陳世萬3楊福波田云雷

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；3.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，武漢 430071)

1 研究背景

核工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以高放廢物(high-level radioactive waste，HLW)長期安全處置為基礎(chǔ)，其中深地質(zhì)處置是國際上認(rèn)可的主要方式之一，即將處理后的高放廢物埋于地下500～1 000 m中的地質(zhì)體中，以確保高放廢物與生物圈間的穩(wěn)定隔離[1]。甘肅北山作為我國高放廢物處置庫預(yù)選場，場址內(nèi)花崗巖體完整，巖體滲透性低、強(qiáng)度大，是高放廢物處置的理想場址。高放廢物處置過程中，放射性核素衰變將釋放大量熱量，可使處置庫主巖溫度最高達(dá)到100～200 ℃[2-6]。同時(shí)受處置庫工程開挖影響，圍巖在熱-力作用下產(chǎn)生損傷，可能為核素的遷移提供潛在通道，降低處置庫的封閉性。因此，研究熱-力作用下北山花崗巖的裂隙擴(kuò)展過程具有重要意義。

目前，學(xué)者們通過CT、掃描電子顯微鏡等直接觀測方式對各種溫度條件下的花崗巖裂紋演化進(jìn)行了大量研究。趙陽升等[7]采用自制高精度顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)，對4種溫度條件的花崗巖進(jìn)行了三維細(xì)觀破裂顯微觀測，揭示了不同溫度下微裂紋的空間特征及延伸規(guī)律；張志鎮(zhèn)等[8]、Dwivedi等[9]通過電鏡掃描觀察不同溫度處理后的花崗巖，對比了原始裂紋和熱致裂紋的發(fā)育特征；Yin等[10]利用高速攝像機(jī)捕捉了高溫下花崗巖巴西劈裂試驗(yàn)時(shí)裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。聲發(fā)射也能夠有效監(jiān)測不同溫度段花崗巖的裂隙發(fā)展，Glover等[11]運(yùn)用聲發(fā)射成功監(jiān)測了在573 ℃時(shí)花崗巖由于α-石英(低溫石英)到β-石英(高溫石英)的相變產(chǎn)生大量微裂紋和聲發(fā)射現(xiàn)象；陳世萬等[12]從聲發(fā)射、聲波CT、裂紋密度以及數(shù)值模擬4個(gè)方面研究了花崗巖熱破裂過程，認(rèn)為熱應(yīng)力誘導(dǎo)的裂紋具有明顯的分段性和獨(dú)立性；David等[13]基于聲發(fā)射并結(jié)合激光掃描共聚顯微鏡對比了應(yīng)力誘導(dǎo)裂隙與溫度誘導(dǎo)裂隙特征；Shao等[14]使用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)研究了花崗巖的斷裂行為，并使用電子顯微鏡掃描描述了裂紋擴(kuò)展過程。因此直接觀測或聲發(fā)射監(jiān)測都是研究不同溫度下花崗巖破裂行為的重要手段。

室內(nèi)試驗(yàn)過程中對花崗巖巖樣進(jìn)行嚴(yán)格的細(xì)觀監(jiān)測是較困難的，數(shù)值模擬試驗(yàn)是一種有效的方法。梁源凱等[15]、Tian等[16]基于PFC對比了花崗巖在不同溫度下熱致裂隙的分布特征；Wang等[17]人使用FLAC模擬并觀察了高溫下花崗巖的損傷過程，結(jié)果表明熱致裂隙形成于80 ℃左右；Liu等[18]采用了離散單元法(UDEC)開展了花崗巖加熱后不同冷卻方式對其力學(xué)性質(zhì)的影響研究，對比了不同方式下生成的裂縫數(shù)量與種類。

由此可見，許多研究都集中于高溫下巖石力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及裂紋擴(kuò)展。然而，從礦物角度出發(fā)并針對中等溫度下巖石在拉伸狀態(tài)的裂隙演化規(guī)律研究卻少見?；诖?，本文以我國高放廢物預(yù)選處置庫甘肅北山的花崗巖為研究對象，進(jìn)行不同溫度下的巴西劈裂試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射系統(tǒng)、圖像處理技術(shù)以及數(shù)值模擬，研究熱-力作用下花崗巖巖樣裂隙擴(kuò)展過程，對深部地下工程的開展具有一定的參考價(jià)值和理論支撐。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 樣品準(zhǔn)備及試驗(yàn)器材

巖樣均取自甘肅北山的同一塊花崗巖，經(jīng)切割打磨成直徑50 mm、高25 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1(a)所示。通過XRD衍射分析得到試件的礦物成分為長石68.20%、石英27.30%以及云母4.50%。樣品加熱設(shè)備采用定制GR.VTF60/12管式高溫爐，通過設(shè)定加溫程序進(jìn)行加熱，升溫過程中用SH-X型多路溫度測試儀實(shí)時(shí)監(jiān)測巖樣溫度。巴西劈裂試驗(yàn)采用的是WAW-1 000 kN型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，通過位移伺服控制開展試驗(yàn)，并輔以美國物理聲學(xué)公司的PCI-2 E5.40配套設(shè)備對聲發(fā)射信號進(jìn)行篩選與數(shù)據(jù)采集，如圖1(b)所示。

圖1 試樣及試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Beishan granite samples and testing equipment

