張建國(guó)，馮 淦，王曉川，康 勇

(1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；4.武漢大學(xué) 水射流理論與新技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

巖石廣泛存在于自然界，由于受到自然環(huán)境和人為工程活動(dòng)等因素影響，巖石溫度往往會(huì)發(fā)生變化。諸如：在煤炭開(kāi)采工程中[1-5]，深部開(kāi)采、煤層地下氣化及自燃會(huì)引起圍巖溫度發(fā)生較大梯度改變；在地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)工程中[6-8]，工質(zhì)流體循環(huán)注入與提取熱能造成熱儲(chǔ)層和井筒井壁的溫度經(jīng)歷多次升高與降低；在熱能壓氣儲(chǔ)存工程中[9-10]，儲(chǔ)熱圍巖溫度隨著儲(chǔ)能與釋放發(fā)生相應(yīng)改變；在深埋地下隧道工程中[11-12]，由于通風(fēng)降溫與地?zé)岘h(huán)境因素影響，圍巖溫度往往發(fā)生周期性改變；地表巖石建筑物、博物館、紀(jì)念碑等在遭遇火災(zāi)時(shí)，會(huì)經(jīng)歷升溫與降溫過(guò)程；甚至在高寒高海拔地區(qū)，晝夜溫差也會(huì)導(dǎo)致巖石溫度周期性改變。可見(jiàn)，巖石溫度發(fā)生周期性變化是一種普遍存在的現(xiàn)象。因此，研究巖石在熱力耦合作用下的變形破壞機(jī)理具有重要的理論和工程意義[13]。

溫度變化引起巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，礦物顆粒出現(xiàn)膨脹變形，影響其物理和力學(xué)性質(zhì)。Yin等[14]研究了沖擊載荷下，不同溫度處理后煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)，得到彈性模量和峰值應(yīng)變降低。Liu等[15]研究得出孔隙度降低會(huì)加劇凍土退化，并導(dǎo)致非對(duì)稱(chēng)熱狀況。Xu等[16]指出巖石熱損傷隨溫度的升高呈Logistic增長(zhǎng)函數(shù)。Linghu等[17]通過(guò)分析不同地溫條件下深部煤層滲透率的演化規(guī)律，得出地溫差異提高了煤層滲透率，增加了煤層突出的風(fēng)險(xiǎn)。Feng等[18-19]研究了砂巖斷裂力學(xué)行為，揭示了熱損傷砂巖斷裂特性變化的微細(xì)觀機(jī)制。Qiao等[20]分析了溫度效應(yīng)下力學(xué)性能與聲發(fā)射能量之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立了能量自激勵(lì)自抑制（EII）模型，得出耗散能與彈性能之比作為巖石破壞前兆的能量指標(biāo)，表征砂巖系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

可見(jiàn)，關(guān)于不同溫度對(duì)各類(lèi)巖石的影響，已取得了豐富的研究成果。然而，溫度的變化往往是反復(fù)多次，并非一次性的，常常具有周期性的升高和降低，稱(chēng)為熱循環(huán)。朱珍德等[21]采用SEM手段觀察了熱循環(huán)和力學(xué)破壞后的大理巖斷口，統(tǒng)計(jì)得到微裂隙參數(shù)，并進(jìn)行了分形計(jì)算與分析。倪驍慧等[22]研究表明，熱循環(huán)作用后，巖石單軸壓縮破壞的主導(dǎo)裂紋為沿晶裂紋。Mahmutoglu[23]和Hu[24]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度和熱循環(huán)次數(shù)的增加，花崗巖裂紋發(fā)展，同時(shí)力學(xué)強(qiáng)度降低。Zhu等[25]對(duì)取自福建漳州的花崗巖進(jìn)行熱循環(huán)后，開(kāi)展力學(xué)測(cè)試及聲發(fā)射試驗(yàn)，得出其物理力學(xué)參數(shù)隨著熱循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)下降。Feng等[26]指出，通過(guò)修正斷裂過(guò)程區(qū)，能夠提高修正最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則（MMTS）預(yù)測(cè)巖石斷裂的準(zhǔn)確性。Rong等[27]研究指出，巖石宏觀裂化在很大程度上可歸因于熱應(yīng)力導(dǎo)致巖石產(chǎn)生的晶界與晶內(nèi)裂紋。Zhao[28]研究表明，巖石力學(xué)性能降低是因?yàn)槲⒘鸭y密度增加。Griffiths等[29]定量研究了花崗巖的熱裂紋特征。Zhao等[30]研究花崗巖滲透性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)得出，達(dá)到臨界溫度時(shí)，其滲透率顯著增加。

