shù)分別為1、5、10和20次。在進行熱循環(huán)處理時，首先，將巖樣放進馬弗爐內(nèi)，以5 ℃/min的速率升溫；然后，達到設(shè)定溫度后保溫2 h，使其有充分作用時間；最后，停止加熱，自然冷卻至室溫后取出試樣。

采用武漢大學RMT-301型巖石力學伺服試驗機對熱處理后的巖樣開展單軸壓縮試驗。設(shè)置位移加載模式，加載速率為0.005 mm/s。熱處理與力學測試試驗裝置如圖2所示。

圖2 熱處理與力學測試試驗裝備Fig. 2 Heat treatment and mechanical test equipment

2 細粒致密花崗巖力學特性

2.1 應力-應變曲線特征

應力-應變曲線在一定程度上能夠反映巖石的破壞過程和破壞機制。試驗過程中，由計算機自動記錄試樣載荷、軸向位移和橫向位移數(shù)據(jù)，通過計算處理得到花崗巖加載全過程應力-應變曲線，如圖3所示。

圖3 細粒致密花崗巖試樣部分典型應力-應變曲線Fig. 3 Typical stress-strain curves of some fine grained dense granite samples

觀察圖3可知，所有試樣的應力-應變曲線形狀大致相同，都是在受載荷作用過程中經(jīng)歷了孔裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂紋擴展階段和破壞階段，如圖4所示。圖4中，σci為起裂應力，σcd為裂紋損傷應力，σc為峰值強度，E為彈性模量。

圖4 巖樣代表性應力-應變曲線分階段劃分示意圖Fig. 4 Schematic diagram of stage division of representative stress-strain curves of rock sample

開始受到載荷作用時，試樣孔隙與裂隙逐漸閉合，內(nèi)部空間緊密壓實；隨著加載繼續(xù)，巖石發(fā)生彈性變形，表現(xiàn)出彈性性質(zhì)；這兩個階段占加載過程的85%以上。當彈性變形達到一定程度后，巖石新產(chǎn)生的裂紋和原有裂紋迅速擴展，巖樣發(fā)出輕微破裂聲響。達到峰值強度時，花崗巖突然失穩(wěn)，應力驟然降低，并伴隨劇烈的炸裂聲響。尤其是未經(jīng)熱處理的花崗巖，在破壞瞬間有類似爆炸現(xiàn)象，花崗巖大塊破碎，小塊脫離巖樣高速彈射，四處飛濺。部分典型試件破壞后的照片如圖5所示。由于幾乎所有試樣在破壞時都發(fā)生了崩落，圖5中是破壞試樣拼接后的照片。

圖5 部分典型破壞試樣Fig. 5 Typical failure samples

整體上，大部分試樣在經(jīng)過300 ℃以內(nèi)的熱循環(huán)處理后，細粒致密花崗巖受力發(fā)生明顯的孔隙裂隙閉合與彈性變形；而后，在經(jīng)歷短暫裂紋擴展后，突然崩落失穩(wěn)，承載能力驟然降低，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。這與未經(jīng)熱循環(huán)處理花崗巖試樣的破壞特征基本一致，而觀察上限溫度300 ℃熱循環(huán)的花崗巖試樣的曲線斜率和峰值應力，可知巖樣仍保留有較高強度。

2.2 單軸抗壓強度隨熱循環(huán)變化規(guī)律

根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算得到花崗巖在不同熱循環(huán)溫度和次數(shù)下的單軸抗壓強度，如圖6所示。

圖6 花崗巖單軸抗壓強度隨著熱循環(huán)變化曲線Fig. 6 Variation curves of granite uniaxial compressive strength with thermal cycle

