楊 振 亓憲寅 王勝偉 付 鵬

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北荊州 434023)

隨著煤層氣、煤炭及頁(yè)巖油氣等資源的開(kāi)發(fā)與利用逐漸深部化，高溫作用下的巖石表現(xiàn)出不同的力學(xué)特征，深部復(fù)合儲(chǔ)層的巖體力學(xué)特性對(duì)煤層氣抽采過(guò)程中的網(wǎng)格化穿層鉆孔、巷道圍巖支護(hù)、熱–力耦合下的采動(dòng)應(yīng)力影響等關(guān)鍵工程環(huán)節(jié)有著重要指導(dǎo)意義。研究高溫環(huán)境下深部復(fù)合巖石的物理力學(xué)特性，可為煤礦及油氣開(kāi)采等地下工程圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與控制提供重要依據(jù)。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-3]對(duì)巖石在熱–力耦合環(huán)境作用下的物理力學(xué)行為、變形特征等進(jìn)行了大量研究。為更深入了解高溫下巖石的力學(xué)響應(yīng)特征，李劍光等[4]應(yīng)用相似材料制作軟巖，并進(jìn)行了不同溫度下的單軸試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著溫度升高，軟巖峰值強(qiáng)度及彈性模量呈下降趨勢(shì)，不同溫度區(qū)間的軟巖破壞形態(tài)有所差異；廖安杰等[5]對(duì)熱–力作用下的層狀砂巖進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，得出層狀砂巖的峰值應(yīng)力及擴(kuò)容應(yīng)力在120℃以內(nèi)時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩，隨著溫度升高，其破壞形式由剪切破壞向張拉破壞轉(zhuǎn)化；張毅等[6]發(fā)現(xiàn)高溫后致密砂巖三軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先緩慢增長(zhǎng)后下降、再回升的趨勢(shì)；陳宇等[7]研究了花崗巖高溫遇水冷卻后的峰值應(yīng)力、彈性模量等力學(xué)性能變化規(guī)律；吳剛等[8]認(rèn)為不同溫度下大理巖的體積及峰值應(yīng)變與溫度呈正相關(guān)，其質(zhì)量、密度、峰值應(yīng)力及彈性模量與溫度呈負(fù)相關(guān)；查文華等[9]通過(guò)對(duì)25℃～55℃下煤系砂質(zhì)泥巖進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，巖石峰值應(yīng)力及彈性模量呈線性降低，變形模量及峰值應(yīng)變逐漸增大；Tian 等[10]發(fā)現(xiàn)在一定溫度區(qū)間內(nèi)，黏土巖強(qiáng)度與溫度成正相關(guān)；Sirdesai等[11]擬合了石英砂巖的抗拉強(qiáng)度、彈性模量與不同溫度的函數(shù)關(guān)系；宋新龍[12]建立了不同溫度下煤系砂質(zhì)泥巖的損傷本構(gòu)模型。

本文針對(duì)20℃，100℃，200℃及300℃熱處理后的層狀復(fù)合巖石進(jìn)行單軸試驗(yàn)，分析其基本物理力學(xué)參數(shù)及破壞特征，通過(guò)引入高溫作用后巖石損傷本構(gòu)模型，研究其熱處理后單軸壓縮下的損傷演化規(guī)律，并揭示層狀復(fù)合巖石高溫下的力學(xué)特性。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)以吉木薩爾盆地深部復(fù)合巖層的砂巖及泥巖為原巖[13]，根據(jù)前人的研究[14-15]，應(yīng)用白色32.5＃水泥為膠結(jié)劑，硅粉、0.6 mm石英砂為細(xì)骨料，制備層狀復(fù)合巖石。為便于區(qū)分兩類巖石的物理力學(xué)性能，類砂巖中添加硅灰、配合減水劑以增密增強(qiáng)，稱為A類巖石；類泥巖稱為B類巖石；層狀復(fù)合巖石稱為AB類巖石，其質(zhì)量配比見(jiàn)表1。采用定制模具左右兩側(cè)同時(shí)澆筑，拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天，應(yīng)用如圖1的取芯方式，經(jīng)過(guò)鉆取、切割、打磨，制備?50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣，如圖2所示。

