花崗巖熱損傷抗拉強(qiáng)度和聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究

王 鵬， 陳 宇， 陳小洋， 李 力

(1. 江西省水利投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000; 2. 江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330200; 3. 重慶市地勘局川東南地質(zhì)大隊(duì)，重慶 400030; 4. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引 言

巖石的抗拉特性是評(píng)價(jià)地下工程圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)，同時(shí)也是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[1]。許多巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞往往是由于結(jié)構(gòu)局部或者整體承受拉應(yīng)力引起的[2]。如：在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，頂板巖石冒落與拉應(yīng)力有密切關(guān)系。伴隨著人類(lèi)活動(dòng)不斷向地下延伸，包括高放射性核廢料處置庫(kù)建立、地?zé)峁こ獭⒚禾康叵職饣约盎馂?zāi)后重建等，均會(huì)涉及到高溫對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)變形和強(qiáng)度的影響[3]。在深地工程高溫環(huán)境中， 圍巖產(chǎn)生拉應(yīng)力的概率會(huì)大幅度增加，原有的拉應(yīng)力分布特征也會(huì)發(fā)生變化[4]。因此，研究巖石抗拉熱損傷破壞特征和規(guī)律對(duì)工程設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)有重要的作用。

關(guān)于巖石在高溫下的力學(xué)損傷特性演化規(guī)律這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究，并取得了較多理論與應(yīng)用成果。方新宇等[5]對(duì)高溫（25～1 000 ℃）處理后的花崗巖進(jìn)行巴西圓盤(pán)試驗(yàn)，對(duì)比分析了破壞形態(tài)、抗拉強(qiáng)度、荷載-位移特征等。吳順川等[6]基于巴西劈裂試驗(yàn)，分析了25～800 ℃處理后花崗巖的抗拉強(qiáng)度、體積膨脹率、縱波波速、微觀結(jié)構(gòu)和聲發(fā)射特征的變化。蘇海健等[7]研究了溫度和尺寸對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，對(duì)20～800 ℃、巖樣厚徑比為0.5～1.0的紅色砂巖進(jìn)行了巴西劈裂試驗(yàn)。吳剛等[8]對(duì)砂巖在25～1 200 ℃溫度作用后的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、破壞模式和泊松比的變化。

綜上分析，巖石熱損傷研究主要集中在宏觀物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)特征等方面，對(duì)巖石劈裂破壞模式的定量描述和裂紋的動(dòng)態(tài)演化特征研究仍較少?；◢弾r作為深部賦存較為常見(jiàn)的巖石，對(duì)其熱損傷進(jìn)行相關(guān)研究有著深刻的理論價(jià)值和工程實(shí)際意義。本文主要是基于巴西劈裂試驗(yàn)，對(duì)25～700 ℃溫度處理后花崗巖的抗拉強(qiáng)度、質(zhì)量損失率、縱波波速等物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合顯微鏡和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，探究其劈裂破壞模式和裂紋動(dòng)態(tài)演化特征，分析其損傷破裂機(jī)制，為高溫條件下深地工程圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估和災(zāi)害預(yù)警提供建設(shè)性的意見(jiàn)與建議。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的花崗巖產(chǎn)自山東日照，結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)地均勻，表面無(wú)明顯裂隙，自然狀態(tài)下呈青灰色。在偏光顯微鏡下觀察花崗巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，常溫下主要包括石英、長(zhǎng)石、云母等礦物成分，且礦物顆粒較大，結(jié)合緊密，同時(shí)可見(jiàn)幾條裂隙出露在礦物顆粒表面?；◢弾r的平均密度為2.65 g/cm3，縱波波速為6 578 m/s。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，將花崗巖加工成?50 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓盤(pán)試樣，且端面的加工精度在0.02 mm。每組平行試樣數(shù)量設(shè)置為3個(gè)，以減小試驗(yàn)誤差。

圖1 花崗巖顯微薄片圖

采用馬弗爐（TNX-1 400）對(duì)圓盤(pán)試樣進(jìn)行加熱，以8 ℃/min的加熱速率將花崗巖加熱至目標(biāo)溫度（25，200，300，400，500，600，700 ℃），然后恒溫加熱2 h，使試樣受熱均勻，之后在馬弗爐中自然冷卻到室溫。在經(jīng)過(guò)樣品準(zhǔn)備和加熱后，利用TAW-2000對(duì)花崗巖開(kāi)展巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，加載速率為0.05 mm/min，加載方式為位移控制。同時(shí)，在對(duì)花崗巖加載破壞的過(guò)程中，采用聲發(fā)射對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，聲發(fā)射信號(hào)用單通道進(jìn)行采集，采集頻率為5 MΗz，門(mén)檻值為40 dB。利用膠帶將聲發(fā)射探頭固定在距離中心位置1 cm左右，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)特征