由圖6可知：上限溫度為100 ℃、熱循環(huán)1次時，花崗巖單軸抗壓強度為227.4 MPa；循環(huán)5次時，為225.5 MPa，相比循環(huán)1次降低了0.8%；熱循環(huán)10次、20次后花崗巖的單軸抗壓強度分別為222.7和221.8 MPa，相比熱循環(huán)1次時分別降低了2.1%和2.5%。上限溫度為200 ℃、熱循環(huán)1、5、10和20次后，單軸抗壓強度分別為214.8、210.7、204.0和201.6 MPa，循環(huán)20次比循環(huán)1次，其力學強度降低了6.1%。上限溫度為300 ℃時，循環(huán)20次比循環(huán)1次單軸抗壓強度降低了7.6%。因此，隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，單軸抗壓強度逐漸降低，且在相同循環(huán)次數(shù)下，循環(huán)溫度越高，單軸抗壓強度降低幅度越大。

由圖6的曲線斜率可知，單軸抗壓強度隨著熱循環(huán)次數(shù)變化大致分為兩個階段。第1階段，熱循環(huán)1～10次：上限溫度為100 ℃的熱循環(huán)時，單軸抗壓強度以0.52 MPa/次的速度降低；上限溫度為200 ℃時，以1.20 MPa/次的速度降低；上限溫度為300 ℃時，以1.79 MPa/次的速度降低。第2階段，熱循環(huán)10～20次：上限溫度為100 ℃時，單軸抗壓強度以0.09 MPa/次的速度降低；上限溫度為200 ℃時，以0.24 MPa/次的速度降低；上限溫度為300 ℃時，以0.67 MPa/次的速度降低。因此，在熱循環(huán)10次以內(nèi)，單軸抗壓強度隨著熱循環(huán)次數(shù)降低明顯；超過10次以后，力學強度降低的趨勢逐漸變緩并趨于平穩(wěn)。同時，熱循環(huán)上限溫度越高，曲線斜率絕對值越大，說明花崗巖力學強度隨著熱循環(huán)弱化變得愈加敏感。

2.3 彈性模量隨熱循環(huán)的變化規(guī)律

彈性模量反映巖石在外力作用下彈性變形的難易程度，是巖石力學特性的重要參數(shù)。圖7為花崗巖彈性模量隨著熱循環(huán)上限溫度和熱循環(huán)次數(shù)變化的曲線。

圖7 花崗巖彈性模量隨著熱循環(huán)變化曲線Fig. 7 Variation curves of elastic modulus of granite with thermal cycles

常溫下，花崗巖彈性模量為52.00 GPa。由圖7（a）可知：熱循環(huán)1次時，上限溫度分別為100、200和300 ℃熱循環(huán)處理后的花崗巖彈性模量分別為51.13、49.34和45.23 GPa，其中，上限溫度為300 ℃時比常溫時降低了13.0%，降低幅度相對最大；熱循環(huán)5、10和20次時，花崗巖彈性模量隨熱循環(huán)上限溫度的不同，變化趨勢基本一致。由圖7（b）可知：上限溫度為100 ℃熱循環(huán)5次后，花崗巖試樣彈性模量降低，而后彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)變化逐漸不明顯；隨著熱循環(huán)上限溫度增大，在上限溫度為300 ℃的熱循環(huán)時，次數(shù)增加引起的彈性模量降低幅度最大。

總體而言，在相同熱循環(huán)次數(shù)下，隨著上限溫度升高，花崗巖彈性模量逐漸降低，其抵抗變形能力減弱。在相同熱循環(huán)上限溫度下，彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)增多而逐漸降低，且上限溫度越高，降低越明顯。類似研究還包括：Zhou等[33]通過對玄武巖進行溫度與應力循環(huán)試驗，得出溫度周期循環(huán)次數(shù)增加會導致楊氏模量減??；Inada等[34]在對花崗巖與凝灰?guī)r進行15～100 ℃熱循環(huán)研究后，得出楊氏模量隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加而減小，巖石損傷累積。然而，胡躍飛等[35]對花崗巖進行了溫度與應力循環(huán)試驗研究，得出在一定循環(huán)次數(shù)內(nèi)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，花崗巖彈性模量逐漸增大。夏才初等[36]發(fā)現(xiàn)雖然熱循環(huán)會引起巖石損傷，但外部施加載荷作用使得微裂縫閉合，溫度和應力循環(huán)對巖石力學特性有“疊加”效應。胡躍飛等[35]研究采用的是變質(zhì)中細粒二長石花崗巖，相對于本文研究的細粒致密花崗巖，兩者結(jié)構(gòu)有差異。可見，一方面，在考慮巖石熱效應的同時，外部應力作用也不可忽視；另一方面，不同巖石的力學特性隨熱循環(huán)的變化趨勢有差異。巖石硬化與軟化是不同因素導致的多種機制綜合作用的結(jié)果，與巖石自身結(jié)構(gòu)和成分緊密相關(guān)。