前人研究成果均表明溫度變化在一定程度上對(duì)巖石物理與力學(xué)性質(zhì)有影響。而細(xì)粒致密花崗巖是一類(lèi)礦物顆粒較小、結(jié)構(gòu)緊密、較為堅(jiān)硬的巖石。在一些地下工程中，該類(lèi)巖石起到關(guān)鍵性作用。例如：干熱巖開(kāi)發(fā)工程中，人工儲(chǔ)留層通常為滲透率和孔隙率較低的致密變質(zhì)巖或花崗巖[31-32]；在深部高地應(yīng)力環(huán)境下，礦產(chǎn)開(kāi)采堅(jiān)硬頂板一般為細(xì)粒致密花崗巖；對(duì)于核廢料地質(zhì)封存場(chǎng)所，常選取細(xì)粒致密花崗巖作為封存圍巖，以防止核廢料衰變引起泄漏而污染地層與地下水，保證封存安全。然而，針對(duì)熱循環(huán)作用下細(xì)粒致密花崗巖的破壞力學(xué)特性、微裂紋結(jié)構(gòu)特征及其相關(guān)性研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本文采集地?zé)釢撛陂_(kāi)發(fā)區(qū)巖樣，對(duì)花崗巖分別進(jìn)行從室溫（20 ℃）到上限溫度為100、200和300 ℃的熱循環(huán)處理試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)及光學(xué)顯微鏡觀測(cè)試驗(yàn)，研究花崗巖力學(xué)特性演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用巖石試樣取自中國(guó)隨州。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）發(fā)布的建議，鉆取直徑50 mm×高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并將樣品上、下兩端打磨平整，使其兩端面不平行度小于0.02 mm，如圖1（a）所示。試樣主要含有石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黑云母等礦物，如圖1（b）所示，礦物顆粒平均直徑多為0.2～0.5 mm，屬于細(xì)粒致密結(jié)構(gòu)。

圖1 細(xì)粒致密花崗巖試樣Fig. 1 Fine grained dense granite samples

1.2 試驗(yàn)方法與測(cè)試

采用智能馬弗爐對(duì)細(xì)粒致密花崗巖試樣（本文簡(jiǎn)稱(chēng)花崗巖試樣）進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，熱循環(huán)從室溫（20 ℃）開(kāi)始，上限溫度分別為100、200和300 ℃；熱循環(huán)次數(shù)分別為1、5、10和20次。在進(jìn)行熱循環(huán)處理時(shí)，首先，將巖樣放進(jìn)馬弗爐內(nèi)，以5 ℃/min的速率升溫；然后，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫2 h，使其有充分作用時(shí)間；最后，停止加熱，自然冷卻至室溫后取出試樣。

采用武漢大學(xué)RMT-301型巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理后的巖樣開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)。設(shè)置位移加載模式，加載速率為0.005 mm/s。熱處理與力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 熱處理與力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)裝備Fig. 2 Heat treatment and mechanical test equipment

2 細(xì)粒致密花崗巖力學(xué)特性

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

應(yīng)力-應(yīng)變曲線在一定程度上能夠反映巖石的破壞過(guò)程和破壞機(jī)制。試驗(yàn)過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄試樣載荷、軸向位移和橫向位移數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算處理得到花崗巖加載全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 細(xì)粒致密花崗巖試樣部分典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Typical stress-strain curves of some fine grained dense granite samples

