高温岩石热损伤力学性能研究进展

赵翠东，马秋娟，孙熇远，宿 辉

(1.河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056038；2.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038)

0 引 言

随着世界各国经济的不断发展，地下资源逐渐成为未来能源结构的主力，资源的开采刻不容缓。而在地下工程不断向深部进展的同时，高地温的问题引起了越来越多学者的关注[1]。目前，地下工程开发主要涉及到的问题为高温岩石热损伤对工程施工的影响。如地热能开采、高温引水隧洞施工、矿体施工及超深井钻探等工程都涉及到高温岩石热损伤情况[2]。科学界普遍认为，岩石发生热破坏的原因是岩石材料内部的临近层产生的剪切应力所导致[3]，温度作用下岩石发生破裂的界限为温度变化产生的热应力是否大于材料的破坏强度[4]。对于岩石热损伤情况，学者们普遍采用材料的破坏强度与最大热应力之比来判断材料的抗热破坏能力大小，并对热破坏能力进行表征分析[5]。在研究地下工程建设的同时，岩体的热损伤问题一直是国内外学者研究的重点，岩石材料的物理力学特性和其高温损伤机理非常重要，需要学者们不断深入研究。

1 不同高温作用下岩石材料在热损伤作用下的物理力学特性研究

高温岩石材料在热损伤作用下，其表现主要为内部的原生裂隙进一步发育，新的微裂纹出现生成、扩展、贯通，最终形成肉眼可见的裂纹趋势，并且随着温度升高，内部的裂纹越多，内部损伤情况也越严重，其物理力学特性也就发生相应改变。主要通过改变岩石材料的物理特性及力学特性两方面对其物理力学特性产生改变，在热损伤作用下岩石材料的表观颜色、纵波波速、质量损失率、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数对岩石材料的物理力学性能发生改变。针对这些变化，国内外诸多学者开展了一系列试验研究，主要集中在高温作用后[6-7]和实时高温[8]状态的岩石物理力学性能特性变化。

1.1 实时高温状态下岩石材料在热损伤作用下的物理力学特性变化

在实时高温研究方面，花岗岩处于实时加热作用下，单轴抗压强度与弹性模量随着温度的升高而降低。在400℃之前，对温度表现为不敏感即裂纹产生较少；400℃～600℃时，裂纹开始增多，孔隙与裂隙也开始明显增大；在600℃以后，裂隙增长速度则开始变缓。其内部的裂纹网络的扩展与声发射特征也相对应，在400℃之前，平均峰值应力下降，声发射累计数上升；而在400℃～600℃，花岗岩的峰值应力大幅下降，且声发射振铃累计数也发生急剧变化，随着温度升高，峰值明显减小，轴向应变呈现出增大趋势；600℃以后的峰值应力与声发射累计数都相应变缓[9-10]。砂岩材料在300℃时，弹性模量与峰值强度最大；在400℃～500℃时，砂岩的力学参数出现较大幅度变化，即此温度为砂岩的温度阈值[11]。对高温下的石灰岩和砂岩的膨胀特性展开研究，石灰岩由常温下的灰黑色随着温度升高，其组成成分碳酸钙、碳酸镁等矿物颗粒发生化学变化，生成相应氧化物，使得颜色逐渐变为浅灰色；砂岩由常温下的浅绿色随着温度的升高逐渐变为棕红色和粉红色[12]。

1.2 高温冷却后岩石材料在热损伤作用下的物理力学特性变化

热传导过程中，岩石材料的细观裂隙密度变化对材料的损伤是影响材料力学性能的主要原因。不同于常温，岩石的强度特性不仅与温度有关，加热方式、升温速度、降温速度、冷却方式等因素都会使岩石的强度特性发生改变[13-15]。通过对热冲击过程中的岩石力学参数、微观结构、流动性和破裂过程数值分析发现，花岗岩的渗透率变大，突变存在阈值，随着温度的升高，花岗岩的渗透率和孔隙率先缓慢增加后急剧增加，500℃～600℃可视为花岗岩遇冷水冷却后的渗透率变化的阈值温度区间。500℃～600℃可视为孔隙率变化的阈值温度区间[16-20]。这是由于温度变化所形成的温度梯度所引发的动态热应力，致使岩石发生损伤破坏，进而岩石发生裂隙，当温度变化的越剧烈，岩石产生的热应力越高，裂隙产生的越多。另外，因为岩石的组成成分不同，内部矿物颗粒在热应力作用下，由于各项异性及热膨胀不匹配性，使得岩石的原生裂隙增大，并出现新的裂隙，进而导致花岗岩的渗透率与孔隙率变大。岩石材料随着温度的升高，其力学性能及抗压强度都出现劣化趋势。图1为不同冷却模式下的花岗岩试件的应力-应变曲线，大致为微裂隙压密、弹性、应变软化3个阶段。微裂隙压密阶段，是由于岩石内部微裂隙被压密实导致；在弹性阶段，应力-应变呈现线性关系，且满足胡克定律σ=Eε；在应变软化阶段，试件表面出现裂纹和产生声响，裂纹逐渐贯穿整个试件，纵波波速与密度也都出现降低，其纵波波速呈现下降趋势见图2。

