温度周期循环作用下岩石损伤特性的试验研究

牛传星，付厚利，秦 哲，冯佰研

(1.山东科技大学 a.土木工程与建筑学院；b.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；c.矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地； d.矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.临沂大学 土木工程与建筑学院，山东 临沂 276000)

温度周期循环作用下岩石损伤特性的试验研究

牛传星1a,1b，付厚利2，秦 哲1c,1d，冯佰研1a,1b

(1.山东科技大学 a.土木工程与建筑学院；b.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；c.矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地； d.矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.临沂大学 土木工程与建筑学院，山东 临沂 276000)

选取蚀变岩为试验对象进行了不同温度周期循环次数条件下的单轴压缩试验，对温度周期循环作用下岩石力学性质的损伤规律进行研究。研究结果表明：温度周期作用对蚀变岩的力学性质有明显的弱化现象，随着温度周期循环次数的增多，单轴抗压强度和弹性模量均减小，且二者与循环次数n的关系服从指数分布；不同岩石对温度周期作用敏感性不同，蚀变风化程度越高的岩石敏感性越强；单轴抗压强度比弹性模量更易受温度作用的影响，温度周期循环20次后，单轴抗压强度累积损伤值达35.69%，弹性模量累积损伤值为29.57%，且岩石力学参数损伤值与循环次数n的关系同样符合指数分布；通过电镜扫描技术发现在温度周期循环作用下岩石内部产生裂纹裂隙，矿物成分及内部结构发生改变，晶格间连接力减弱，力学性质发生改变。

蚀变岩；温度周期循环作用；力学试验；损伤特性；电镜扫描

1 研究背景

在高温高压条件下，地壳内部液体涌入岩石内部后与其发生物理化学反应改变了岩石性质而产生的新岩石称为蚀变岩[1]。蚀变岩受地质作用后力学性质发生改变，其力学特性的好坏将直接影响到工程的稳定性。有关蚀变岩力学性质的试验研究很多，杨燕等[2]、魏伟等[3]、牛传星等[4]、秦哲等[5]通过三轴压缩试验分析了蚀变岩力学性质，并结合工程实例分析说明了其危害性。蚀变岩所处的地质环境极其复杂，由于受成岩因素的限制，其面临多变的温度场，尤其常常受温度升降循环作用的影响，该作用改变了蚀变岩的工程力学性质，给蚀变岩岩体的稳定性带来了很多不确定因素。因此有必要对温度周期作用下蚀变岩的力学性质进行研究，以便为此类岩石工程的稳定性评价提供一定的参考。

目前，学术界对温度作用下岩石的力学性质进行了很多研究并取得了大量的成果。Park等[6]以典型岩石为试验对象探究了温度作用对其热物理参数的影响；Inada等[7]进行了干燥饱和条件下岩石的力学试验，研究了不同温度、不同围压状况下，其力学参数的变化规律，发现岩石力学参数随着温度的升高而减小；Hajpál[8]通过电镜扫描技术对经历温度变化前后的岩石的物理力学参数进行了研究，发现了各参数随温度变化的规律；Rocchi等[9]对火山岩进行了高温高压条件下的岩石力学试验，测试了该条件下岩石的力学性能；徐光苗等[10]选取2种典型岩石为试验对象，探究了岩石在不同温度、含水率条件下岩石力学参数的变化规律，发现岩石的力学参数随温度的升高而减小，且不同岩石受温度影响的程度不同；刘石等[11]通过岩石的单轴压缩试验发现峰值强度在100 ℃及400 ℃时得以强化，超过800 ℃时岩石的峰值强度急剧下降，到1 000 ℃时基本失去承载力；刘均荣等[12]从微观角度研究了高温对岩石性质的影响，发现高温条件下岩石矿物成分结构构造发生变化，裂纹裂隙增多，岩石力学性质弱化。

本文利用电液伺服岩石三轴试验机对分别经历了0，5，10，15，20次温度周期循环的蚀变岩进行了岩石的单轴压缩试验，对经历温度周期循环后蚀变岩的抗压强度、弹性模量、轴向应变以及损伤值随温度的变化规律进行了研究。