觀察圖3可知，所有試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大致相同，都是在受載荷作用過(guò)程中經(jīng)歷了孔裂隙閉合階段、彈性變形階段、裂紋擴(kuò)展階段和破壞階段，如圖4所示。圖4中，σci為起裂應(yīng)力，σcd為裂紋損傷應(yīng)力，σc為峰值強(qiáng)度，E為彈性模量。

圖4 巖樣代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線分階段劃分示意圖Fig. 4 Schematic diagram of stage division of representative stress-strain curves of rock sample

開(kāi)始受到載荷作用時(shí)，試樣孔隙與裂隙逐漸閉合，內(nèi)部空間緊密壓實(shí)；隨著加載繼續(xù)，巖石發(fā)生彈性變形，表現(xiàn)出彈性性質(zhì)；這兩個(gè)階段占加載過(guò)程的85%以上。當(dāng)彈性變形達(dá)到一定程度后，巖石新產(chǎn)生的裂紋和原有裂紋迅速擴(kuò)展，巖樣發(fā)出輕微破裂聲響。達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，花崗巖突然失穩(wěn)，應(yīng)力驟然降低，并伴隨劇烈的炸裂聲響。尤其是未經(jīng)熱處理的花崗巖，在破壞瞬間有類(lèi)似爆炸現(xiàn)象，花崗巖大塊破碎，小塊脫離巖樣高速?gòu)椛?，四處飛濺。部分典型試件破壞后的照片如圖5所示。由于幾乎所有試樣在破壞時(shí)都發(fā)生了崩落，圖5中是破壞試樣拼接后的照片。

圖5 部分典型破壞試樣Fig. 5 Typical failure samples

整體上，大部分試樣在經(jīng)過(guò)300 ℃以?xún)?nèi)的熱循環(huán)處理后，細(xì)粒致密花崗巖受力發(fā)生明顯的孔隙裂隙閉合與彈性變形；而后，在經(jīng)歷短暫裂紋擴(kuò)展后，突然崩落失穩(wěn)，承載能力驟然降低，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。這與未經(jīng)熱循環(huán)處理花崗巖試樣的破壞特征基本一致，而觀察上限溫度300 ℃熱循環(huán)的花崗巖試樣的曲線斜率和峰值應(yīng)力，可知巖樣仍保留有較高強(qiáng)度。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度隨熱循環(huán)變化規(guī)律

根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到花崗巖在不同熱循環(huán)溫度和次數(shù)下的單軸抗壓強(qiáng)度，如圖6所示。

圖6 花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度隨著熱循環(huán)變化曲線Fig. 6 Variation curves of granite uniaxial compressive strength with thermal cycle

由圖6可知：上限溫度為100 ℃、熱循環(huán)1次時(shí)，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為227.4 MPa；循環(huán)5次時(shí)，為225.5 MPa，相比循環(huán)1次降低了0.8%；熱循環(huán)10次、20次后花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度分別為222.7和221.8 MPa，相比熱循環(huán)1次時(shí)分別降低了2.1%和2.5%。上限溫度為200 ℃、熱循環(huán)1、5、10和20次后，單軸抗壓強(qiáng)度分別為214.8、210.7、204.0和201.6 MPa，循環(huán)20次比循環(huán)1次，其力學(xué)強(qiáng)度降低了6.1%。上限溫度為300 ℃時(shí)，循環(huán)20次比循環(huán)1次單軸抗壓強(qiáng)度降低了7.6%。因此，隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且在相同循環(huán)次數(shù)下，循環(huán)溫度越高，單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度越大。

