徐文龍，徐鼎平，柳秀洋，3

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類生存發(fā)展所需的能源開采與地下空間開發(fā)需求出現(xiàn)爆發(fā)式增長，使得人類的工程活動(dòng)正大規(guī)模向深部高應(yīng)力區(qū)域發(fā)展。在資源開采領(lǐng)域，目前煤炭開采深度已達(dá)1500 m，地?zé)衢_采深度超過3000 m，有色金屬礦開采深度超過4350 m，油氣資源開采深度達(dá)7500 m，未來深部資源開采將成為常態(tài)?；瘜W(xué)廢棄物和放射性核廢料地下深部填埋、能源地下存儲(chǔ)等重大地下工程也不斷在向深部發(fā)展，這使得大量隧洞、采場(chǎng)和礦井圍巖長期處于高地應(yīng)力與高溫中。巖體宏觀破裂取決于巖體內(nèi)細(xì)觀微裂紋的分布，高溫會(huì)導(dǎo)致這些微裂紋擴(kuò)展貫通，進(jìn)而影響巖體的宏觀破裂。因此，研究高溫或高溫處理下的巖體物理特性對(duì)于評(píng)價(jià)高溫和高應(yīng)力耦合條件下的圍巖破壞具有十分重要的意義[1-4]。

關(guān)于高溫處理下的巖石力學(xué)性質(zhì)，許多學(xué)者已進(jìn)行了卓有成效的研究。杜守繼等對(duì)不同溫度的花崗巖進(jìn)行力學(xué)性能研究并提出花崗巖的力學(xué)性能加速劣化的閾值為400 ℃[5]；張傳虎等基于YNS2000微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓剪試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同溫度作用后高放射核廢料擬選區(qū)花崗巖力學(xué)特性的變化規(guī)律[6]；孟陸波等對(duì)頁巖開展高溫常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果分析歸納了圍壓與頁巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、峰值強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、峰值應(yīng)變的關(guān)系[7]；楊圣奇等選擇不同晶?；◢弾r進(jìn)行高溫處理后的巴西劈裂及常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了不同晶?；◢弾r的高溫影響機(jī)理[8]。

由于不同巖石的結(jié)構(gòu)及礦物組成不同，巖石內(nèi)微裂隙對(duì)溫度的響應(yīng)程度也具有很大差異。近年來，一些國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫?zé)釗p傷巖石的裂隙發(fā)育特征及其引起的巖石物理力學(xué)性質(zhì)變化予以了重點(diǎn)關(guān)注。如Wong等首次發(fā)現(xiàn)高于室溫條件下巖石的熱膨脹是不可逆的[9]；陳颙等通過Westerly花崗巖加熱試驗(yàn)證實(shí)巖石熱開裂過程出現(xiàn)的聲發(fā)射現(xiàn)象是由裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致的，超過60 ℃～70 ℃開始出現(xiàn)聲發(fā)射[10]；劉均榮等通過對(duì)儲(chǔ)層粉砂巖、灰?guī)r、變質(zhì)巖和礫巖加熱，發(fā)現(xiàn)由于高溫作用，巖石內(nèi)部裂紋延伸形成網(wǎng)格，巖石的滲透率隨溫度升高呈增大的趨勢(shì)[11]；徐小麗等利用MTS815伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，對(duì)花崗巖開展了高溫常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著圍壓的增大，巖樣破裂形式由脆性張拉破裂逐漸向剪切破裂過度，同時(shí)隨著溫度升高，花崗巖孔隙結(jié)構(gòu)從初始無規(guī)則結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為均勻孔穴結(jié)構(gòu)[12-13]。Shen等發(fā)現(xiàn)處于高溫中的花崗巖受強(qiáng)冷卻沖擊后，其強(qiáng)度會(huì)迅速降低并加速開裂[14]；劉建等通過對(duì)經(jīng)歷不同高溫作用后的巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，基于Weibull分布提出的損傷演化規(guī)律并推導(dǎo)相應(yīng)的本構(gòu)方程，總結(jié)了冷卻后花崗巖損傷規(guī)律，分析研究了相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的變化[15-16]。

上述研究著重于研究高溫?zé)釗p傷對(duì)巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，較少從礦物層面探究不同礦物熱力學(xué)性質(zhì)的差異對(duì)巖體宏細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)的影響。然而，巖石礦物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及解理特征對(duì)巖石的宏觀破壞機(jī)制的影響是不可忽略的。為此，本文重點(diǎn)針對(duì)高溫?zé)釗p傷對(duì)花崗巖宏細(xì)觀破壞機(jī)制的影響開展研究，以某深埋細(xì)-中?；◢弾r為研究對(duì)象，通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)與電鏡掃描等手段揭示高溫?zé)釗p傷對(duì)巖樣變形破壞機(jī)制的影響，以期為深部礦產(chǎn)開采、核廢料貯存提供有益的借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 設(shè)備