圖2為不同溫度下花崗巖的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)。從圖中可以看出，整個(gè)曲線(xiàn)的裂紋壓密階段、彈性變形階段、裂紋擴(kuò)展階段并不是特別明顯，這與單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力，時(shí)間曲線(xiàn)變化特征有較大的區(qū)別[9]。整個(gè)曲線(xiàn)大致經(jīng)歷線(xiàn)性發(fā)展階段以及峰值破壞后的迅速降低階段。仔細(xì)分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)花崗巖的應(yīng)力變化特征有明顯的影響。在500 ℃前，花崗巖破壞經(jīng)歷的變化趨勢(shì)類(lèi)似，破壞時(shí)間在不斷減小。在500 ℃后，花崗巖應(yīng)力上升速率緩慢，破壞時(shí)間變長(zhǎng)，產(chǎn)生的應(yīng)變變大。這一現(xiàn)象說(shuō)明內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)在溫度的影響下會(huì)發(fā)生顯著的變化，導(dǎo)致花崗巖的彈性模量和泊松比會(huì)發(fā)生較大變化，使得圍巖支護(hù)機(jī)構(gòu)失效，并最終影響地下工程圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 不同溫度下的應(yīng)力～時(shí)間圖

2.2 抗拉強(qiáng)度變化特征

溫度的變化會(huì)影響巖石的應(yīng)力發(fā)展特征，并最終導(dǎo)致巖石抗拉強(qiáng)度發(fā)生變化，具體數(shù)值見(jiàn)表1。從圖3中花崗巖的抗拉強(qiáng)度變化特征可以看到，抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而不斷減小。在25～300 ℃，抗拉強(qiáng)度變化較小，測(cè)得的抗拉強(qiáng)度仍大于10 MPa。在300～400 ℃，花崗巖的抗拉強(qiáng)度急速下降，從300 ℃時(shí)的11.08 MPa下降到400 ℃時(shí)的4.84 MPa，下降幅度高達(dá)56.32%，意味著在該溫度范圍內(nèi)花崗巖損傷較為嚴(yán)重。在400 ℃后，抗拉強(qiáng)度處于小范圍的波動(dòng)，損傷程度并沒(méi)有進(jìn)一步加劇?？估瓘?qiáng)度的這一變化特征說(shuō)明花崗巖的損傷閾值溫度在300～400 ℃區(qū)間，該范圍內(nèi)花崗巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。

表1 花崗巖的物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 花崗巖平均抗拉強(qiáng)度變化圖

2.3 縱波波速與質(zhì)量變化規(guī)律

巖石在加熱過(guò)程中，會(huì)發(fā)生裂紋損傷演化和水分喪失等變化，導(dǎo)致巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。圖4為花崗巖縱波波速、質(zhì)量損失率隨溫度的變化關(guān)系，其中，質(zhì)量損失率采用下式計(jì)算：

圖4 花崗巖平均質(zhì)量和縱波波速變化圖

式中：M1——巖石初始質(zhì)量；

M2——巖石加熱后的質(zhì)量。

在高溫加熱環(huán)境中，巖石中的自由水、沸石水、結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水會(huì)逐步蒸發(fā)[10]，同時(shí)巖石內(nèi)部的風(fēng)化產(chǎn)物和有機(jī)物發(fā)生燃燒，也會(huì)導(dǎo)致巖石的質(zhì)量隨溫度不斷減小。水分喪失會(huì)導(dǎo)致晶體骨架破壞，礦物顆粒之間的不協(xié)調(diào)變形也會(huì)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生微裂紋，彈性波在這種巖石中傳播會(huì)受到阻礙，從而導(dǎo)致測(cè)得的巖石縱波波速下降。巖石縱波波速的下降在一定程度上可以表征巖石的熱損傷程度，利用縱波波速計(jì)算巖石的損傷變量已經(jīng)在較多文獻(xiàn)中提及[11]。