2 试验设计

2.1 试验材料

表1 岩石工程地质特征Table 1 Engineering geological characteristics of rocks

2.2 试验设计

本次试验采用TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机。为了模拟温度升降循环条件，将进行试验的每种岩样分5组，每组3个试样，并对每个试样进行编号，分别模拟0(自然状态)，5，10，15，20次的循环条件。一次升温降温循环具体设计为：首先将箱式电阻炉温度设置为20 ℃，放入试样进行升温至200 ℃，升温速率为0.02 ℃/min，当达到预定设置温度后继续保持恒温2 h后再降至20 ℃，降温速率仍为0.02 ℃/min，达到20 ℃后保持恒温2 h，与此同时试验机加压室温度保持为20 ℃，压力室的温度通过热浴循环装置对压力机内的液压油进行温度控制，并且在压力室内埋设温度传感器，以便实时监控温度变化。在进行试验前对岩样进行烘干处理，且整个试验过程中实验室空气湿度保持恒定。对准备好的每组岩样进行单轴压缩试验，对试样的轴向进行缓慢加载直到岩块发生破坏，记录试件应力-应变变化，对破坏状态进行详细描述，得出试验数据。

3 试验结果与分析

3.1 温度周期循环作用对蚀变岩力学性质的影响

通过试验可以得到2种岩石的应力-应变曲线，如图1所示。2种岩石的力学参数试验结果见表2。

由图1、表2可知，经过温度周期循环作用后蚀变岩的抗压强度有所降低，且循环次数越多，抗压强度越小，极限抗压强度对应的轴向应变越大。

图1 蚀变岩温度周期循环作用下 应力-应变曲线Fig.1 Curves of axial stress vs. axial strain of altered rocks under cyclic temperatures

表2 温度周期循环作用下单轴压缩试验数据Table 2 Data of uniaxial compression tests under cyclic temperatures

为了分析力学参数随温度周期循环次数的变化关系，分别以峰值强度和弹性模量为纵坐标，循环次数n为横坐标，对试验数据进行拟合分析，拟合结果如图2所示。

图2 力学参数随温度周期循环次数的变化Fig.2 Variations of mechanical parameters with the change of temperature cycles

由图2可知，在温度周期循环作用下岩石的力学参数产生了不同程度的弱化现象，2种蚀变岩的单轴抗压强度和弹性模量随着温度周期循环次数的增多而减小；2种岩石的单轴抗压强度和弹性模量与循环次数n的关系符合指数分布。

3.2 蚀变岩损伤值与温度周期循环次数的关系

在目前临床中,艾司唑仑属于较为常用的抗失眠药物,属于苯二氮卓类药物。其镇静、催眠以及抗焦虑作用可观,但存在一定的副作用。本研究结果中,两组患者的治疗总有效率差异并不显著,表示中医综合治疗可改善患者的睡眠治疗。综合组SAS、SDS评分均优于单纯组,P<0.05。表示,两组患者在改善失眠的效果上大同小异,然而在改善患者抑郁焦虑状态方面,中医综合治疗更胜一筹,存在明显优势。

通过对上述试验结果的分析可以得出2种岩石在温度周期循环作用下力学性质发生了不同程度的损伤。为分析温度作用对力学参数损伤变化的规律，分别建立以不同指标(单轴抗压强度、弹性模量)进行量化的损伤演化规律，其计算式为：

(1)

式中：Hc，He分别为循环n次的单轴抗压强度累积损伤值、弹性模量累积损伤值；σc0，σcn分别为蚀变岩初始状态、循环n次的单轴抗压强度；E0，En分别为蚀变岩初始状态、循环n次的弹性模量。