由圖6的曲線斜率可知，單軸抗壓強(qiáng)度隨著熱循環(huán)次數(shù)變化大致分為兩個(gè)階段。第1階段，熱循環(huán)1～10次：上限溫度為100 ℃的熱循環(huán)時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度以0.52 MPa/次的速度降低；上限溫度為200 ℃時(shí)，以1.20 MPa/次的速度降低；上限溫度為300 ℃時(shí)，以1.79 MPa/次的速度降低。第2階段，熱循環(huán)10～20次：上限溫度為100 ℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度以0.09 MPa/次的速度降低；上限溫度為200 ℃時(shí)，以0.24 MPa/次的速度降低；上限溫度為300 ℃時(shí)，以0.67 MPa/次的速度降低。因此，在熱循環(huán)10次以?xún)?nèi)，單軸抗壓強(qiáng)度隨著熱循環(huán)次數(shù)降低明顯；超過(guò)10次以后，力學(xué)強(qiáng)度降低的趨勢(shì)逐漸變緩并趨于平穩(wěn)。同時(shí)，熱循環(huán)上限溫度越高，曲線斜率絕對(duì)值越大，說(shuō)明花崗巖力學(xué)強(qiáng)度隨著熱循環(huán)弱化變得愈加敏感。

2.3 彈性模量隨熱循環(huán)的變化規(guī)律

彈性模量反映巖石在外力作用下彈性變形的難易程度，是巖石力學(xué)特性的重要參數(shù)。圖7為花崗巖彈性模量隨著熱循環(huán)上限溫度和熱循環(huán)次數(shù)變化的曲線。

圖7 花崗巖彈性模量隨著熱循環(huán)變化曲線Fig. 7 Variation curves of elastic modulus of granite with thermal cycles

常溫下，花崗巖彈性模量為52.00 GPa。由圖7（a）可知：熱循環(huán)1次時(shí)，上限溫度分別為100、200和300 ℃熱循環(huán)處理后的花崗巖彈性模量分別為51.13、49.34和45.23 GPa，其中，上限溫度為300 ℃時(shí)比常溫時(shí)降低了13.0%，降低幅度相對(duì)最大；熱循環(huán)5、10和20次時(shí)，花崗巖彈性模量隨熱循環(huán)上限溫度的不同，變化趨勢(shì)基本一致。由圖7（b）可知：上限溫度為100 ℃熱循環(huán)5次后，花崗巖試樣彈性模量降低，而后彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)變化逐漸不明顯；隨著熱循環(huán)上限溫度增大，在上限溫度為300 ℃的熱循環(huán)時(shí)，次數(shù)增加引起的彈性模量降低幅度最大。

總體而言，在相同熱循環(huán)次數(shù)下，隨著上限溫度升高，花崗巖彈性模量逐漸降低，其抵抗變形能力減弱。在相同熱循環(huán)上限溫度下，彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)增多而逐漸降低，且上限溫度越高，降低越明顯。類(lèi)似研究還包括：Zhou等[33]通過(guò)對(duì)玄武巖進(jìn)行溫度與應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)，得出溫度周期循環(huán)次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致楊氏模量減??；Inada等[34]在對(duì)花崗巖與凝灰?guī)r進(jìn)行15～100 ℃熱循環(huán)研究后，得出楊氏模量隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加而減小，巖石損傷累積。然而，胡躍飛等[35]對(duì)花崗巖進(jìn)行了溫度與應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)研究，得出在一定循環(huán)次數(shù)內(nèi)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，花崗巖彈性模量逐漸增大。夏才初等[36]發(fā)現(xiàn)雖然熱循環(huán)會(huì)引起巖石損傷，但外部施加載荷作用使得微裂縫閉合，溫度和應(yīng)力循環(huán)對(duì)巖石力學(xué)特性有“疊加”效應(yīng)。胡躍飛等[35]研究采用的是變質(zhì)中細(xì)粒二長(zhǎng)石花崗巖，相對(duì)于本文研究的細(xì)粒致密花崗巖，兩者結(jié)構(gòu)有差異?？梢?jiàn)，一方面，在考慮巖石熱效應(yīng)的同時(shí)，外部應(yīng)力作用也不可忽視；另一方面，不同巖石的力學(xué)特性隨熱循環(huán)的變化趨勢(shì)有差異。巖石硬化與軟化是不同因素導(dǎo)致的多種機(jī)制綜合作用的結(jié)果，與巖石自身結(jié)構(gòu)和成分緊密相關(guān)。