圖1 層狀復(fù)合巖石取樣Fig. 1 Sampling of layered composite rock

圖2 巖石試樣編號(hào)Fig. 2 Rock sample number

表1 類巖石相似材料配比Table 1 Proportion of similar materials for type of rock

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與步驟

試驗(yàn)共設(shè)置20℃（室溫），100℃，200℃，300℃四個(gè)溫度等級(jí)，采用如圖3所示的SX2-75-14A箱式節(jié)能電阻爐，以2 ℃/min的速率升溫，對(duì)上述試樣進(jìn)行加熱處理，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫2 h，在高溫爐內(nèi)冷卻至室溫。如圖4 所示，采用HYAS-1000C型巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸試驗(yàn)，最大軸向載荷為500 MPa，加載方式為位移加載，速率為0.01 mm/s。

圖3 SX2-75-14A箱式電阻爐Fig. 3 SX2-75-14A box-type resistance furnace

圖4 巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 4 Rock triaxial test system

2 溫度對(duì)層狀復(fù)合巖石的物理力學(xué)性能影響

2.1 不同溫度下質(zhì)量與體積變化規(guī)律

巖石經(jīng)過(guò)高溫處理后質(zhì)量減小，A，B，AB三類巖石分別經(jīng)過(guò)100℃，200℃，300℃高溫處理后的質(zhì)量變化趨勢(shì)如圖5所示。其中，B類巖石經(jīng)過(guò)高溫處理后的質(zhì)量變化率最大，分別為–1.09%，–1.28%，–1.54%，這表明B類巖石內(nèi)部原生裂隙孔隙較多，含水率高，高溫處理后巖石內(nèi)部水分蒸發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量損失明顯。三類巖石均在100℃環(huán)境下，巖石內(nèi)部自由水大量逸出時(shí)質(zhì)量變化率最大，分別為–0.86%，–0.9%，–1.09%?？傮w而言，溫度升高，三類巖石質(zhì)量變化率呈上升趨勢(shì)。

圖5 巖石質(zhì)量變化率Fig. 5 The change rate of rock mass

由于巖石的熱膨脹性，A，B，AB三類巖石經(jīng)過(guò)100℃，200℃，300℃高溫處理后的體積膨脹率不斷增大，其變化趨勢(shì)如圖6所示。其中，B類巖石的體積膨脹率最大，分別達(dá)到0.57%，0.59%，0.64%，這是由于高溫下巖石內(nèi)部的部分水分蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體及有機(jī)質(zhì)高溫反應(yīng)下產(chǎn)生的熱應(yīng)力，致使其內(nèi)部的原生裂隙孔隙增大，導(dǎo)致巖石體積產(chǎn)生膨脹。A類巖石體積膨脹率最小，分別為0.28%，0.31%，0.38%，是因其內(nèi)部礦物結(jié)晶結(jié)合緊密，孔隙裂隙較少，經(jīng)過(guò)熱處理后，其體積膨脹率變化較小。

圖6 巖石體積膨脹率Fig. 6 The volume expansion rate of rock

2.2 不同溫度單軸壓縮力學(xué)特性

對(duì)經(jīng)過(guò)20℃，100℃，200℃，300℃熱處理后的三類巖石進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，A，B，AB三類巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線分別如圖7(a)，(b)，(c)所示。由圖可見(jiàn)，室溫下A類巖石單軸抗壓強(qiáng)度最高，壓密段應(yīng)變較小，平均為0.35%；B類巖石強(qiáng)度次之，壓密段平均應(yīng)變?yōu)?.42%，AB類層狀復(fù)合巖石強(qiáng)度最小，壓密段平均應(yīng)變?yōu)?.51%。三類巖石熱處理后，其延性均增大，在20℃～200℃時(shí)，巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度后應(yīng)力跌落明顯且殘余應(yīng)變較小；在300℃條件下，其應(yīng)變軟化趨勢(shì)明顯，A-300試樣壓密段應(yīng)變達(dá)到0.56%，AB-300試樣的殘余應(yīng)變?cè)龃?，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，隨著溫度升高，巖石壓密段及殘余應(yīng)變均增大，這表明巖石逐漸由脆性向延性轉(zhuǎn)變。