3 熱循環(huán)對致密花崗巖影響的討論

3.1 熱循環(huán)對細粒致密花崗巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響

綜上可知，細粒致密花崗巖力學參數(shù)隨著熱循環(huán)上限溫度與次數(shù)增加而逐漸降低。巖石強度反映了其抵抗破壞的能力；巖樣裂紋化體現(xiàn)了巖石劣化程度，是直接影響巖石抵抗破壞能力的重要因素。因此，通過光學顯微鏡觀測巖樣礦物顆粒之間及礦物顆粒內(nèi)的微裂紋。由于微裂紋較為復雜，對其做簡化處理[37]：一條接近為直線段的裂紋視為一條裂紋；對于折線和彎曲形狀的裂紋，將其分開識別，即折線和彎曲連接處認定為多條裂紋交匯點，單獨統(tǒng)計裂紋條數(shù)。通常采用裂紋密度表征巖石內(nèi)部的裂紋化程度[38-42]。在巖樣光學顯微鏡獲得的照片上繪制基準線，觀測基準線與裂紋的交點，統(tǒng)計交點個數(shù)，再除以基準線總長度，即得到其線性裂紋密度[41]，即：

式中，ω為線性裂紋密度，Ni為裂紋與基準線的交點個數(shù)，LA為基準線總長度。

裂紋的描繪和提取過程如圖8所示。圖8中，綠色線表示描繪的裂紋，藍色線表示用于裂紋密度計算的基準線，Qtz表示石英，Kf表示鉀長石，Pl表示斜長石，Bt表示黑云母。

圖8 裂紋定量提取示意圖[42]Fig. 8 Schematic diagram of quantitative crack extraction[42]

由式（1）得到上限300 ℃熱循環(huán)時的花崗巖平均線性裂紋密度，其隨熱循環(huán)次數(shù)的變化如圖9所示。

圖9 線性裂紋密度與力學參數(shù)隨熱循環(huán)變化Fig. 9 linear crack density and mechanical parameters change with thermal cycles

由圖9可知：熱循環(huán)1次后的線性裂紋密度為1.11 mm-1；熱循環(huán)5次后的線性裂紋密度為1.25 mm-1；熱循環(huán)10次后的線性裂紋密度為1.42 mm-1；熱循環(huán)20次后的線性裂紋密度為1.69 mm-1，為熱循環(huán)1次的1.53倍?？梢姡€性裂紋密度隨著熱循環(huán)次數(shù)增多而顯著增大，熱循環(huán)造成了細粒致密花崗巖內(nèi)部裂紋化程度加劇，而單軸抗壓強度與彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)降低，因此，熱循環(huán)產(chǎn)生的微裂紋明顯影響花崗巖的力學特性。相似結(jié)論包括：李春等[43]研究表明，花崗巖經(jīng)歷熱循環(huán)處理后，其裂紋數(shù)量和寬度增加，裂紋長度增長，抗拉強度降低。姚孟迪[41]研究表明，大理巖宏觀力學強度與細觀裂紋密度存在良好的相關(guān)性，即單軸抗壓強度隨著裂紋密度增大而逐漸下降。