2.4 聲發(fā)射特征

2.4.1 聲發(fā)射時(shí)空演化規(guī)律

巖石在變形破壞過(guò)程中其內(nèi)部積聚的能量會(huì)釋放，聲發(fā)射作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，可以有效地捕捉巖石內(nèi)部釋放的彈性應(yīng)變能，從而對(duì)巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[12]。本文主要以聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和聲發(fā)射b值來(lái)對(duì)巖石微裂紋的時(shí)空演化特征進(jìn)行分析。巖石的斷裂與地震發(fā)生的機(jī)制類(lèi)似，因此，聲發(fā)射b值的概念和計(jì)算公式也是由地震頻度與震級(jí)之間的關(guān)系演化而來(lái)，具體計(jì)算公式如下[13]：

式中：AdB——聲發(fā)射振幅，通常是根據(jù)門(mén)檻值設(shè)置；

N——振幅大于AdB的選定時(shí)間窗口中相等數(shù)量的聲發(fā)射事件總數(shù)；

a——常數(shù)；

b——本文所求的數(shù)值。

本文利用掃描算法進(jìn)行計(jì)算。

圖5為花崗巖在不同溫度下的聲發(fā)射演化特征圖。從圖中可以看出，在整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射b值呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)式的發(fā)展。在加載初期，聲發(fā)射采樣窗口事件跨度較大，因此該階段的聲發(fā)射b值測(cè)取不到。從圖5(a)中可以看出，常溫下花崗巖在破壞前的聲發(fā)射b值維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平，直到試樣在即將破壞時(shí)聲發(fā)射b值突發(fā)式下降，這可以作為巖石破壞失穩(wěn)的重要預(yù)警信號(hào)。在花崗巖加熱后，聲發(fā)射b值的變化特征與常溫下的略顯不同，試樣破壞前聲發(fā)射b值只在短時(shí)間內(nèi)維持了穩(wěn)定狀態(tài)，之后呈現(xiàn)出了劇烈的波動(dòng)，見(jiàn)圖5(b)～圖5(d)。隨著加熱溫度的進(jìn)一步提高，聲發(fā)射b值先是呈現(xiàn)緩慢的減小，然后在破壞時(shí)發(fā)生陡降。聲發(fā)射b值增大意味著巖石裂紋發(fā)展以小尺度裂紋為主，聲發(fā)射b值減小則是以大尺度裂紋發(fā)展為主。在巴西劈裂破壞過(guò)程中，巖石內(nèi)部的裂紋首先保持穩(wěn)定發(fā)展，主要以小裂紋發(fā)展為主，隨著裂紋的不斷增多和相互連通，則此時(shí)巖石的裂紋向大尺度發(fā)展。聲發(fā)射b值的變化情況與劈裂破壞過(guò)程有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用聲發(fā)射b值的變化情況可以有效預(yù)警巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況。

圖5 不同溫度下的聲發(fā)射特征圖

2.4.2 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)特征

聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)是聲發(fā)射中較為重要的一個(gè)參數(shù)，可以反映巖石內(nèi)部破裂和微裂紋的演化特征。累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化大致都是經(jīng)歷破壞前的緩慢變化和破壞時(shí)的直線(xiàn)式上升。這與巖石的破壞特征是對(duì)應(yīng)的，花崗巖在破壞前內(nèi)部損傷緩慢積累，直到內(nèi)部損傷積累到一定程度，超過(guò)了巖石的強(qiáng)度極限，巖石會(huì)發(fā)生突發(fā)式的破壞。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，常溫下花崗巖在破壞前累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)上升速率較快，破壞時(shí)則突然上升。而在加熱后，巖石初始加載階段幾乎維持在一個(gè)較低的水平，上升速率幾乎為零；而后當(dāng)應(yīng)力增加到一定水平，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)則開(kāi)始緩慢增加，說(shuō)明此時(shí)內(nèi)部裂紋開(kāi)始發(fā)育；在臨近破壞前某一應(yīng)力水平，巖石已經(jīng)較難維持裂紋發(fā)展所需要的極限，此時(shí)內(nèi)部損傷已經(jīng)達(dá)到最大，裂紋幾乎都連通，在試樣破壞時(shí)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)則開(kāi)始快速上升。

圖6 不同溫度下的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)