圖7 不同溫度下三類巖石應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig. 7 The stress-strain curves of three types of rock at different temperature

經(jīng)過(guò)不同溫度處理后，三類巖石的峰值應(yīng)力、彈性模量、峰值應(yīng)變的變化趨勢(shì)與所擬合的經(jīng)驗(yàn)公式及關(guān)系曲線，分別如圖8(a)，(b)，(c)所示。圖8(a)顯示三類巖石單軸抗壓強(qiáng)度均隨溫度升高趨于劣化，在100℃，200℃條件下熱處理后峰值應(yīng)力下降幅度較小，經(jīng)300℃條件下熱處理后，其峰值應(yīng)力變化幅度增大；經(jīng)過(guò)熱處理后，較之20℃時(shí) A，B，AB三類巖石的峰值應(yīng)力分別降低20.67%，26.42%，35.22%，峰值應(yīng)力與溫度變化呈線性關(guān)系。由于AB類層狀復(fù)合巖石的層理弱面為A和B兩類不同材料接觸面，其密度、熱膨脹系數(shù)、變形系數(shù)均存在差異性，常溫下因其層理弱面在受壓時(shí)產(chǎn)生粘結(jié)正應(yīng)力，約束變形較大的B類巖石部分，亦會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，促進(jìn)A類巖石部分的變形，致使其破壞先沿層理弱面或強(qiáng)度較低部分開(kāi)始產(chǎn)生，后擴(kuò)展至試樣整體。經(jīng)過(guò)高溫處理后，與B類巖石相比，AB類巖石雖相對(duì)致密，孔隙較少，但其層理弱面在熱應(yīng)力及殘余剪應(yīng)力等因素的耦合作用下，膠結(jié)能力弱化，且其力學(xué)性能存在一定的各向異性，導(dǎo)致其總體強(qiáng)度略低于B類單一巖石，而A類巖石原生裂隙較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，含水率較低，其強(qiáng)度損失相對(duì)較小。由圖8(b)可知，三類巖石的彈性模量隨溫度增長(zhǎng)呈線性降低趨勢(shì)，分別為22.24%，18.01%，26.20%，這表明隨著溫度升高，巖石內(nèi)部礦物晶粒粘結(jié)弱化，孔隙裂隙增大，巖石抵抗變形的能力逐漸減弱。

同時(shí)，圖8(c)表明，三類巖石的峰值應(yīng)變與溫度成正相關(guān)，A，B，AB三類巖石峰值應(yīng)變分別增大17.27%，4.76%，4.21%，隨著溫度升高，巖石礦物顆粒粘結(jié)劣化，隨著軸壓增長(zhǎng)，其變形增大，此為巖石脆性向延性轉(zhuǎn)化的明顯特征。

圖8 三類巖石的力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化曲線Fig. 8 The variation curve of the mechanical parameters of three types of rocks with temperature

