王 鵬， 陳 宇， 陳小洋， 李 力

(1. 江西省水利投資集團有限公司，江西 南昌 330000; 2. 江西建設職業(yè)技術學院，江西 南昌 330200; 3. 重慶市地勘局川東南地質(zhì)大隊，重慶 400030; 4. 成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

0 引 言

巖石的抗拉特性是評價地下工程圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)，同時也是支護結構設計的重要指標[1]。許多巖石結構發(fā)生破壞往往是由于結構局部或者整體承受拉應力引起的[2]。如：在煤炭開采過程中，頂板巖石冒落與拉應力有密切關系。伴隨著人類活動不斷向地下延伸，包括高放射性核廢料處置庫建立、地熱工程、煤炭地下氣化以及火災后重建等，均會涉及到高溫對圍巖結構變形和強度的影響[3]。在深地工程高溫環(huán)境中， 圍巖產(chǎn)生拉應力的概率會大幅度增加，原有的拉應力分布特征也會發(fā)生變化[4]。因此，研究巖石抗拉熱損傷破壞特征和規(guī)律對工程設計和評價有重要的作用。

關于巖石在高溫下的力學損傷特性演化規(guī)律這一問題，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，并取得了較多理論與應用成果。方新宇等[5]對高溫（25～1 000 ℃）處理后的花崗巖進行巴西圓盤試驗，對比分析了破壞形態(tài)、抗拉強度、荷載-位移特征等。吳順川等[6]基于巴西劈裂試驗，分析了25～800 ℃處理后花崗巖的抗拉強度、體積膨脹率、縱波波速、微觀結構和聲發(fā)射特征的變化。蘇海健等[7]研究了溫度和尺寸對抗拉強度的影響，對20～800 ℃、巖樣厚徑比為0.5～1.0的紅色砂巖進行了巴西劈裂試驗。吳剛等[8]對砂巖在25～1 200 ℃溫度作用后的力學特性進行試驗研究，分析了峰值應力、峰值應變、破壞模式和泊松比的變化。

綜上分析，巖石熱損傷研究主要集中在宏觀物理力學性質(zhì)、微觀結構特征等方面，對巖石劈裂破壞模式的定量描述和裂紋的動態(tài)演化特征研究仍較少?；◢弾r作為深部賦存較為常見的巖石，對其熱損傷進行相關研究有著深刻的理論價值和工程實際意義。本文主要是基于巴西劈裂試驗，對25～700 ℃溫度處理后花崗巖的抗拉強度、質(zhì)量損失率、縱波波速等物理力學性質(zhì)進行對比分析，同時結合顯微鏡和聲發(fā)射監(jiān)測進行分析，探究其劈裂破壞模式和裂紋動態(tài)演化特征，分析其損傷破裂機制，為高溫條件下深地工程圍巖結構穩(wěn)定性評估和災害預警提供建設性的意見與建議。

1 試驗方法

試驗所采用的花崗巖產(chǎn)自山東日照，結構致密、質(zhì)地均勻，表面無明顯裂隙，自然狀態(tài)下呈青灰色。在偏光顯微鏡下觀察花崗巖的內(nèi)部結構如圖1所示，常溫下主要包括石英、長石、云母等礦物成分，且礦物顆粒較大，結合緊密，同時可見幾條裂隙出露在礦物顆粒表面?；◢弾r的平均密度為2.65 g/cm3，縱波波速為6 578 m/s。按照國際巖石力學學會標準，將花崗巖加工成?50 mm×25 mm的標準圓盤試樣，且端面的加工精度在0.02 mm。每組平行試樣數(shù)量設置為3個，以減小試驗誤差。