根据单轴抗压试验结果，利用式(1)计算出了2种岩石在不同次数温度周期循环作用下岩石的累积损伤值，计算结果如表3所示。通过分析表3中数据可以得到蚀变岩1在经过20次循环后，单轴抗压强度累积损伤值为34.69%，弹性模量累积损伤值为29.57%；当循环相同5次、10次和15次时单轴抗压强度累积损伤值都大于弹性模量累积损伤值。对于蚀变岩2也有此规律，说明采用单轴抗压强度量化的损伤值要比采用弹性模量量化的损伤值大，因此可以得出温度周期循环作用对岩石单轴抗压强度的影响大于对弹性模量的影响。2种岩石损伤值增加幅度减缓，即初期进行温度周期循环试验时其损伤发展较快，越往后发展越慢。

表3 岩石力学性质损伤值Table 3 Damage values of mechanical properties of rocks

3.3 岩石力学性质损伤变化分析

为了分析温度周期循环作用对岩石的损伤效应，以循环次数n为横坐标，以累积损伤值为纵坐标进行拟合分析，拟合曲线如图3所示。

图3 力学参数损伤值随温度周期循环次数的变化Fig.3 Variations of damage values of mechanical parameters with the change of temperature cycles

在经历不同次数的温度周期循环作用后，2种岩石累积损伤值均增加，开始时累积损伤值随着循环次数的增多增幅较大，后期增幅减小，趋于稳定；累积损伤值与循环次数n的关系符合指数分布；蚀变岩1在循环5，10,15，20次时的力学参数损伤值均大于蚀变岩2，说明不同蚀变程度的岩石对于温度作用的敏感性有所差别，蚀变、破碎程度越大，受温度循环周期作用的影响越大。

3.4 温度周期循环作用对蚀变岩力学特性的影响机理

在蚀变作用下岩石的矿物成分、内部结构以及物理化学性质发生变化进而弱化其力学性质，尤其在温度周期循环作用下这种弱化现象更为明显。在温度的升降循环作用下，岩石内部的矿物性质、成分及结构将会发生变化，晶格构造产生破坏。 为了更进一步探究温度对蚀变岩的损伤机理，对蚀变程度大的蚀变岩1在不同温度周期循环次数作用下单轴试验后的破裂断口的微观形貌进行电镜扫描，扫描结果简图见图4。

图4 不同温度周期循环次数下蚀变岩1细观结构Fig.4 Mesoscopic structures of altered rock 1 under different temperature cycles

由图4可以看出，不同温度周期循环作用下蚀变岩1单轴压缩破坏后其断裂口处表现出不同的微观形态：自然状态(循环0次)下断裂面光滑平整，结构整体性强，无裂缝，颗粒间充满胶结物；随循环次数的增多，断裂面整体性减弱，结构连接力减小，破裂面产生很多裂隙，循环5，10次后裂缝扩展发育，晶格间连接力减弱，裂缝以一条裂缝为中心，逐步向四周的颗粒边界或颗粒内部延伸，形成比较好的裂缝网络；循环次数达到20次后，晶格内部产生大量裂纹裂隙，结构遭到破坏变得松散，说明温度周期循环作用对蚀变岩具有明显的损伤作用。

与其他岩石相比较，蚀变岩内部结构连接力较弱，导致其物理力学性质表现出不均匀性，更容易受温度作用的影响。在温度周期循环作用下，岩石内部的胶结物和黏土填充物的物理化学性质发生改变，矿物在温度降低时受热胀冷缩的影响发生收缩现象，结构趋于弱化；在温度升高的过程中由于热应力的作用发生膨胀而使弱化的结构产生裂隙，在反复温度升降作用下，晶格间及其内部裂隙宽度不断增大，随着裂隙的发育、延伸和贯通，岩石的力学参数损伤现象愈加明显。

4 结 论

本文以蚀变岩为试验对象进行了不同温度周期循环作用下的岩石的单轴压缩试验，探究了温度升降循环作用对岩石的损伤规律，所得结论如下：

(1) 随着温度作用循环次数增多，抗压强度减小，极限抗压强度对应的轴向应变增大；不同力学性质对温度周期循环作用的敏感性不同，弹性模量的敏感性低于单轴抗压强度，单轴抗压强度和弹性模量与循环次数n的关系均服从指数分布。