图1 花岗岩在不同冷却模式下全应力-应变曲线[15]

图2 平均波速随温度变化[22]

花岗岩试件随着温度越高，岩石内部产生的微裂隙越多，岩石的弹性模量和抗压强度也随温度升高出现不同程度降低，岩石出现热破裂[21-22]。不仅如此，岩石材料在热冲击作用后，通过声波脉冲测试、三轴压缩、巴西劈裂等力学试验检测发现其物理力学性质出现明显降低。其中，热冲击作用导致试块产生大量裂纹，使得岩石材料力学强度降低，在劈裂过程中张拉破坏模式是岩石开裂的主要诱因。而且试验过程中，借助红外热像仪检测的红外热像变化规律在一定程度上也体现了岩石的损伤变化，其研究可为工程施工提供有效参考[23-24]。

2 高温作用下岩石结构破裂机理及数值模拟

高温地下沿途施工过程中遇到的大多数都是多场耦合的复杂性问题，因此了解温度作用下岩石的结构破裂机理是掌握岩石变形力学特性最有效的途径，也是对高温下工程施工中的设计和安全评估提供有力的保障。在构建温度作用下的岩石热损伤数值模拟时，不仅要从试验角度对其规律进行探索，还要从理论角度分析，双管齐下才能最贴切实际工程中的问题。

2.1 高温作用下岩石热损伤破裂机理

借助声发射设备和CT扫描设备，对不同岩性的岩石热破裂进行试验，研究其破裂过程中的演化和影响因素；采用颗粒元方法模拟花岗岩中由热应力导致的裂隙，分析受温度影响的岩石力学性能演化机理。研究发现，花岗岩内部的微裂隙随着温度升高而扩展和增加。这是因为组成花岗岩的晶体颗粒密度差异较大，随着温度的升高，在显微CT观测下，岩石因热破裂会逐渐形成一个三维的不规则裂隙网络，岩石材料的组成颗粒相对熔点远高于组成颗粒之间的胶结物熔点，所以在高温时岩石材料内部的胶结物最先破裂并形成裂隙[25]。根据力学试验和SEM电镜检测，单轴抗压强度和弹性模量随着温度的增大而不断减小，在300℃以后出现明显塑性，同时岩体出现宏观裂纹的萌发、延伸及贯穿现象，见图3。

图3 高温花岗岩遇水冷却后扫描电镜图像[22]

由图3可知，150℃出现晶间裂纹，300℃后微裂纹数目增多，尺寸增大，并逐步交叉、贯通形成微裂纹网络，且温度在高于537℃时，微裂纹类型由晶间裂纹逐渐转变为穿晶裂纹。因此，微裂隙的发育与扩展是高温花岗岩遇水冷却后物理力学性质劣化的内在原因[22，26]。

从力学角度解释，由于组成岩石的颗粒强度远高于颗粒之间的胶结物或高于胶结面，所以在热应力的作用下，裂纹在沿着胶结面处最先出现，随后在岩石内部不断生成、扩展、增多，其裂纹的类型也随着温度的升高逐渐由晶间裂纹逐渐向穿晶裂纹所改变，采用热冲击因子即温度梯度随时间的变化量来表征岩石热破坏能力，可以确定岩石内部破裂最严重的具体时间。岩石产生破裂或者热冲击的主要原因是由岩石体内部由于温度急剧变化所引起的热应力导致。通过对遇水冷却后岩石力学性能研究时发现，随着温度升高，岩石晶体结构发生破坏，内部裂隙的数量增加，且由于组成岩石的颗粒热胀冷缩存在差异性，导致岩石在高温遇水时可能会失水发生重结晶，此时岩石因热应力产生的变形不协调使得岩石裂隙的产生，导致岩石因热变形的不协调产生热应力，进而引发岩石热破裂[27]。

2.2 高温作用下岩石热损伤本构模型

关于岩石在温度作用下的本构模型研究方面，从试验角度，通过MTS单轴试验进行温度作用下岩石的损伤性能分析[28]，建立热损伤本构演化方程及一维TM耦合弹脆性损伤本构方程，公式如下：

D(T)=1-ET/E0

(1)

D(T)=b0+b1T+b2T2

(2)

ET=E0[1-D(T)]

(3)

σ=E0[1-D(T)[1-D(ε)]ε

(4)

式中：D(T)为热损伤；ET为温度为T时岩石试件的弹性模量值；E0为室温时岩石试件的弹性模量值；b0、b1、b2分别为岩石材料的参数；σ为主轴应力；ε为岩石变形量。

通过声发射等辅助设备研究高温作用下花岗岩力学性能[29]，可有效构建出岩石材料力与温度的耦合，见式(5)；并提出热-力耦合因子的概念来表示温度与力的非线性耦合作用，见式(6)：

(5)

(6)