試驗(yàn)采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的RMT-150C伺服試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)可完成單軸壓縮、單軸間接拉伸、三軸壓縮等多種巖石力學(xué)試驗(yàn)。掃描裝置采用Quanta250掃描電子顯微鏡。加熱裝置為XH3L-14A型陶瓷纖維馬弗爐，最高加熱溫度1400 ℃，精度±5 ℃。

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)采用的花崗巖巖芯取自四川阿壩某水電站地下廠房上層排水廊道向廠房頂拱的花崗巖，屬于花崗閃長巖，圍巖類別為Ⅲ類，含有發(fā)育斷層以及煌斑巖脈等缺陷構(gòu)造。常溫下此種花崗巖平均密度2.654 g/cm3，平均單軸抗壓強(qiáng)度144.64 MPa，埋深為310～490 m。借助光學(xué)顯微鏡進(jìn)行礦物成分分析，礦物主要成分為石英、鉀長石和酸性斜長石，少量云母，礦物粒徑集中在0.3～4.5 mm，為中-細(xì)?；◢忛W長巖(圖1)。將花崗巖巖塊制樣打磨成Φ50 mm×100 mm的圓柱體，并進(jìn)行聲波檢測(cè)篩選，取波速及密度相近的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，以消除巖樣離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。與此同時(shí)，取圓柱形試樣所屬巖塊上的巖片，以便進(jìn)行不同溫度加熱前后的巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化電鏡掃描分析。

圖1 光學(xué)顯微鏡下花崗巖圖像

1.3 試驗(yàn)方法

為研究高溫?zé)釗p傷對(duì)深埋花崗巖的單軸壓縮破壞機(jī)制的影響，采取以下步驟開展試驗(yàn)：

1)采用馬弗爐對(duì)圓柱形巖樣進(jìn)行熱損傷處理，升溫速率18 ℃/min，達(dá)到設(shè)定溫度后，保持恒溫2 h后再將熱損傷后的試樣取出置于室溫條件下自然冷卻。試驗(yàn)的溫度范圍設(shè)定為25、150、250、350、450，500和550 ℃七個(gè)等級(jí)。

2)對(duì)其巖片分別進(jìn)行加熱前后的電鏡掃描，通過對(duì)比加熱前后的電鏡掃描圖像，分析溫度對(duì)深埋花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。

3)基于RMT-150C試驗(yàn)機(jī)對(duì)各溫度損傷下的圓柱形巖樣采用位移控制模式進(jìn)行單軸加載至試樣破壞，加載速率0.002 mm/s；而后對(duì)圓柱形巖樣破裂面斷口進(jìn)行電鏡掃描，分析破裂面的細(xì)觀破裂模式。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

2.1 溫度對(duì)花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響

加熱前后的巖片電鏡掃描圖像顯示：在常溫及150 ℃下，石英均為臺(tái)階解理，未出現(xiàn)明顯裂紋，斷面平滑且紋理分明(圖2a)。當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，云母片層由于受熱不均勻而發(fā)生韌化，微裂紋萌生，外部出現(xiàn)起皮并出現(xiàn)層間撕裂裂紋且發(fā)生扭曲(圖2a)。

350 ℃時(shí)，云母片層韌化增加，部分片層之間出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)擠壓而成的微裂紋(圖2c)。450 ℃下巖片微裂紋明顯增多，且以晶間裂紋為主。晶間裂紋由礦物之間的膠結(jié)物顆粒發(fā)生熱脹冷縮作用形成，其他微裂紋則是由于內(nèi)部礦物熱膨脹率差異而發(fā)生擠壓拉裂所致(圖2d)。

圖2 常溫及高溫后花崗巖SEM圖像

當(dāng)溫度高于500 ℃時(shí)，云母與石英間的分界面出現(xiàn)破裂，石英發(fā)生沿晶斷裂并生成二次裂紋，同時(shí)云母的片狀層理在高溫下發(fā)生膨脹并逐漸張開，呈分散的薄片狀(圖3)。隨溫度繼續(xù)升高，巖石內(nèi)部封閉的結(jié)晶水蒸發(fā)，使礦物內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙(圖2(e、f))，導(dǎo)致巖石的孔隙率增大，巖石完整性下降。顯然，溫度越高，巖石內(nèi)部孔隙和微裂隙增加越明顯。

圖3 云母片斷開

花崗巖熱差分析表明(圖4)，450 ℃時(shí)巖石內(nèi)礦物的化學(xué)性質(zhì)受溫度影響較小，表現(xiàn)為巖石內(nèi)水分氣化逸出；當(dāng)溫度達(dá)516 ℃后，巖石內(nèi)有礦物產(chǎn)生顯著的物性變化，即石英發(fā)生由α相到β相的位移型相變[17]，石英發(fā)生體積膨脹，巖石裂隙增多。高溫誘發(fā)的各類裂紋的不斷擴(kuò)展、演化、匯合，最終在巖石內(nèi)部形成具有良好連通性的裂隙網(wǎng)格。