(2) 当温度周期循环作用增加时，蚀变岩力学参数累积损伤值均增加，且前期增长迅速而后期增长幅度减小，累积损伤值与循环次数n的关系符合指数分布。

(3) 温度升降对蚀变岩力学性质的影响主要是通过改变岩石内部矿物成分、 结构构造而发挥作用， 温度的周期循环作用使得晶格间及其内部发生裂纹扩展， 导致裂隙发育更加完全； 岩石内部矿物成分的改变、 裂纹裂隙的发展影响了岩石宏观的力学性质。

[1] 杨根兰，黄润秋，王奖臻，等.某工程蚀变岩孔隙特征及其软弱程度研究[J].矿物岩石， 2006，26(4)：111-115.

[2] 杨 燕，付小敏.某工程蚀变岩抗剪强度特性的影响因素[J].实验室研究与探索，2009， 28(1)：42-44，107.

[3] 魏 伟，沈军辉，苗 朝，等.风化、蚀变对花岗斑岩物理力学特性影响分析[J].工程地质学报，2012，20(4)：599-606.

[4] 牛传星，秦 哲，冯佰研，等.水岩作用下蚀变岩力学性质损伤规律[J].长江科学院院报，2016，33(8):75-79.

[5] 秦 哲，付厚利，程卫民，等.水岩作用下露天坑边坡岩石蠕变试验分析[J].长江科学院院报，2017，34(3)：85-89.

[6] PARK C，SYNN J H，SHIN H S，etal. An Experimental Study on the Thermal Characteristics Rock at Low Temperature[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(3): 81-86.

[7] INADA Y，YOKOTA K. Some Studies of Low Temperature Rock Strength[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1984，21(3)：145-153.

[10]徐光苗，刘泉声，彭万巍，等.低温作用下岩石基本力学性质试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(12)：2502-2508.

[11]刘 石，许金余，刘志群，等.温度对岩石强度及损伤特性的影响研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30(4)：583-588.

[12]刘均荣，吴晓东．热处理岩石微观实验研究[J]．西南石油大学学报(自然科学版)，2008，30(4)：15-18.

(编辑：罗 娟)

Damage Characteristics of Rock under Cyclic Temperatures

NIU Chuan-xing1,2，FU Hou-li3，QIN Zhe4,5， FENG Bai-yan1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.Key Laboratory of Civil Engineering and Disaster Prevention and Mitigation of Shandong Province, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Linyi University, Linyi 276000, China； 4.State Key Laboratory of Mining disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 5.College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Uniaxial compression tests were carried out on altered rocks under different temperature cycles to investigate the damage patterns of mechanical properties under cyclic temperatures. Results show that the mechanical properties of the altered rocks are obviously weakened by effects of temperature cycles. With the increase of temperature cycle times, uniaxial compressive strength and elastic modulus decreased and the relationships between them and temperature cycles obeyed exponential distribution. The sensitivity of different rocks to the temperature cycles is different, and the higher the degree of alteration of weathering is, the stronger the sensitivity is. Uniaxial compressive strength is more vulnerable to temperature than elastic modulus does. The cumulative damage values of uniaxial compressive strength reached 35.69% and elastic modulus 29.57% after 20 times of temperature cycles. The relationships between damage values of mechanical properties and the temperature cycles also obeyed exponential distribution. Results of electron microscope scanning revealed that cracks were generated in rocks under cyclic temperatures, mineral composition and internal structure changed, connection force between the lattice was weakened and mechanical properties were changed.

altered rock；cyclic temperature； mechanical test；damage characteristics；scanning electron microscope

2016-01-18；

2016-02-29

牛传星(1990-)，男，山东聊城人，硕士研究生，主要从事岩土工程理论方面的研究，(电话)17854284783(电子信箱)1205165230@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160053

2017,34(4):78-82

TU458

A

1001-5485(2017)04-0078-05