2.3 不同溫度下層狀復(fù)合巖石的破壞形式

圖9(a)，(b)，(c)分別為A，B，AB三類巖石經(jīng)過(guò)高溫處理后的單軸試驗(yàn)破壞形態(tài)。由圖可見(jiàn)，溫度為20℃時(shí)，A，B，AB三類巖石多呈剪切破壞，破壞時(shí)產(chǎn)生劇烈?guī)r爆，試樣表面存在較寬的宏觀裂紋，且AB類層狀復(fù)合巖石沿層理面有細(xì)微裂紋產(chǎn)生；溫度達(dá)到100℃時(shí)，A和B類巖石呈單斜面剪切破壞，裂紋貫穿整體但較細(xì)，AB類層狀復(fù)合巖石沿層理面產(chǎn)生明顯裂紋，且沿裂紋兩端產(chǎn)生翼裂紋；在200℃環(huán)境下，A和B兩類巖石呈張拉破壞，沿主裂紋方向產(chǎn)生較多次生裂紋，破壞時(shí)伴隨少量巖屑鼓脹或脫落，AB類巖石巖層理面呈張拉–剪切滑移型破壞，試樣表面微裂紋增多，是因?yàn)闇囟壬?，巖石內(nèi)部礦物晶粒的粘結(jié)弱化，在軸壓轉(zhuǎn)化的橫向拉應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生張拉破壞；隨著溫度升高到300℃時(shí)，三類巖石的裂紋貫穿試樣整體后呈楔形狀碎片破壞，這表明隨著溫度升高，巖石內(nèi)部熱應(yīng)力增大且原生裂隙擴(kuò)張不均，在軸壓耦合作用下，巖屑脫落面較多，微裂紋數(shù)量急劇增長(zhǎng)，殘余應(yīng)變?cè)龃蟆？梢?jiàn)，在高溫作用后，三類巖石出現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，表現(xiàn)為隨著軸壓增長(zhǎng)，巖石表面微裂紋增多、殘余應(yīng)變?cè)龃蟮痊F(xiàn)象。

圖9 不同溫度下三類巖石的破壞形態(tài)Fig. 9 The failure modes of the three types of rocks at different temperature

3 基于溫度效應(yīng)的層狀復(fù)合巖石力學(xué)損傷本構(gòu)模型

由于層狀復(fù)合巖石的非均質(zhì)性，其內(nèi)部及層理面存在隨機(jī)分布的裂隙孔隙，普遍認(rèn)為巖石微元強(qiáng)度服從Weibull分布，微元缺陷總和表現(xiàn)為巖石的宏觀損傷。諸多學(xué)者[16-18]對(duì)高溫后巖石的損傷演化規(guī)律進(jìn)行了研究，劉建等[19]推導(dǎo)了基于溫度效應(yīng)的巖石損傷演化方程

式中，ε為應(yīng)變；εd為峰值應(yīng)變；為簡(jiǎn)化問(wèn)題，采用材料參數(shù)m來(lái)綜合考量巖石內(nèi)部裂隙、層理、各向異性等因素與巖石力學(xué)性能之間的關(guān)系，即

式中，E0為彈性模量，MPa； σd為峰值應(yīng)力，MPa。

根據(jù)巖石等效應(yīng)變?cè)砜傻?/p>

將式(1)代入式(3)，則可得到考慮溫度效應(yīng)的層狀復(fù)合巖石單軸壓縮本構(gòu)模型

采用式（4）擬合了不同溫度下A，B，AB三類巖石損傷–應(yīng)變曲線，如圖10(a)，(b)，(c)所示，隨著溫度升高，三類巖石均損傷增長(zhǎng)趨緩，亦表明巖性由脆性向延性轉(zhuǎn)化，A類巖石損傷增長(zhǎng)較快，在應(yīng)變?yōu)?.009時(shí)損傷變量迅速增大趨近于1；B類巖石損傷增長(zhǎng)則較緩；較之另外兩類巖石，AB類層狀復(fù)合巖石沒(méi)有趨于完全損傷，是由于其層理面破壞后巖石接近失效，強(qiáng)度較高部分損傷不再發(fā)展。同時(shí)，研究表明m值反映巖石脆塑性，不同類型材料m值不同。各力學(xué)參數(shù)及擬合值見(jiàn)表2，其結(jié)果表明隨著溫度升高，三類巖石材料參數(shù)m值整體呈下降趨勢(shì)，亦體現(xiàn)出高溫作用后巖石材料性能產(chǎn)生劣化。對(duì)于AB類層狀復(fù)合巖石，其強(qiáng)度、彈性模量、破壞特征等力學(xué)性能受層理弱面影響較大，而m值反應(yīng)巖石材料的綜合特征。對(duì)式（2）展開(kāi)分析發(fā)現(xiàn)，峰值應(yīng)變與m值成負(fù)相關(guān)，并對(duì)方程起主導(dǎo)作用，而由于層狀復(fù)合巖石中A類巖石部分的粘結(jié)正應(yīng)力對(duì)B類巖石的變形產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致AB類層狀復(fù)合巖石的峰值應(yīng)變小于B類單一巖石的峰值應(yīng)變，因此AB類巖石的材料參數(shù)m值大于B類單一巖石，處于A和B兩類單一巖石之間。