將單軸抗壓強度和彈性模量與相應線性裂紋密度繪制在同一個坐標系（圖10），采用負指數(shù)函數(shù)描述相關(guān)關(guān)系：

式中：UCS0、E0、η、γ均為模型參數(shù)；UCS0為線性裂紋密度為0時的單軸抗壓強度，MPa；E0為線性裂紋密度為0時的彈性模量，GPa；η和γ為擬合的系數(shù)，單位為mm。當UCS0和E0為0時，線性裂紋密度趨于+∞；采用式（2）和（3）擬合，結(jié)果如圖10所示。

圖10 線性裂紋密度與力學參數(shù)關(guān)系曲線Fig. 10 Relationship curves between linear crack density and mechanical parameters

綜上，花崗巖的宏觀單軸抗壓強度和彈性模量與微裂紋存在一定相關(guān)性，采用負指數(shù)函數(shù)能較好地描述力學參數(shù)與線性裂紋密度之間的關(guān)系。

3.2 熱循環(huán)引起細粒致密花崗巖宏-細觀性質(zhì)變化分析

巖石是由多種礦物顆粒組成的集合體，受到熱作用，這些礦物顆?？赡馨l(fā)生成分與結(jié)構(gòu)的變化，影響巖石內(nèi)部裂紋的萌生與擴展，并直接反映在宏觀力學性質(zhì)的改變上，這與受到的溫度值有關(guān)。在一定溫度下，巖石各組分發(fā)生著各種物理和化學變化。本文研究的是300 ℃以內(nèi)的熱循環(huán)。低于100 ℃的熱作用主要引起巖石水分蒸發(fā)[44]；在100～200 ℃范圍，巖石游離水與結(jié)合水蒸發(fā)，黏土與水合物礦物發(fā)生解析反應[45]；在250～300 ℃，富含鐵礦物發(fā)生不可逆脫水，引起長英質(zhì)巖石、鈣質(zhì)砂巖和富含石英礫巖的顏色變化[46-47]。

升溫或降溫造成溫度梯度，產(chǎn)生熱應力，引起各種礦物組分不協(xié)調(diào)變形。然而，不同上限溫度之間形成的相同溫度梯度，導致的熱應力作用效果可能不同，這是由于在不同溫度下，巖石內(nèi)部分子熱運動劇烈程度不同。達到一定溫度時，巖石出現(xiàn)微觀與宏觀尺度的裂化，冷卻到室溫后，在一定溫度范圍內(nèi)，這些變化不可恢復。并且，不同種類巖石，其產(chǎn)生熱破裂的溫度閾值也不盡相同。Westerly花崗巖在75 ℃時產(chǎn)生裂紋[48]，魯灰花崗巖熱破裂溫度閾值為65 ℃[49]，大理巖力學性質(zhì)變化的溫度閾值為100 ℃[22]。

熱循環(huán)導致升溫與降溫過程反復發(fā)生，造成巖石受到周期性熱應力作用，類似于施加載荷的疲勞作用，巖石內(nèi)部損傷積累。在一定熱循環(huán)條件下，巖石損傷會引起其宏觀力學性質(zhì)改變。本文觀察到在上限溫度為100 ℃的熱循環(huán)時，巖石單軸抗壓強度與彈性模量有所降低；在上限溫度為200、300 ℃熱循環(huán)范圍內(nèi)也都觀察到了隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，花崗巖力學性質(zhì)弱化現(xiàn)象。這可能與巖石裂紋演化及裂紋之間的貫通程度均有關(guān)。倪驍慧等[22]以大理巖穿晶裂紋與沿晶裂紋數(shù)量變化為依據(jù)，推測大理巖熱破裂預制。Feng等[26]研究表明，在溫度周期循環(huán)過程中，巖石內(nèi)部裂紋破壞性質(zhì)為沿晶破壞。Rong等[27]研究得到：熱循環(huán)處理引起大理巖與花崗巖產(chǎn)生裂紋；隨著循環(huán)次數(shù)增加，裂紋數(shù)量增多；晶內(nèi)裂紋作為衡量巖石損傷的有效指標，其增加相對于沿晶裂紋更顯著。因此，巖石內(nèi)部損傷積累，以及裂紋性質(zhì)、裂紋數(shù)量的變化是熱循環(huán)造成巖石力學性質(zhì)發(fā)生改變的重要影響因素。