圖4 花崗巖熱差分析曲線

2.2 溫度對(duì)巖石單軸強(qiáng)度和變形的影響

高溫處理后的花崗巖試樣物理參數(shù)及強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變?nèi)绫?所示。代表性試樣單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖5)顯示，各溫度處理下的巖樣均表現(xiàn)出明顯的彈-脆性特征；溫度越高，巖樣壓密段越顯著，其內(nèi)部裂隙越多。

圖5 高溫?zé)釗p傷花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 高溫?zé)釗p傷巖石平均峰值強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變

巖樣單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量-溫度曲線(圖6)顯示，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨溫度的升高整體呈下降趨勢(shì)：從25 ℃升溫至550 ℃，花崗巖巖樣峰值強(qiáng)度由144.64 Mpa降至119.74 MPa，強(qiáng)度損失17%；彈性模量從39.52 GPa降至25.51 GPa，模量降低35%，表明高溫條件下花崗巖產(chǎn)生的熱損傷導(dǎo)致其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著劣化。不過，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量-溫度曲線在450 ℃處存在異常，主要原因可能在于此溫度下花崗巖內(nèi)部結(jié)晶水析出帶來的力學(xué)性能增強(qiáng)效應(yīng)大于高溫誘發(fā)裂紋導(dǎo)致的強(qiáng)度劣化效應(yīng)。花崗巖峰值應(yīng)變-溫度變化曲線(圖7)表明，花崗巖的平均峰值應(yīng)變隨溫度升高呈上升趨勢(shì)：花崗巖達(dá)到450 ℃之前，峰值應(yīng)變隨溫度增加變化幅度不大，曲線走勢(shì)較為平穩(wěn)，當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃之后峰值應(yīng)變隨溫度的升高而急劇上升。峰值應(yīng)變隨溫度的升高而急劇上升。其原因在于溫度越高，巖石結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋增加越多，巖石完整性變差，抵抗變形能力越弱，彈性模量降低，從而使得應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

圖6 熱損傷花崗巖強(qiáng)度-溫度-模量的關(guān)系

圖7 高溫?zé)釗p傷花崗巖應(yīng)變與溫度的關(guān)系

2.3 溫度對(duì)花崗巖宏細(xì)觀破壞模式的影響

單軸壓縮下熱損傷花崗巖宏觀裂紋數(shù)目和裂紋類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，隨著溫度升高，熱損傷花崗巖單軸壓縮破壞模式有由張拉劈裂模式向剪切-張拉劈裂混合破壞模式過渡的趨勢(shì)。

表2 不同溫度熱損傷花崗巖單軸壓縮破裂模式

150 ℃以下溫度熱損傷的花崗巖試樣通常發(fā)生從頂部到底部的拉裂破壞，聲響較大，巖屑較多，破損樣呈碎塊狀，巖石斷面較粗糙，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，破裂面礦物細(xì)觀破裂以石英發(fā)生穿晶斷裂為主，含少數(shù)沿晶斷裂且斷面較粗糙(圖8(a))。

450 ℃溫度熱損傷花崗巖試樣破壞過程中會(huì)伴隨著脫皮、破壞斷面不平整，并出現(xiàn)少量水平方向的拉裂裂紋，其主要細(xì)觀破裂類型為以云母拉裂為代表的穿晶斷裂(圖8(b))。

500 ℃以上溫度熱損傷花崗巖試樣中的云母片大幅度張開導(dǎo)致試樣沿云母發(fā)生弱面剪切，形成由不同大小傾角破裂面組成的宏觀剪切破裂面，剪切面較為光滑。破裂面礦物細(xì)觀破裂形式以云母沿晶斷裂為主，斷面呈臺(tái)階形，晶粒面較光滑(圖8(c))。

圖8 不同溫度熱損傷花崗巖宏觀破壞模式及破壞面SEM圖

3 結(jié)論

通過對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試熱損傷條件下花崗巖試樣的力學(xué)特性，結(jié)合SEM分析溫度對(duì)花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和破壞機(jī)制的影響，得出以下結(jié)論：

1)高溫?zé)釗p傷花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨溫度升高呈逐漸下降的趨勢(shì)，峰值應(yīng)變隨溫度升高呈逐漸上升的趨勢(shì)。

2)450 ℃及以上溫度熱損傷的花崗巖內(nèi)結(jié)晶水析出和云母片層張開的雙重作用會(huì)導(dǎo)致巖石內(nèi)部孔隙和微裂紋明顯增多、完整性變差、強(qiáng)度和剛度降低，力學(xué)性能迅速劣化。

3)花崗巖在516 ℃左右會(huì)出現(xiàn)明顯的放熱反應(yīng)，石英發(fā)生由α相到β相的位移型相變，體積膨脹顯著，加速巖石力學(xué)性態(tài)的劣化進(jìn)程。

4)熱損傷花崗巖單軸壓縮的宏觀破壞模式由張拉劈裂逐漸向剪切-張拉型破裂模式過渡，細(xì)觀破裂機(jī)制上則表現(xiàn)為以最初的穿晶斷裂為主逐漸向以沿晶斷裂為主過渡。