3 熱循環(huán)對(duì)致密花崗巖影響的討論

3.1 熱循環(huán)對(duì)細(xì)粒致密花崗巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響

綜上可知，細(xì)粒致密花崗巖力學(xué)參數(shù)隨著熱循環(huán)上限溫度與次數(shù)增加而逐漸降低。巖石強(qiáng)度反映了其抵抗破壞的能力；巖樣裂紋化體現(xiàn)了巖石劣化程度，是直接影響巖石抵抗破壞能力的重要因素。因此，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀測(cè)巖樣礦物顆粒之間及礦物顆粒內(nèi)的微裂紋。由于微裂紋較為復(fù)雜，對(duì)其做簡(jiǎn)化處理[37]：一條接近為直線段的裂紋視為一條裂紋；對(duì)于折線和彎曲形狀的裂紋，將其分開(kāi)識(shí)別，即折線和彎曲連接處認(rèn)定為多條裂紋交匯點(diǎn)，單獨(dú)統(tǒng)計(jì)裂紋條數(shù)。通常采用裂紋密度表征巖石內(nèi)部的裂紋化程度[38-42]。在巖樣光學(xué)顯微鏡獲得的照片上繪制基準(zhǔn)線，觀測(cè)基準(zhǔn)線與裂紋的交點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)交點(diǎn)個(gè)數(shù)，再除以基準(zhǔn)線總長(zhǎng)度，即得到其線性裂紋密度[41]，即：

式中，ω為線性裂紋密度，Ni為裂紋與基準(zhǔn)線的交點(diǎn)個(gè)數(shù)，LA為基準(zhǔn)線總長(zhǎng)度。

裂紋的描繪和提取過(guò)程如圖8所示。圖8中，綠色線表示描繪的裂紋，藍(lán)色線表示用于裂紋密度計(jì)算的基準(zhǔn)線，Qtz表示石英，Kf表示鉀長(zhǎng)石，Pl表示斜長(zhǎng)石，Bt表示黑云母。

圖8 裂紋定量提取示意圖[42]Fig. 8 Schematic diagram of quantitative crack extraction[42]

由式（1）得到上限300 ℃熱循環(huán)時(shí)的花崗巖平均線性裂紋密度，其隨熱循環(huán)次數(shù)的變化如圖9所示。

圖9 線性裂紋密度與力學(xué)參數(shù)隨熱循環(huán)變化Fig. 9 linear crack density and mechanical parameters change with thermal cycles

由圖9可知：熱循環(huán)1次后的線性裂紋密度為1.11 mm-1；熱循環(huán)5次后的線性裂紋密度為1.25 mm-1；熱循環(huán)10次后的線性裂紋密度為1.42 mm-1；熱循環(huán)20次后的線性裂紋密度為1.69 mm-1，為熱循環(huán)1次的1.53倍。可見(jiàn)，線性裂紋密度隨著熱循環(huán)次數(shù)增多而顯著增大，熱循環(huán)造成了細(xì)粒致密花崗巖內(nèi)部裂紋化程度加劇，而單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)降低，因此，熱循環(huán)產(chǎn)生的微裂紋明顯影響花崗巖的力學(xué)特性。相似結(jié)論包括：李春等[43]研究表明，花崗巖經(jīng)歷熱循環(huán)處理后，其裂紋數(shù)量和寬度增加，裂紋長(zhǎng)度增長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度降低。姚孟迪[41]研究表明，大理巖宏觀力學(xué)強(qiáng)度與細(xì)觀裂紋密度存在良好的相關(guān)性，即單軸抗壓強(qiáng)度隨著裂紋密度增大而逐漸下降。

將單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與相應(yīng)線性裂紋密度繪制在同一個(gè)坐標(biāo)系（圖10），采用負(fù)指數(shù)函數(shù)描述相關(guān)關(guān)系：

式中：UCS0、E0、η、γ均為模型參數(shù)；UCS0為線性裂紋密度為0時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；E0為線性裂紋密度為0時(shí)的彈性模量，GPa；η和γ為擬合的系數(shù)，單位為mm。當(dāng)UCS0和E0為0時(shí)，線性裂紋密度趨于+∞；采用式（2）和（3）擬合，結(jié)果如圖10所示。

