热循环作用下大理岩力学特性试验研究

吴 琦，蒙世仟，蒋买勇，荣 冠

(1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072；3. 广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院，南宁 530023；4. 湖南水利水电职业技术学院，长沙 410131)

0 引 言

随着人们开发利用地下空间的程度[1]越来越大以及破裂学、摩擦学和流变学几个学科的不断发展[2]，高温高压岩石力学顺理成章成了岩石力学研究的新课题。由于岩石具有不均匀性、复杂性和岩石-流体相互作用的特点，所以高温高压作用后的岩石力学特性与常温状态下差距较大，因此开展高温高压条件下岩体力学特性试验研究对于大型水利水电工程、地热工程是非常有必要的。

目前，国内外学者在围绕温度、围压作用下的岩石物理及力学性质变化开展了大量的理论研究、实验室研究及现场试验研究。徐小丽等[3]利用美国MTS公司研发的试验系统不同温度下的花岗岩进行了不同围压作用下的三轴压缩实验，研究了在围压及温度这两个不同自变量下花岗岩的力学性质的变化规律。李道伟等[4]对大理岩岩样在不同温度下进行了单轴试验，发现在高温作用后的大理岩物理及力学特性显著劣化。吴刚等[5]对取自徐州的大理岩岩样自常温至800 ℃设置温度梯度进行了物理及力学性质试验研究，对产生的力学特性曲线随温度的变化情况进行了细致分析，并对设置的不同温度梯度下岩样的细观特征进行了初步研究。在此基础上，陈国飞等[6]分析了经历800 ℃热损伤后的大理岩岩样物理性质与力学性质随温度的变化规律，同时利用声发射仪对热损伤后的大理岩破裂演化规律进行了探究。汪然等[7]采用RMT-150C岩石力学试验系统进行了3种不同温度处理后的大理岩三轴试验及经历了热循环的大理岩的单轴压缩试验，深入分析了大理岩在不同温度热循环作用下的力学特性变化趋势。金济山[8]深入探究了不同大小围压作用下的大理岩力学性质的差异。侯迪等[9]研究了不同高温处理后的粗粒大理岩试样在40 MPa围压范围内的常规三轴压缩试验，分析了高温处理和围压共同作用下大理岩的强度与变形特征。随着研究的不断深入，学者们也开始考虑到热循环作用对岩石力学损伤的影响，倪骁慧等[10]采用岩石单轴压缩试验分别对经历4种不同高温和3种不同循环次数后的大理岩试样力学性质进行了研究。曾严谨等[11]对不同围压下经历了不同热循环次数的大理岩岩样进行了裂纹扩展的细观研究。由此，本文认为进行大理岩岩样的宏观力学特性试验研究是非常有必要的且十分有现实意义的。

本文通过开展不同围压作用下及不同热循环次数处理后的大理岩三轴压缩试验，分析了大理岩轴向应力-轴向应变曲线、轴向应力-侧向应变曲线、三轴抗压强度、三轴峰值应变、弹性模量等与围压及温度的关系。研究结果对地下空间的开发及工程安全稳定有着非常重要的意义。

1 试验设计

1.1 岩样基本物理指标

试验所用大理岩取自河南省商丘市，呈乳白色，表现为细粒变晶结构，块状构造，均质性好。各矿物颗粒粒径范围为0.2～0.5 mm，属白云石大理岩，试样如图1所示。经衍射分析显示，白云石大理岩主要矿物成分为白云石、方解石及少量钠长石，各组分含量见表1。岩样的物理力学参数见表2。

表1 大理岩矿物组分含量表Tab.1 Marble mineral component content

表2 大理岩试样物理力学参数表Tab.2 Physical and mechanical parameters of marble samples

图1 大理岩标准试样Fig.1 Marble standard samples

1.2 试验设备

本试验的试验设备包括TAW-3000型三轴伺服多场耦合试验系统、SX2-10-12型高温箱式电阻炉等。

图2 TAW-3000型三轴伺服多场耦合试验系统Fig.2 TAW-3000 rock three-axis servo multi-field coupling test system

图3 SX-2-10-12型高温箱式电阻炉Fig.3 SX-2-10-12 high temperature box type resistance furnace

1.3 试验方案

将本次试验岩样放置于SX2-10-12箱式电阻炉中按10 ℃/min的速率加热至400 ℃，保持炉箱恒温4 h使试样完全受热，随后打开炉箱使其自然冷却至室温，这个循环过程称为一次热循环。本次试验设置的热循环次数分别为0次、1次、2次、4次、8次，每种循环次数为1组，每组3个试样。三轴压缩试验在TAW-3000型岩石三轴伺服多场耦合试验系统上进行，按照0.25 MPa/s的速率同步施加轴压和围压至围压预设值，再以0.075 mm/min速率加载，直至岩样破坏后停止试验。试验设置0、5、10、15、20、25、30 MPa共7个围压等级。