圖1 花崗巖顯微薄片圖

采用馬弗爐（TNX-1 400）對圓盤試樣進行加熱，以8 ℃/min的加熱速率將花崗巖加熱至目標溫度（25，200，300，400，500，600，700 ℃），然后恒溫加熱2 h，使試樣受熱均勻，之后在馬弗爐中自然冷卻到室溫。在經(jīng)過樣品準備和加熱后，利用TAW-2000對花崗巖開展巴西劈裂實驗，加載速率為0.05 mm/min，加載方式為位移控制。同時，在對花崗巖加載破壞的過程中，采用聲發(fā)射對整個過程進行實時動態(tài)監(jiān)測，聲發(fā)射信號用單通道進行采集，采集頻率為5 MΗz，門檻值為40 dB。利用膠帶將聲發(fā)射探頭固定在距離中心位置1 cm左右，以確保實驗結論的準確性。

2 結果與分析

2.1 應力-時間曲線特征

圖2為不同溫度下花崗巖的應力-時間曲線。從圖中可以看出，整個曲線的裂紋壓密階段、彈性變形階段、裂紋擴展階段并不是特別明顯，這與單軸壓縮實驗的應力，時間曲線變化特征有較大的區(qū)別[9]。整個曲線大致經(jīng)歷線性發(fā)展階段以及峰值破壞后的迅速降低階段。仔細分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，溫度對花崗巖的應力變化特征有明顯的影響。在500 ℃前，花崗巖破壞經(jīng)歷的變化趨勢類似，破壞時間在不斷減小。在500 ℃后，花崗巖應力上升速率緩慢，破壞時間變長，產(chǎn)生的應變變大。這一現(xiàn)象說明內(nèi)部裂紋結構在溫度的影響下會發(fā)生顯著的變化，導致花崗巖的彈性模量和泊松比會發(fā)生較大變化，使得圍巖支護機構失效，并最終影響地下工程圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 不同溫度下的應力～時間圖

2.2 抗拉強度變化特征

溫度的變化會影響巖石的應力發(fā)展特征，并最終導致巖石抗拉強度發(fā)生變化，具體數(shù)值見表1。從圖3中花崗巖的抗拉強度變化特征可以看到，抗拉強度隨著溫度的升高而不斷減小。在25～300 ℃，抗拉強度變化較小，測得的抗拉強度仍大于10 MPa。在300～400 ℃，花崗巖的抗拉強度急速下降，從300 ℃時的11.08 MPa下降到400 ℃時的4.84 MPa，下降幅度高達56.32%，意味著在該溫度范圍內(nèi)花崗巖損傷較為嚴重。在400 ℃后，抗拉強度處于小范圍的波動，損傷程度并沒有進一步加劇?？估瓘姸鹊倪@一變化特征說明花崗巖的損傷閾值溫度在300～400 ℃區(qū)間，該范圍內(nèi)花崗巖內(nèi)部結構損傷嚴重。

表1 花崗巖的物理力學參數(shù)表

圖3 花崗巖平均抗拉強度變化圖

2.3 縱波波速與質(zhì)量變化規(guī)律

巖石在加熱過程中，會發(fā)生裂紋損傷演化和水分喪失等變化，導致巖石的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化。圖4為花崗巖縱波波速、質(zhì)量損失率隨溫度的變化關系，其中，質(zhì)量損失率采用下式計算：

圖4 花崗巖平均質(zhì)量和縱波波速變化圖

式中：M1——巖石初始質(zhì)量；

M2——巖石加熱后的質(zhì)量。

在高溫加熱環(huán)境中，巖石中的自由水、沸石水、結晶水、結構水會逐步蒸發(fā)[10]，同時巖石內(nèi)部的風化產(chǎn)物和有機物發(fā)生燃燒，也會導致巖石的質(zhì)量隨溫度不斷減小。水分喪失會導致晶體骨架破壞，礦物顆粒之間的不協(xié)調(diào)變形也會使內(nèi)部結構破壞，產(chǎn)生微裂紋，彈性波在這種巖石中傳播會受到阻礙，從而導致測得的巖石縱波波速下降。巖石縱波波速的下降在一定程度上可以表征巖石的熱損傷程度，利用縱波波速計算巖石的損傷變量已經(jīng)在較多文獻中提及[11]。