2.4.3 聲發(fā)射事件數(shù)變化特征

巖石聲發(fā)射事件數(shù)是用來(lái)反映材料局部變化的一個(gè)參數(shù)，用于反映事件的總量和頻度。圖7顯示了不同溫度下巴西劈裂過(guò)程中聲發(fā)射事件數(shù)的變化過(guò)程。如圖7（a）所示，在巖石破壞前，聲發(fā)射事件數(shù)處于一個(gè)較低的水平，但聲發(fā)射事件數(shù)出現(xiàn)的頻度較高；當(dāng)試樣快要破壞時(shí)，巖石的聲發(fā)射事件數(shù)水平快速上升，但聲發(fā)射事件的頻率大幅度降低，只可見(jiàn)零星的聲發(fā)射事件產(chǎn)生。在400 ℃時(shí)，巖石破壞前的聲發(fā)射事件數(shù)幾乎都低于20，破壞時(shí)試樣的聲發(fā)射事件數(shù)快速上升。在700 ℃巖石聲發(fā)射事件數(shù)出現(xiàn)的頻率較高，且隨加載不斷進(jìn)行，聲發(fā)射事件數(shù)在不斷上升，在破壞時(shí)產(chǎn)生聲發(fā)射事件數(shù)的頻率也較高。這說(shuō)明在常溫時(shí)巖石裂紋的發(fā)展處于緩慢發(fā)展階段；在中等溫度加載初期的裂紋發(fā)展穩(wěn)定，而在破壞時(shí)則發(fā)展較為迅速；在高溫階段，巖石裂紋的發(fā)展比較迅速。

圖7 聲發(fā)射事件數(shù)在不同溫度下的變化特征

2.4.4 聲發(fā)射能量變化規(guī)律

圖8為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的巴西劈裂過(guò)程中的釋放的累計(jì)能量。從圖中可以看到，在常溫下花崗巖加載過(guò)程釋放的能量最多，在試樣加熱后，巖石劈裂所釋放的能量快速減小，之后所監(jiān)測(cè)到的巖石能量幾乎都處于一個(gè)波動(dòng)的狀態(tài)。這說(shuō)明未加熱的花崗巖在受到外荷載后巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，而加熱后的花崗巖由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了預(yù)損傷，在外荷載作用下巖石的結(jié)構(gòu)變化程度減弱了許多，因此巖石破壞所釋放的能量減小了許多。

圖8 聲發(fā)射能量在不同溫度下的變化特征

2.5 應(yīng)力門(mén)檻值變化特征

巖石微裂紋的發(fā)展是一個(gè)漸進(jìn)性的過(guò)程，因此，分析巖石每個(gè)階段裂紋的發(fā)展進(jìn)程對(duì)于學(xué)習(xí)巖石熱損傷機(jī)制是十分必要的。通過(guò)分析累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化特征可知，巖石會(huì)經(jīng)歷一個(gè)裂紋開(kāi)始和裂紋損傷階段，對(duì)應(yīng)著累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)開(kāi)始增加和巖石破壞時(shí)的突然增加階段。巖石的劈裂破壞過(guò)程與單軸壓縮破壞過(guò)程不同，巖石單軸壓縮過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷較為明顯的裂隙壓密階段、線(xiàn)彈性階段、裂紋非穩(wěn)定發(fā)展以及破壞階段，而巴西劈裂試驗(yàn)過(guò)程中所表現(xiàn)的階段性特征并不是特別明顯，本文的劈裂破壞過(guò)程只經(jīng)歷過(guò)線(xiàn)性發(fā)展階段和破壞階段，難以通過(guò)分析應(yīng)力曲線(xiàn)來(lái)對(duì)裂紋的發(fā)展有一個(gè)定性的認(rèn)識(shí)。結(jié)合聲發(fā)射參數(shù)的變化特征可以較好地識(shí)別裂紋起始點(diǎn)和巖石破壞狀態(tài)。

表2為不同溫度下花崗巖裂紋起始和裂紋損傷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平?？傮w而言，裂紋起始應(yīng)力和裂紋損傷應(yīng)力是隨溫度增長(zhǎng)在減小的。并且，圖9展示了裂紋起始應(yīng)力門(mén)檻比值和裂紋損傷應(yīng)力門(mén)檻比值隨溫度的變化關(guān)系，兩種應(yīng)力門(mén)檻比值分別采用下式計(jì)算[14]：