2 试验结果分析

表3列出了经历不同热循环次数的岩样的基本物理力学参数平均值，挑选了较为完好的岩样试件，尽可能排除偶然性的干扰，所得结果具有较高可信度。

2.1 应力-应变曲线随热循环次数变化规律

图4为大理岩岩样在不同大小围压作用下经历不同热循环次数的应力-应变曲线(包括围压为0 MPa时的情况)。

由图4可知，对于应力-应变曲线来说，在围压一定时，经历不同热循环次数的岩样应力应变曲线趋势大体上是相似的，基本上都经历了压密阶段、弹性工作阶段、塑性性状阶段、破坏阶段这四个阶段。压密阶段：因岩样本就存在的细微裂隙受压闭合，于是这一阶段应变随着应力呈现非线性增加且增加速率较应力快，在图形上表现为稍微向上弯曲；弹性工作阶段：在这一阶段，岩样表现出明显的弹性，应力应变曲线表现为一段斜率为其弹性模量的直线；塑性形状阶段：这一阶段曲线斜率相对弹性工作阶段开始下降，在图形上表现为逐渐向下弯曲直至到达峰值强度点，这主要是因为岩样内开始形成大量细微裂隙并有贯通趋势；破坏阶段：这一阶段轴向应力开始下降，由于塑性形状阶段产生的大量细微裂隙发生贯通形成裂纹，根据格里菲斯理论，每种尺寸的裂纹对应着一个强度，作用在这个裂纹上的外应力超过其对应的强度值时，这个裂纹就会扩展，最终导致材料失去承载能力被破坏。

热循环作用对岩石力学性质的影响主要来自于3个方面：首先高温循环使得岩样中的结合水与结晶水析出，随着温度升高，原有的孔隙中水分蒸发到岩体外，这个过程导致岩石中孔隙变长、变大；其次在高温作用下，岩石矿物中组分发生变化，产生新型矿物后将导致岩石孔隙增加；最后一种影响是因为本试验大理岩岩样中白云石、方解石和钠长石受热后膨胀程度不同，导致其结构发生破裂，岩石内部微裂纹显著发育或产生新裂纹形成了连通网格，于是岩石孔隙率明显增大。

同时围压作用对大理岩强度与变形性质影响亦十分显著，其主要原因是岩石内大部分原本存在的微裂纹在围压作用下已被挤压闭合，这就导致随着围压逐渐上升的过程中，峰值强度、峰值应变及弹性模量均有增大趋势。

表3 不同热循环次数岩样的基本物理力学参数表Tab.3 Table of basic physical and mechanical parameters of rock samples with different thermal cycles

图4 热循环作用后的大理岩应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of marble after thermal cycling

2.2 强度与变形参数随热循环次数及围压大小变化规律

(1)峰值强度。对常温下和经历不同热循环次数的大理岩岩样进行了三轴压缩试验，得到的峰值强度(σP)与热循环次数及围压数值关系如图5和图6所示。由图可知，在同一围压下，大理岩峰值强度随着热循环次数增加而呈现减小趋势；而在热循环次数相同时，大理岩峰值强度随围压的升高而增大。在设置了6种不同热循环次数的情况下，大理岩岩样(不考虑围压)在经历了4种不同热循环次数后的三轴抗压峰值强度平均值分别是未经历热循环作用的72.60%(1次热循环)、64.08%(2次热循环)、57.88%(4次热循环)、45.56%(8次热循环)。可以看出，在经历了热循环作用后，大理岩岩样的峰值抗压强度随着热循环次数的增多而逐渐降低。这也表明了在相同条件下，如果温度升高，虽然岩石质点间的分子间作用力不变，但因为岩石质点间的凝聚力减弱及能量起伏作用下热运动能量大于激活能的少数岩石晶体质点脱离了平衡位置，形成了热缺陷，导致岩石峰值强度显著降低。

图5 不同围压下岩样峰值强度随热循环次数变化规律Fig.5 The variation of peak intensity of rock sample with thermal cycle times under different confining pressures

图6 不同热循环次数下岩样峰值强度随围压大小变化规律Fig.6 The variation of peak intensity of rock sample with confining pressure under different thermal cycles

从图5中可以看出4次热循环为峰值强度变化的临界次数，峰值强度在第4次循环后的下降幅度有明显的减缓趋势，说明了4次热循环后岩石已经受到较大不可恢复性热损伤。这导致此后虽然热循环次数继续增加，但是峰值强度下降幅度并没有4次热循环前显著。

另外，在设置了6种不同围压的情况下，大理岩岩样的三轴抗压峰值强度平均值(不考虑热循环次数)分别是无围压时的169.89%(5 MPa围压)、242.12%(10 MPa围压)、302.80%(15 MPa围压)、331.11%(20 MPa围压)、371.89%(25 MPa围压)、381.64%(30 MPa围压)。可以看出，在设置了围压后，大理岩的峰值强度相对单轴抗压强度有明显的增高。但随着围压逐渐增大，岩样峰值强度的增大趋势也慢慢减缓。这从热力学的角度来说，表明了在相同条件下，如果围压升高，则岩石质点间的分子间作用力增大，即岩石质点间凝聚力增强，高围压的岩石晶体发生断裂所需的能量增加，所以岩石的峰值强度显著增加。