圖10 線性裂紋密度與力學(xué)參數(shù)關(guān)系曲線Fig. 10 Relationship curves between linear crack density and mechanical parameters

綜上，花崗巖的宏觀單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與微裂紋存在一定相關(guān)性，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)能較好地描述力學(xué)參數(shù)與線性裂紋密度之間的關(guān)系。

3.2 熱循環(huán)引起細(xì)粒致密花崗巖宏-細(xì)觀性質(zhì)變化分析

巖石是由多種礦物顆粒組成的集合體，受到熱作用，這些礦物顆粒可能發(fā)生成分與結(jié)構(gòu)的變化，影響巖石內(nèi)部裂紋的萌生與擴(kuò)展，并直接反映在宏觀力學(xué)性質(zhì)的改變上，這與受到的溫度值有關(guān)。在一定溫度下，巖石各組分發(fā)生著各種物理和化學(xué)變化。本文研究的是300 ℃以?xún)?nèi)的熱循環(huán)。低于100 ℃的熱作用主要引起巖石水分蒸發(fā)[44]；在100～200 ℃范圍，巖石游離水與結(jié)合水蒸發(fā)，黏土與水合物礦物發(fā)生解析反應(yīng)[45]；在250～300 ℃，富含鐵礦物發(fā)生不可逆脫水，引起長(zhǎng)英質(zhì)巖石、鈣質(zhì)砂巖和富含石英礫巖的顏色變化[46-47]。

升溫或降溫造成溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起各種礦物組分不協(xié)調(diào)變形。然而，不同上限溫度之間形成的相同溫度梯度，導(dǎo)致的熱應(yīng)力作用效果可能不同，這是由于在不同溫度下，巖石內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度不同。達(dá)到一定溫度時(shí)，巖石出現(xiàn)微觀與宏觀尺度的裂化，冷卻到室溫后，在一定溫度范圍內(nèi)，這些變化不可恢復(fù)。并且，不同種類(lèi)巖石，其產(chǎn)生熱破裂的溫度閾值也不盡相同。Westerly花崗巖在75 ℃時(shí)產(chǎn)生裂紋[48]，魯灰花崗巖熱破裂溫度閾值為65 ℃[49]，大理巖力學(xué)性質(zhì)變化的溫度閾值為100 ℃[22]。

熱循環(huán)導(dǎo)致升溫與降溫過(guò)程反復(fù)發(fā)生，造成巖石受到周期性熱應(yīng)力作用，類(lèi)似于施加載荷的疲勞作用，巖石內(nèi)部損傷積累。在一定熱循環(huán)條件下，巖石損傷會(huì)引起其宏觀力學(xué)性質(zhì)改變。本文觀察到在上限溫度為100 ℃的熱循環(huán)時(shí)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量有所降低；在上限溫度為200、300 ℃熱循環(huán)范圍內(nèi)也都觀察到了隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，花崗巖力學(xué)性質(zhì)弱化現(xiàn)象。這可能與巖石裂紋演化及裂紋之間的貫通程度均有關(guān)。倪驍慧等[22]以大理巖穿晶裂紋與沿晶裂紋數(shù)量變化為依據(jù)，推測(cè)大理巖熱破裂預(yù)制。Feng等[26]研究表明，在溫度周期循環(huán)過(guò)程中，巖石內(nèi)部裂紋破壞性質(zhì)為沿晶破壞。Rong等[27]研究得到：熱循環(huán)處理引起大理巖與花崗巖產(chǎn)生裂紋；隨著循環(huán)次數(shù)增加，裂紋數(shù)量增多；晶內(nèi)裂紋作為衡量巖石損傷的有效指標(biāo)，其增加相對(duì)于沿晶裂紋更顯著。因此，巖石內(nèi)部損傷積累，以及裂紋性質(zhì)、裂紋數(shù)量的變化是熱循環(huán)造成巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的重要影響因素。