圖9 裂紋初始與裂紋損傷應(yīng)力門(mén)檻比值變化

表2 裂紋起始與裂紋損傷應(yīng)力平均值

從圖9中可以明顯看出隨著溫度增長(zhǎng)，裂紋起始從常溫時(shí)的峰值應(yīng)力的49.68%逐漸減小為700 ℃的16%，而裂紋損傷大致維持在峰值應(yīng)力的95%左右。這意味著隨著溫度增長(zhǎng)，裂紋出現(xiàn)得越來(lái)越早，而溫度并沒(méi)有明顯改變裂紋損傷出現(xiàn)的快慢，花崗巖在溫度的影響下越容易出現(xiàn)微裂紋，且在高溫下裂紋的發(fā)展演化過(guò)程逐漸變長(zhǎng)，但結(jié)合累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化特征可知，巖石微裂紋是漸進(jìn)式發(fā)展的，是處于穩(wěn)定可控的狀態(tài)下，這也是加固地下工程圍巖的最佳時(shí)間。

2.6 花崗巖破壞特征

隨著巖石微裂紋的不斷發(fā)展并逐漸相互貫通，損傷程度不斷加劇并超過(guò)了花崗巖的強(qiáng)度極限，巖石開(kāi)始產(chǎn)生破壞。正常情況下，巖石的起裂點(diǎn)是從圓盤(pán)中心發(fā)展，并逐漸向兩端擴(kuò)展，最后平行于加載方向形成一條主裂紋。圖10展示了不同溫度下花崗巖的宏觀破壞模式。從圖中可以看出，花崗巖主要以單一主裂紋破壞為主，與砂巖的破壞模式不同，花崗巖的脆性明顯，在力的作用下并沒(méi)有形成明顯的次生裂紋。在兩端仍可以看到明顯的裂紋路徑，只是并沒(méi)有形成肉眼可見(jiàn)的裂紋。

圖10 花崗巖宏觀破壞模式圖

為了進(jìn)一步對(duì)花崗巖圓盤(pán)的斷裂主裂紋進(jìn)行描述，將斷裂主裂紋放在顯微鏡下進(jìn)行觀察，并將整個(gè)斷裂的微觀形貌進(jìn)行拼接。從圖11中各溫度下主裂紋的微觀形貌可知，巖石斷裂面的形態(tài)符合巴西劈裂狀態(tài)下的應(yīng)力分布特征。斷裂面在靠近中心處張開(kāi)度最大，兩端較為緊密，證明巖石是從中心處開(kāi)始破裂，直至發(fā)展到兩端為止。隨著溫度的進(jìn)一步提高，破壞形態(tài)也發(fā)生了一些變化，斷裂面變得更不平整，且斷裂面端部的巖石碎塊發(fā)生掉落，造成巖石斷裂面存在少許空缺，600 ℃時(shí)花崗巖的斷裂面充填有一些破壞的花崗巖小顆粒，說(shuō)明巖石破裂較為嚴(yán)重?？傮w而言，隨著溫度升高，劈裂面的粗糙程度遞增。這可能是由于水分的喪失造成礦物組分之間的膠結(jié)程度變?nèi)?，主拉?yīng)力的破碎程度加劇，表現(xiàn)為劈裂面隨溫度增加從光滑變得粗糙，損傷程度變嚴(yán)重。

圖11 不同溫度下花崗巖斷裂面顯微圖

3 討 論

巖石的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)表現(xiàn)為先是線(xiàn)性發(fā)展趨勢(shì)然后破壞，應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)在一定程度上可以反映材料內(nèi)部的位錯(cuò)、微裂縫、微孔隙等情況，間接反映了材料的形變能力。因此可以通過(guò)定義應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)中近線(xiàn)性發(fā)展階段曲線(xiàn)的斜率來(lái)反映應(yīng)力的增長(zhǎng)速率，則得到了一個(gè)反映圓盤(pán)試樣應(yīng)力增長(zhǎng)快慢的參數(shù)。計(jì)算各溫度等級(jí)下有效試樣的應(yīng)力增長(zhǎng)因子（即應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)中近線(xiàn)性發(fā)展階段曲線(xiàn)的斜率），將其繪于圖12中。由圖可知，隨著溫度升高，總體上花崗巖的應(yīng)力增長(zhǎng)因子可以劃分為兩個(gè)階段，分別為 25～500 ℃ 和 500～700 ℃，在 25～500 ℃ 應(yīng)力增長(zhǎng)因子總體上表現(xiàn)為隨溫度增加而緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在500～600 ℃應(yīng)力增長(zhǎng)因子發(fā)生急速下降，在600～700 ℃應(yīng)力增長(zhǎng)因子緩慢下降。這可能是由于花崗巖在低溫階段的巖石礦物顆粒的性質(zhì)還沒(méi)有發(fā)生較大變化，且在低溫階段巖石內(nèi)部水分喪失，礦物顆粒之間的潤(rùn)滑作用減弱，發(fā)生位錯(cuò)的可能性減小；而在500～600 ℃，由于石英發(fā)生從相到相的轉(zhuǎn)變[15]，使得巖石礦物顆粒承載變形能力發(fā)生變化，巖石應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢。