2.4 聲發(fā)射特征

2.4.1 聲發(fā)射時空演化規(guī)律

巖石在變形破壞過程中其內(nèi)部積聚的能量會釋放，聲發(fā)射作為一種無損檢測手段，可以有效地捕捉巖石內(nèi)部釋放的彈性應變能，從而對巖石內(nèi)部的結構進行分析[12]。本文主要以聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和聲發(fā)射b值來對巖石微裂紋的時空演化特征進行分析。巖石的斷裂與地震發(fā)生的機制類似，因此，聲發(fā)射b值的概念和計算公式也是由地震頻度與震級之間的關系演化而來，具體計算公式如下[13]：

式中：AdB——聲發(fā)射振幅，通常是根據(jù)門檻值設置；

N——振幅大于AdB的選定時間窗口中相等數(shù)量的聲發(fā)射事件總數(shù)；

a——常數(shù)；

b——本文所求的數(shù)值。

本文利用掃描算法進行計算。

圖5為花崗巖在不同溫度下的聲發(fā)射演化特征圖。從圖中可以看出，在整個加載過程中聲發(fā)射b值呈現(xiàn)動態(tài)式的發(fā)展。在加載初期，聲發(fā)射采樣窗口事件跨度較大，因此該階段的聲發(fā)射b值測取不到。從圖5(a)中可以看出，常溫下花崗巖在破壞前的聲發(fā)射b值維持在一個較為穩(wěn)定的水平，直到試樣在即將破壞時聲發(fā)射b值突發(fā)式下降，這可以作為巖石破壞失穩(wěn)的重要預警信號。在花崗巖加熱后，聲發(fā)射b值的變化特征與常溫下的略顯不同，試樣破壞前聲發(fā)射b值只在短時間內(nèi)維持了穩(wěn)定狀態(tài)，之后呈現(xiàn)出了劇烈的波動，見圖5(b)～圖5(d)。隨著加熱溫度的進一步提高，聲發(fā)射b值先是呈現(xiàn)緩慢的減小，然后在破壞時發(fā)生陡降。聲發(fā)射b值增大意味著巖石裂紋發(fā)展以小尺度裂紋為主，聲發(fā)射b值減小則是以大尺度裂紋發(fā)展為主。在巴西劈裂破壞過程中，巖石內(nèi)部的裂紋首先保持穩(wěn)定發(fā)展，主要以小裂紋發(fā)展為主，隨著裂紋的不斷增多和相互連通，則此時巖石的裂紋向大尺度發(fā)展。聲發(fā)射b值的變化情況與劈裂破壞過程有較好的對應關系，利用聲發(fā)射b值的變化情況可以有效預警巖石內(nèi)部結構的變化情況。

圖5 不同溫度下的聲發(fā)射特征圖

2.4.2 聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)特征

聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)是聲發(fā)射中較為重要的一個參數(shù)，可以反映巖石內(nèi)部破裂和微裂紋的演化特征。累計振鈴計數(shù)的變化大致都是經(jīng)歷破壞前的緩慢變化和破壞時的直線式上升。這與巖石的破壞特征是對應的，花崗巖在破壞前內(nèi)部損傷緩慢積累，直到內(nèi)部損傷積累到一定程度，超過了巖石的強度極限，巖石會發(fā)生突發(fā)式的破壞。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，常溫下花崗巖在破壞前累計振鈴計數(shù)上升速率較快，破壞時則突然上升。而在加熱后，巖石初始加載階段幾乎維持在一個較低的水平，上升速率幾乎為零；而后當應力增加到一定水平，累計振鈴計數(shù)則開始緩慢增加，說明此時內(nèi)部裂紋開始發(fā)育；在臨近破壞前某一應力水平，巖石已經(jīng)較難維持裂紋發(fā)展所需要的極限，此時內(nèi)部損傷已經(jīng)達到最大，裂紋幾乎都連通，在試樣破壞時累計振鈴計數(shù)則開始快速上升。