表2 不同溫度下三類巖石力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)模型Table 2 Mechanical parameters and constitutive models of three types of rock at different temperature

圖10 不同溫度下三類巖石損傷–應(yīng)變擬合曲線Fig. 10 The damage-strain fitting curves of three types of rock at different temperature

由于篇幅所限，僅繪制部分試驗(yàn)與擬合應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖11(a)，(b)，(c)，(d)，該本構(gòu)模型所擬合的曲線與試驗(yàn)曲線總體趨勢(shì)一致，反映了三類巖石常溫下脆性破壞的特點(diǎn)，較好表征了層狀復(fù)合巖石高溫作用后的延性特征；同時(shí)，由于采用的線彈性損傷本構(gòu)模型，且所引入的巖石材料參量m為綜合參數(shù)，對(duì)部分單一影響因素未作定量計(jì)算，層狀復(fù)合巖石試驗(yàn)與擬合曲線的壓密段未能完全吻合。

圖11 不同溫度下試驗(yàn)與擬合應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig. 11 Test and fitting stress-strain curves at different temperature

4 結(jié)論

本文針對(duì)20℃，100℃，200℃，300℃溫度作用后的層狀復(fù)合巖石開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，通過(guò)分析A，B，AB三類巖石的物理力學(xué)性能及破壞特征，研究其高溫環(huán)境下?lián)p傷演化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）隨著溫度升高，三類巖石質(zhì)量減小，體積膨脹率增大，在100℃時(shí)質(zhì)量與體積變化幅度最為顯著，其中B類巖石質(zhì)量變化率與體積膨脹率變化最大，分別為–1.54%，0.64%，A類巖石變化幅度則最小，分別為–1.17%，0.38%；擬合各力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式發(fā)現(xiàn)，三類巖石的峰值應(yīng)力及彈性模量隨溫度升高呈線性降低，峰值應(yīng)變與溫度成正相關(guān)。

（2）在常溫下及高溫作用后，AB類層狀復(fù)合巖石的強(qiáng)度、彈性模量略低于B類巖石，遠(yuǎn)低于A類巖石。隨著溫度升高，A和B兩類巖石逐漸由剪切破壞轉(zhuǎn)化為張拉–剪切破壞，AB類層狀復(fù)合巖石的層理弱面在受壓時(shí)產(chǎn)生粘結(jié)正應(yīng)力，約束變形較大的B類巖石部分產(chǎn)生剪應(yīng)力，促進(jìn)A類巖石部分的變形。且在熱應(yīng)力及殘余剪應(yīng)力等因素的耦合作用下，其膠結(jié)能力弱化，致使其破壞先沿層理弱面或強(qiáng)度較低部分發(fā)生剪切–滑移破壞后貫穿試樣，破壞時(shí)微裂紋數(shù)量增多，且?guī)r石鼓脹明顯，巖性由脆性向塑性轉(zhuǎn)化。

（3）引入考慮溫度效應(yīng)的巖石損傷本構(gòu)模型，該模型采用巖石材料參量m反映巖石裂隙、層理、各向異性等因素對(duì)其力學(xué)特性的影響。AB類巖石的材料參數(shù)m值大于B類單一巖石，處于A和B兩類單一巖石之間。所引入的模型合理表征了熱處理后層狀復(fù)合巖石的損傷演化規(guī)律及破壞特征，但所采用的線彈性本構(gòu)模型及損傷參量相對(duì)簡(jiǎn)化，更為合理的理論模型需進(jìn)一步研究。