熱應(yīng)力對(duì)于巖石的作用，一方面，使得巖石所含礦物顆粒膨脹，逐漸壓密原生空隙，表現(xiàn)為在一定溫度下，巖石力學(xué)性質(zhì)有所增強(qiáng)；另一方面，熱作用使得礦物顆粒不協(xié)調(diào)變形，或者膨脹達(dá)到一定程度，造成巖石開(kāi)裂形成微裂紋，出現(xiàn)損傷。由本文研究可知，細(xì)粒致密花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨著熱循環(huán)上限溫度和熱循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，并未觀察到增大的現(xiàn)象；并且，光學(xué)顯微鏡觀測(cè)得到巖石內(nèi)部裂紋數(shù)量、密度也一直增加。這說(shuō)明，對(duì)于細(xì)粒致密的巖石而言，熱循環(huán)上限溫度和次數(shù)的增加引起其開(kāi)裂熱損傷占據(jù)主導(dǎo)作用。這是由于礦物顆粒結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)很致密，熱作用產(chǎn)生的礦物顆粒不協(xié)調(diào)膨脹引起的密實(shí)作用空間有限，而膨脹力更多地作用于礦物顆粒本身，促進(jìn)微裂紋產(chǎn)生和推動(dòng)已有裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而造成巖石損傷加劇，在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量降低。

4 結(jié) 論

為了探究熱循環(huán)作用下細(xì)粒致密花崗巖的力學(xué)特性及細(xì)觀特征，對(duì)花崗巖開(kāi)展了熱循環(huán)處理試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、顯微觀測(cè)試驗(yàn)及研究，得到以下主要結(jié)論：

巖石的破壞特征和力學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，尤其是細(xì)粒致密結(jié)構(gòu)的花崗巖，在上限溫度為300 ℃熱循環(huán)處理20次以?xún)?nèi)，其依然保持脆性破壞特征，并表現(xiàn)為十分劇烈的突然失穩(wěn)破壞，抵抗破壞能力驟降?；◢弾r單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨著熱循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低；而單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)分段下降特點(diǎn)，表現(xiàn)在超過(guò)10次熱循環(huán)后，其強(qiáng)度降低得較為緩慢。同時(shí)，熱循環(huán)上限溫度升高，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量降低速率變大，即升高熱循環(huán)的上限溫度能夠提高花崗巖力學(xué)性質(zhì)隨熱循環(huán)劣化的敏感性。

在上限溫度為300 ℃熱循環(huán)20次后，細(xì)粒致密花崗巖線性裂紋密度為1.69 mm-1，是熱循環(huán)1次的1.5倍；熱循環(huán)上限溫度和次數(shù)增加能顯著促進(jìn)花崗巖內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，并提高其裂化程度。單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著線性裂紋密度呈非線性降低，用負(fù)指數(shù)函數(shù)能較好地描述其關(guān)系。由于花崗巖顆粒較細(xì)且結(jié)構(gòu)致密，熱循環(huán)上限溫度和次數(shù)使得熱開(kāi)裂占據(jù)主要作用，導(dǎo)致內(nèi)部裂紋化程度加劇，同時(shí)引起花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量持續(xù)降低。

本文研究的目的是探索具有細(xì)粒致密結(jié)構(gòu)的巖石受溫度周期循環(huán)影響的力學(xué)效應(yīng)。由于考慮細(xì)粒致密結(jié)構(gòu)花崗巖在熱循環(huán)影響下力學(xué)特性的研究鮮有報(bào)道，因此，面向深部開(kāi)采復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)考慮開(kāi)采擾動(dòng)路徑、3維應(yīng)力狀態(tài)和高滲透壓力作用，開(kāi)展更高溫度上限與更多熱循環(huán)次數(shù)的巖石熱循環(huán)損傷試驗(yàn)，建立深部巖石熱循環(huán)損傷演化模型，并深入思考力學(xué)強(qiáng)度弱化機(jī)制，是未來(lái)值得進(jìn)一步研究的工作。