式中：E0为试块在常温的弹性模量；μ为应变ε和温度t的函数，称为热-力耦合因子且呈现高斯分布；DT为试块的热损伤变化量；DF为试块的力学损伤变化量；Ω为声发射设备累计数；VT为岩石在高温后的纵波波速；V0为岩石在常温下的纵波波速；ΩM为岩石在加载终点时的声发射设备的累计数；εc为岩石试件的峰值应变；ω为函数标准差，表示岩石材料热-力耦合的集合程度。

2.3 高温作用下岩石热损伤数值模拟

目前的岩石数值分析方法主要分3类，分别为基于连续介质力学方法、基于非连续介质力学方法和基于连续与非连续介质共性方法。对于连续介质力学方法具有代表性的为有限元法、边界元方法、有限差分法和加权余量等。对于非连续介质方法具有代表性的为离散元法(如PFC)、刚体元法等。对于连续与非连续介质方法具有代表性的主要为流形法。这些方法各有各的特点，本节重点归纳国内外学者采用的有限元方法与离散元方法，供参考。

有限元数值分析方法在岩石力学中应用较为广泛[30]。随着对于高温下岩石的热损伤问题研究的深入，多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics逐渐被学者们所应用[31]，利用该软件研究热冲击作用下岩石的温度场分布规律与演变规律数值模拟。在急剧冷却过程中，高温花岗岩在低温冷却介质中冷却，表面以对流换热为主，随着急剧冷却的进行，热应力先急剧增大至峰值后缓慢减小，且温差越大，温度梯度所诱发的热破裂越明显，岩石内部产生的裂纹越多，最终表现为力学性能的劣化。

离散元数值分析方法目前采用最多的是颗粒流数值模拟方法(多采用PFC程序软件),通过PFC2D模拟热损伤下岩石的微裂纹演变过程，见图4。研究表明，温度梯度的存在是导致宏观裂纹形成的原因，岩石的抗压强度和抗拉强度对于温度的改变呈现出劣化趋势，使岩石出现拉伸微裂纹，进而导致裂纹的产生与扩散[32]。根据PFC数值模拟对岩石热-力耦合研究发现，花岗岩试件的脆性破坏随着温度的升高而加剧[33]。

图4 高温岩样温度作用下数值模拟及裂纹分布情况[32]

上述数值模拟方法在研究岩石的各种力学性能及耦合方面具有较好的辅助作用，但每个方法都有其一定的局限性，对于不同的岩石热损伤问题以及不同的研究方面，需适当选用合适的研究数值模拟方法，才能更好地达到研究期望。如对于微观结构分析，可采用离散元数值分析；而对于宏观分析，则选用有限元数值分析更好。

3 结论及展望

综上所述，在高温岩石热损伤研究方面，国内外研究学者已经取得了丰硕的科研成果。自然界中热冲击现象普遍存在，岩石内部裂隙由产生到扩展直至贯通是因为岩石周围变化的温度场引起的热应力所导致，从而由细观微裂纹增多进而延伸至宏观破坏力学性能劣化。通过归纳国内外关于温度作用下岩石热损伤的研究成果，在力学参数演化特征、破裂机理、本构模型及数值模拟几个方面总结归纳，并指出目前研究存在的一些局限，对于岩石热损伤研究，仍有很长的路要走，以便为实际工程施工提供有力的理论支撑与指导。

本文从高温作用下的岩石力学参数演化特征、结构破裂机理、本构模型和数值模拟等方面归纳了当前岩石热损伤岩石的现状。目前，国内外学者在温度作用下的岩石损伤问题方面的研究，主要在高温作用下岩石的力学特性、参数演化、破坏机理、热-力耦合损伤模型及数值模拟分析几个方面进行了大量的研究且取得了丰硕的成果。岩石热损伤机理是工程开发的难点也是热点，需要研究者们不断钻研探索，为温度作用下岩石研究提供思路与方向，以便更好地更全面地建立较为完善的理论体系，以适应未来深部地下工程发展，为实践工程提出理论指导。

对于以上研究成果，岩石材料在热损伤破裂及力学耦合方面仍有一些局限。

1)温度作用下多种能量场的耦合问题研究。对于工程施工中所遇到的不同环境条件开展的多能量场耦合研究，是今后研究的趋势和热点问题之一。实际工程施工中，由于施工环境的不同，遇到的地质情况也不同，工程施工过程中的环境条件不同，在模拟时不能一概而论。在工程施工中，岩石不仅受温度一方面影响，还有一些其他因素也需考虑进去，如地下水压力、岩石之间的挤压损伤等因素，以及不同冷却条件下的岩石强度与热损伤形式都是需要考虑的方面。

2)目前，在对温度急剧变化情况下岩石的力学性质劣化非线性损伤模拟略有不足。在岩石热损伤过程中，由于热应力的作用，使其破坏准则不能被经典的破坏准则所很好地表示，故在数值分析时研究的可靠性和准确性也会被影响。仔细分析岩石内部微观粒子之间的作用和裂隙开裂的影响，并建立温度作用下岩石的宏细观力学特性关联性。

3)目前，对温度作用下岩石热损伤力学特性研究方面，岩石的损伤机理尚为模糊，岩石的热损伤破裂不仅要从温度方面研究，还要从传热学、损伤学、热辐射等多角度研究，共同完善岩石的损伤机制。