圖6 不同溫度下的累計振鈴計數(shù)

2.4.3 聲發(fā)射事件數(shù)變化特征

巖石聲發(fā)射事件數(shù)是用來反映材料局部變化的一個參數(shù)，用于反映事件的總量和頻度。圖7顯示了不同溫度下巴西劈裂過程中聲發(fā)射事件數(shù)的變化過程。如圖7（a）所示，在巖石破壞前，聲發(fā)射事件數(shù)處于一個較低的水平，但聲發(fā)射事件數(shù)出現(xiàn)的頻度較高；當試樣快要破壞時，巖石的聲發(fā)射事件數(shù)水平快速上升，但聲發(fā)射事件的頻率大幅度降低，只可見零星的聲發(fā)射事件產(chǎn)生。在400 ℃時，巖石破壞前的聲發(fā)射事件數(shù)幾乎都低于20，破壞時試樣的聲發(fā)射事件數(shù)快速上升。在700 ℃巖石聲發(fā)射事件數(shù)出現(xiàn)的頻率較高，且隨加載不斷進行，聲發(fā)射事件數(shù)在不斷上升，在破壞時產(chǎn)生聲發(fā)射事件數(shù)的頻率也較高。這說明在常溫時巖石裂紋的發(fā)展處于緩慢發(fā)展階段；在中等溫度加載初期的裂紋發(fā)展穩(wěn)定，而在破壞時則發(fā)展較為迅速；在高溫階段，巖石裂紋的發(fā)展比較迅速。

圖7 聲發(fā)射事件數(shù)在不同溫度下的變化特征

2.4.4 聲發(fā)射能量變化規(guī)律

圖8為試驗監(jiān)測到的巴西劈裂過程中的釋放的累計能量。從圖中可以看到，在常溫下花崗巖加載過程釋放的能量最多，在試樣加熱后，巖石劈裂所釋放的能量快速減小，之后所監(jiān)測到的巖石能量幾乎都處于一個波動的狀態(tài)。這說明未加熱的花崗巖在受到外荷載后巖石內(nèi)部結構發(fā)生較大變化，而加熱后的花崗巖由于內(nèi)部結構已經(jīng)發(fā)生了預損傷，在外荷載作用下巖石的結構變化程度減弱了許多，因此巖石破壞所釋放的能量減小了許多。

圖8 聲發(fā)射能量在不同溫度下的變化特征

2.5 應力門檻值變化特征

巖石微裂紋的發(fā)展是一個漸進性的過程，因此，分析巖石每個階段裂紋的發(fā)展進程對于學習巖石熱損傷機制是十分必要的。通過分析累計振鈴計數(shù)的變化特征可知，巖石會經(jīng)歷一個裂紋開始和裂紋損傷階段，對應著累計振鈴計數(shù)開始增加和巖石破壞時的突然增加階段。巖石的劈裂破壞過程與單軸壓縮破壞過程不同，巖石單軸壓縮過程中會經(jīng)歷較為明顯的裂隙壓密階段、線彈性階段、裂紋非穩(wěn)定發(fā)展以及破壞階段，而巴西劈裂試驗過程中所表現(xiàn)的階段性特征并不是特別明顯，本文的劈裂破壞過程只經(jīng)歷過線性發(fā)展階段和破壞階段，難以通過分析應力曲線來對裂紋的發(fā)展有一個定性的認識。結合聲發(fā)射參數(shù)的變化特征可以較好地識別裂紋起始點和巖石破壞狀態(tài)。

表2為不同溫度下花崗巖裂紋起始和裂紋損傷所對應的應力水平?？傮w而言，裂紋起始應力和裂紋損傷應力是隨溫度增長在減小的。并且，圖9展示了裂紋起始應力門檻比值和裂紋損傷應力門檻比值隨溫度的變化關系，兩種應力門檻比值分別采用下式計算[14]：