(2)弹性模量。岩石的弹性模量(E)一般用来表征岩石的变形性质，此次试验弹性模量随着热循环次数与围压变化规律如图7和图8所示。由图可知，大理岩弹性模量随着热循环次数增加而呈现减小趋势，而在热循环次数相同时，大理岩弹性模量随围压数值的上升而增大。

图7 不同围压下岩样弹性模量随热循环次数变化规律Fig.7 The variation law of elastic modulus of rock sample with different confining pressures

图8 不同热循环次数下岩样弹性模量随围压大小变化规律Fig.8 The variation law of elastic modulus of rock sample with confining pressure under different thermal cycles

大理岩岩样(不考虑围压)在经历了4种不同次数热循环后的弹性模量平均值分别是未经历热循环作用的60.89%(1次热循环)、33.13%(2次热循环)、27.60%(4次热循环)、18.31%(8次热循环)。可以看出，在经历了热循环作用后，大理岩岩样的弹性模量随着热循环次数的增多而降低。这是因为大理岩经过多次热循环作用后，其脆性性质减弱，延性性质增强，使得岩样的弹性模量产生下降趋势。

由图亦可以看出4次热循环为弹性模量变化的临界次数，在4次热循环前弹性模量降幅较大，而在4次热循环后，弹性模量-循环次数曲线的斜率趋近于0。

在设置了6种不同围压的情况下，大理岩岩样的弹性模量平均值(不考虑热循环次数)分别是无围压时的118.59%(5 MPa围压)、164.25%(10 MPa围压)、175.26%(15 MPa围压)、266.54%(20 MPa围压)、198.51%(25 MPa围压)、216.15%(30 MPa围压)。可以看出，在设置了围压后，大理岩岩样的弹性模量相对无围压时有明显的升高，但随着围压逐渐增大，岩样峰值强度的增大趋势也慢慢减缓。原因是在围压较低时，大理岩内部的微裂纹细长且稀疏，而且此时大理岩表现为脆性，所以晶粒出现的位错少[8]。

(3)峰值应变。试验中得到的峰值应变(εP)与热循环次数及围压大小关系如图9和图10所示。由图可知，大理岩峰值应变随着热循环次数增加而呈现增大趋势；而在热循环次数相同时，大理岩峰值应变随围压的升高而增大。大理岩岩样(不考虑围压)在经历了4种不同次数热循环后的三轴峰值应变平均值分别是未经历热循环作用的141.70%(1次热循环)、161.64%(2次热循环)、169.46%(4次热循环)、220.66%(8次热循环)。可以看出，在经历了热循环作用后，大理岩岩样的峰值应变随着热循环次数的增多而逐渐增加，此时峰值应变增加原因分析为：因为高温使得岩石中的水分受热汽化为水蒸气从孔隙中溢出，于是岩石的热损伤加剧，岩石晶体间的胶结作用减弱，故晶体更容易发生相对位移及滑动，这使得岩石中的孔隙增大，从而表现为应变增大。图中没有明显峰值应变变化的热循环临界次数。

图9 不同围压下岩样峰值应变随热循环次数变化规律Fig.9 The variation of peak strain of rock sample with the number of thermal cycles under different confining pressures

图10 不同热循环次数下岩样峰值应变随围压大小变化规律Fig.10 The variation of peak strain of rock sample with confining pressure under different thermal cycles

另外，在设置了6种不同围压的情况下，大理岩岩样的三轴峰值应变平均值(不考虑热循环次数)分别是无围压时的152.69%(5 MPa围压)、182.69%(10 MPa围压)、202.69%(15 MPa围压)、232.37%(20 MPa围压)、244.07%(25 MPa围压)、249.61%(30 MPa围压)。可以看出，设置了围压后，大理岩岩样的峰值应变相对未设置围压时有了明显的增高，但随着围压增大到一定程度，岩样峰值应变的增大趋势也慢慢减缓。这里峰值应变增大的原因分析为：围压改变了岩石的力学性质，随着围压增大，岩石塑性增大，所以破坏前变形加大，于是应变增大。

3 结 论

本文对经历了不同围压下经历了不同热循环次数的大理岩岩样开展了三轴压缩试验，得到的主要结论如下：①在相同次数热循环作用下，大理岩岩样的峰值强度、峰值应变和弹性模量均随围压增大而增大。②在相同围压作用下，大理岩三轴压缩试验峰值应变随着热循环次数增加而增大，而峰值强度与弹性模量均随着热循环次数增加而呈现下降趋势。 ③在设置围压的情况下，岩石内大部分原本存在的微裂纹在围压作用下被挤压闭合，导致在围压逐渐上升的过程中，岩样的力学性质显著改善。④大理岩岩样内不同矿物受热后膨胀程度不同，导致其结构发生破裂，且岩石内部微裂纹显著发育或产生新裂纹形成了连通网格，于是岩样延性增强，力学性质劣化。

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