熱應力對于巖石的作用，一方面，使得巖石所含礦物顆粒膨脹，逐漸壓密原生空隙，表現(xiàn)為在一定溫度下，巖石力學性質(zhì)有所增強；另一方面，熱作用使得礦物顆粒不協(xié)調(diào)變形，或者膨脹達到一定程度，造成巖石開裂形成微裂紋，出現(xiàn)損傷。由本文研究可知，細粒致密花崗巖單軸抗壓強度與彈性模量隨著熱循環(huán)上限溫度和熱循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，并未觀察到增大的現(xiàn)象；并且，光學顯微鏡觀測得到巖石內(nèi)部裂紋數(shù)量、密度也一直增加。這說明，對于細粒致密的巖石而言，熱循環(huán)上限溫度和次數(shù)的增加引起其開裂熱損傷占據(jù)主導作用。這是由于礦物顆粒結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)很致密，熱作用產(chǎn)生的礦物顆粒不協(xié)調(diào)膨脹引起的密實作用空間有限，而膨脹力更多地作用于礦物顆粒本身，促進微裂紋產(chǎn)生和推動已有裂紋擴展，進而造成巖石損傷加劇，在宏觀上表現(xiàn)為力學強度和彈性模量降低。

4 結(jié) 論

為了探究熱循環(huán)作用下細粒致密花崗巖的力學特性及細觀特征，對花崗巖開展了熱循環(huán)處理試驗、單軸壓縮試驗、顯微觀測試驗及研究，得到以下主要結(jié)論：

巖石的破壞特征和力學性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，尤其是細粒致密結(jié)構(gòu)的花崗巖，在上限溫度為300 ℃熱循環(huán)處理20次以內(nèi)，其依然保持脆性破壞特征，并表現(xiàn)為十分劇烈的突然失穩(wěn)破壞，抵抗破壞能力驟降?；◢弾r單軸抗壓強度與彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低；而單軸抗壓強度呈現(xiàn)分段下降特點，表現(xiàn)在超過10次熱循環(huán)后，其強度降低得較為緩慢。同時，熱循環(huán)上限溫度升高，花崗巖單軸抗壓強度與彈性模量降低速率變大，即升高熱循環(huán)的上限溫度能夠提高花崗巖力學性質(zhì)隨熱循環(huán)劣化的敏感性。

在上限溫度為300 ℃熱循環(huán)20次后，細粒致密花崗巖線性裂紋密度為1.69 mm-1，是熱循環(huán)1次的1.5倍；熱循環(huán)上限溫度和次數(shù)增加能顯著促進花崗巖內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生與擴展，并提高其裂化程度。單軸抗壓強度和彈性模量隨著線性裂紋密度呈非線性降低，用負指數(shù)函數(shù)能較好地描述其關(guān)系。由于花崗巖顆粒較細且結(jié)構(gòu)致密，熱循環(huán)上限溫度和次數(shù)使得熱開裂占據(jù)主要作用，導致內(nèi)部裂紋化程度加劇，同時引起花崗巖單軸抗壓強度與彈性模量持續(xù)降低。

本文研究的目的是探索具有細粒致密結(jié)構(gòu)的巖石受溫度周期循環(huán)影響的力學效應。由于考慮細粒致密結(jié)構(gòu)花崗巖在熱循環(huán)影響下力學特性的研究鮮有報道，因此，面向深部開采復雜環(huán)境，同時考慮開采擾動路徑、3維應力狀態(tài)和高滲透壓力作用，開展更高溫度上限與更多熱循環(huán)次數(shù)的巖石熱循環(huán)損傷試驗，建立深部巖石熱循環(huán)損傷演化模型，并深入思考力學強度弱化機制，是未來值得進一步研究的工作。