圖9 裂紋初始與裂紋損傷應力門檻比值變化

表2 裂紋起始與裂紋損傷應力平均值

從圖9中可以明顯看出隨著溫度增長，裂紋起始從常溫時的峰值應力的49.68%逐漸減小為700 ℃的16%，而裂紋損傷大致維持在峰值應力的95%左右。這意味著隨著溫度增長，裂紋出現(xiàn)得越來越早，而溫度并沒有明顯改變裂紋損傷出現(xiàn)的快慢，花崗巖在溫度的影響下越容易出現(xiàn)微裂紋，且在高溫下裂紋的發(fā)展演化過程逐漸變長，但結合累計振鈴計數(shù)變化特征可知，巖石微裂紋是漸進式發(fā)展的，是處于穩(wěn)定可控的狀態(tài)下，這也是加固地下工程圍巖的最佳時間。

2.6 花崗巖破壞特征

隨著巖石微裂紋的不斷發(fā)展并逐漸相互貫通，損傷程度不斷加劇并超過了花崗巖的強度極限，巖石開始產(chǎn)生破壞。正常情況下，巖石的起裂點是從圓盤中心發(fā)展，并逐漸向兩端擴展，最后平行于加載方向形成一條主裂紋。圖10展示了不同溫度下花崗巖的宏觀破壞模式。從圖中可以看出，花崗巖主要以單一主裂紋破壞為主，與砂巖的破壞模式不同，花崗巖的脆性明顯，在力的作用下并沒有形成明顯的次生裂紋。在兩端仍可以看到明顯的裂紋路徑，只是并沒有形成肉眼可見的裂紋。

圖10 花崗巖宏觀破壞模式圖

為了進一步對花崗巖圓盤的斷裂主裂紋進行描述，將斷裂主裂紋放在顯微鏡下進行觀察，并將整個斷裂的微觀形貌進行拼接。從圖11中各溫度下主裂紋的微觀形貌可知，巖石斷裂面的形態(tài)符合巴西劈裂狀態(tài)下的應力分布特征。斷裂面在靠近中心處張開度最大，兩端較為緊密，證明巖石是從中心處開始破裂，直至發(fā)展到兩端為止。隨著溫度的進一步提高，破壞形態(tài)也發(fā)生了一些變化，斷裂面變得更不平整，且斷裂面端部的巖石碎塊發(fā)生掉落，造成巖石斷裂面存在少許空缺，600 ℃時花崗巖的斷裂面充填有一些破壞的花崗巖小顆粒，說明巖石破裂較為嚴重?？傮w而言，隨著溫度升高，劈裂面的粗糙程度遞增。這可能是由于水分的喪失造成礦物組分之間的膠結程度變?nèi)酰骼瓚Φ钠扑槌潭燃觿?，表現(xiàn)為劈裂面隨溫度增加從光滑變得粗糙，損傷程度變嚴重。

圖11 不同溫度下花崗巖斷裂面顯微圖

3 討 論

巖石的應力-時間曲線表現(xiàn)為先是線性發(fā)展趨勢然后破壞，應力的發(fā)展趨勢在一定程度上可以反映材料內(nèi)部的位錯、微裂縫、微孔隙等情況，間接反映了材料的形變能力。因此可以通過定義應力-時間曲線中近線性發(fā)展階段曲線的斜率來反映應力的增長速率，則得到了一個反映圓盤試樣應力增長快慢的參數(shù)。計算各溫度等級下有效試樣的應力增長因子（即應力-時間曲線中近線性發(fā)展階段曲線的斜率），將其繪于圖12中。由圖可知，隨著溫度升高，總體上花崗巖的應力增長因子可以劃分為兩個階段，分別為 25～500 ℃ 和 500～700 ℃，在 25～500 ℃ 應力增長因子總體上表現(xiàn)為隨溫度增加而緩慢增長的趨勢，在500～600 ℃應力增長因子發(fā)生急速下降，在600～700 ℃應力增長因子緩慢下降。這可能是由于花崗巖在低溫階段的巖石礦物顆粒的性質(zhì)還沒有發(fā)生較大變化，且在低溫階段巖石內(nèi)部水分喪失，礦物顆粒之間的潤滑作用減弱，發(fā)生位錯的可能性減??；而在500～600 ℃，由于石英發(fā)生從相到相的轉變[15]，使得巖石礦物顆粒承載變形能力發(fā)生變化，巖石應力增長緩慢。