圖12 應(yīng)力增長(zhǎng)因子隨溫度的變化關(guān)系

與應(yīng)力增長(zhǎng)因子的變化特征不同的是，巖石的抗拉強(qiáng)度在300～400 ℃發(fā)生顯著下降，而應(yīng)力增長(zhǎng)因子則是在500～600 ℃發(fā)生急速下降。巖石的抗拉強(qiáng)度描述的是巖石的整體承載能力，本文定義的應(yīng)力增長(zhǎng)因子反映的是巖石某一階段的應(yīng)力變化情況和形變能力?？梢酝ㄟ^(guò)裂紋化和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)解釋這一現(xiàn)象，應(yīng)力引起的裂紋化對(duì)溫度不敏感，而位錯(cuò)作為晶格缺陷，其活動(dòng)性受熱增強(qiáng)。因此，隨著溫度增長(zhǎng)，巖石的整體承受能力和應(yīng)力發(fā)展特征表現(xiàn)出不一樣的特征。如2.4.3節(jié)所分析的巖石聲發(fā)射事件數(shù)一樣，在不同加載階段巖石裂紋發(fā)展特征表現(xiàn)并不一樣，這與應(yīng)力增長(zhǎng)的快慢有直接關(guān)系。

從以上分析中可以知道聲發(fā)射包括振鈴計(jì)數(shù)、事件數(shù)、能量以及演化而來(lái)的聲發(fā)射b值等參數(shù)，通過(guò)分析不同的聲發(fā)射參數(shù)可以解讀巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的變化信息，如通過(guò)聲發(fā)射b值的變化關(guān)系可以大致了解巖石微裂紋的尺度發(fā)展特征；通過(guò)聲發(fā)射能量的改變可以感知巖石損傷程度的改變。在地下工程圍巖穩(wěn)定性評(píng)估與監(jiān)測(cè)中，需要實(shí)時(shí)感知和分析圍巖結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)和程度，合理使用聲發(fā)射技術(shù)將為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加固提供有用的信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于巴西劈裂試驗(yàn)研究了不同溫度（25～700 ℃）加熱后花崗巖的抗拉強(qiáng)度變化特征和聲發(fā)射特征，同時(shí)也分析了巖石應(yīng)力的發(fā)展特征和裂紋演化規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

1）隨著溫度升高，花崗巖的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)發(fā)展特征明顯發(fā)生改變，以500 ℃為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在500 ℃前花崗巖破壞時(shí)間逐漸變短，500 ℃后破壞時(shí)間變長(zhǎng)，定義的應(yīng)力增長(zhǎng)因子也證實(shí)了這一結(jié)論；抗拉強(qiáng)度也是隨溫度在不斷減小，其中在300～400 ℃抗拉強(qiáng)度下降較快。

2）聲發(fā)射特征參數(shù)也隨溫度表現(xiàn)出了不一樣的特征。聲發(fā)射b值波動(dòng)式發(fā)展并隨溫度增長(zhǎng)變化波動(dòng)程度加劇。聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)加載初期變化緩慢而后快速增加，隨溫度增大累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增加幅度不一樣。聲發(fā)射能量和聲發(fā)射事件數(shù)均隨溫度而表現(xiàn)出了顯著變化。

3）定義了裂紋起始和裂紋損傷應(yīng)力門(mén)檻比值，隨著溫度增長(zhǎng)，裂紋初始應(yīng)力門(mén)檻比值在不斷減小，裂紋損傷應(yīng)力門(mén)檻比值則是先減小后緩慢增加，總體上裂紋隨溫度增加而出現(xiàn)得越快。

4）裂紋的數(shù)目、連通性隨溫度而發(fā)生改變，在宏觀上就表現(xiàn)為砂巖破壞模式不一，裂紋是從中心點(diǎn)起裂向兩端擴(kuò)展。預(yù)損傷程度不一樣，斷裂面的粗糙度、平整度、充填情況都會(huì)發(fā)生改變。