圖12 應力增長因子隨溫度的變化關系

與應力增長因子的變化特征不同的是，巖石的抗拉強度在300～400 ℃發(fā)生顯著下降，而應力增長因子則是在500～600 ℃發(fā)生急速下降。巖石的抗拉強度描述的是巖石的整體承載能力，本文定義的應力增長因子反映的是巖石某一階段的應力變化情況和形變能力?？梢酝ㄟ^裂紋化和位錯運動解釋這一現(xiàn)象，應力引起的裂紋化對溫度不敏感，而位錯作為晶格缺陷，其活動性受熱增強。因此，隨著溫度增長，巖石的整體承受能力和應力發(fā)展特征表現(xiàn)出不一樣的特征。如2.4.3節(jié)所分析的巖石聲發(fā)射事件數(shù)一樣，在不同加載階段巖石裂紋發(fā)展特征表現(xiàn)并不一樣，這與應力增長的快慢有直接關系。

從以上分析中可以知道聲發(fā)射包括振鈴計數(shù)、事件數(shù)、能量以及演化而來的聲發(fā)射b值等參數(shù)，通過分析不同的聲發(fā)射參數(shù)可以解讀巖石內(nèi)部結構不同的變化信息，如通過聲發(fā)射b值的變化關系可以大致了解巖石微裂紋的尺度發(fā)展特征；通過聲發(fā)射能量的改變可以感知巖石損傷程度的改變。在地下工程圍巖穩(wěn)定性評估與監(jiān)測中，需要實時感知和分析圍巖結構的變化趨勢和程度，合理使用聲發(fā)射技術將為支護結構設計和加固提供有用的信息。

4 結束語

本文基于巴西劈裂試驗研究了不同溫度（25～700 ℃）加熱后花崗巖的抗拉強度變化特征和聲發(fā)射特征，同時也分析了巖石應力的發(fā)展特征和裂紋演化規(guī)律，主要得出以下結論：

1）隨著溫度升高，花崗巖的應力-時間曲線發(fā)展特征明顯發(fā)生改變，以500 ℃為轉折點，在500 ℃前花崗巖破壞時間逐漸變短，500 ℃后破壞時間變長，定義的應力增長因子也證實了這一結論；抗拉強度也是隨溫度在不斷減小，其中在300～400 ℃抗拉強度下降較快。

2）聲發(fā)射特征參數(shù)也隨溫度表現(xiàn)出了不一樣的特征。聲發(fā)射b值波動式發(fā)展并隨溫度增長變化波動程度加劇。聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)加載初期變化緩慢而后快速增加，隨溫度增大累計振鈴計數(shù)增加幅度不一樣。聲發(fā)射能量和聲發(fā)射事件數(shù)均隨溫度而表現(xiàn)出了顯著變化。

3）定義了裂紋起始和裂紋損傷應力門檻比值，隨著溫度增長，裂紋初始應力門檻比值在不斷減小，裂紋損傷應力門檻比值則是先減小后緩慢增加，總體上裂紋隨溫度增加而出現(xiàn)得越快。

4）裂紋的數(shù)目、連通性隨溫度而發(fā)生改變，在宏觀上就表現(xiàn)為砂巖破壞模式不一，裂紋是從中心點起裂向兩端擴展。預損傷程度不一樣，斷裂面的粗糙度、平整度、充填情況都會發(fā)生改變。