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 加熱處理

高放廢物處置庫的設(shè)計(jì)圍巖溫度一般不超過200 ℃[2-6]，因此本次試驗(yàn)溫度分別設(shè)定為25、60、90、120、200、300 ℃。將試件放入加熱空腔中，用石棉進(jìn)行封閉處理，防止熱量散失，按照5 ℃/min速率進(jìn)行加熱，為保證整個(gè)巖樣溫度均勻，加熱到指定溫度后保溫2 h。

2.2.2 巴西劈裂試驗(yàn)

對保溫處理后的試件進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)。將處在保溫階段的高溫爐移至試驗(yàn)機(jī)上，取走石棉，在保證圓盤試樣居中(不接觸爐壁)即無側(cè)限應(yīng)力條件下，將鋼柱置于試件上，并將聲發(fā)射探頭貼于鋼柱側(cè)面，進(jìn)行聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集。此次試驗(yàn)采用位移控制，速率0.01 mm/min，壓至試樣破壞為止，如圖2所示。

圖3 不同溫度條件下北山花崗巖劈裂過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及聲發(fā)射演化特征Fig.3 Stress-strain curves and AE evolution of Beishan granite under Brazilian splitting test at different temperatures

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過不同溫度條件下的巴西劈裂試驗(yàn)，得到6個(gè)巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及聲發(fā)射數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖2 巴西劈裂試驗(yàn)Fig.2 Brazilian splitting test

3.1 抗拉強(qiáng)度

每個(gè)溫度下花崗巖劈裂過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線都大致分為3個(gè)階段，見圖4(a)：第一階段時(shí)間較短，花崗巖受壓后內(nèi)部的原生孔隙被壓密，表現(xiàn)出應(yīng)變增長較快，而應(yīng)力增長緩慢；第二階段花崗巖內(nèi)孔隙已被壓密，圓盤巖樣抵抗變形，應(yīng)力快速增長，這一階段占主要部分；第三階段為破壞階段，當(dāng)應(yīng)力大于花崗巖抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石被劈裂，應(yīng)力跌落。對比不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，溫度對花崗巖的抗拉強(qiáng)度不總是劣化作用，60～300 ℃下，隨著溫度升高，花崗巖的抗拉強(qiáng)度及峰值應(yīng)變總體呈現(xiàn)為先增加后急劇降低的特征，見圖4(b)。其中在低溫情況下(25～60 ℃)溫度對花崗巖的影響有限，60 ℃情況下巖石的抗拉強(qiáng)度為2.90 MPa，相較于25 ℃(3.12 MPa)略微降低；中等溫度條件下(60～120 ℃)巖樣抗拉強(qiáng)度與溫度呈顯著的正相關(guān)，在120 ℃時(shí)花崗巖的抗拉強(qiáng)度明顯高于其他溫度，這種中溫區(qū)間花崗巖得到強(qiáng)化的現(xiàn)象與一些研究具有相似之處[19-21]，考慮到花崗巖的主要組成礦物，其中石英和云母受熱后的體積膨脹大約為長石的4倍[22]，因此富含石英、云母的巖石更有可能通過熱膨脹填充內(nèi)部原生缺陷，獲得更緊密的結(jié)構(gòu)，從而獲得更高的強(qiáng)度，但同時(shí)需考慮花崗巖強(qiáng)度的變化也取決于礦物本身的熱膨脹各向異性程度，石英和云母的熱膨脹具有明顯的各向異性，而長石熱膨脹的影響可近似為各向同性，這種對比可能會在加溫過程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和微裂紋[23]，最終影響巖石強(qiáng)度。對于中等溫度下巖石強(qiáng)度強(qiáng)化現(xiàn)象，Louis等[24]總結(jié)了3種機(jī)制：微裂隙閉合的強(qiáng)化效應(yīng)、熱致微裂隙的雙重效應(yīng)、與水相關(guān)的雙重效應(yīng)；但更高溫度條件下(120～300 ℃)，溫度對巖石抗拉性弱化作用明顯，300 ℃時(shí)巖石拉伸強(qiáng)度相對于25 ℃下降了約23.72%。高溫對花崗巖的脆性特征同樣具有弱化作用，在溫度低于200 ℃時(shí)巖石破壞時(shí)的應(yīng)變隨溫度逐漸增大，巖石峰后階段仍具有明顯的脆性破壞特征，當(dāng)?shù)竭_(dá)300 ℃巖石產(chǎn)生了脆性-延性轉(zhuǎn)變，發(fā)生破壞后并沒有迅速喪失強(qiáng)度而發(fā)生應(yīng)力跌落。

圖4 不同溫度條件下花崗巖強(qiáng)度參數(shù)對比Fig.4 Comparison of granite strength parameters at different temperatures

3.2 聲發(fā)射特征

聲發(fā)射撞擊數(shù)能夠直觀反映巖石內(nèi)裂隙數(shù)量變化，能量則可以表征破裂強(qiáng)度的大小，圖5為不同溫度條件下巴西劈裂試驗(yàn)聲發(fā)射撞擊總數(shù)及累計(jì)能量。

圖5 花崗巖破壞前的聲發(fā)射總撞擊數(shù)及累計(jì)能量Fig.5 Total hitting number and cumulative energy of AE before the failure of granite samples

由圖5可知，25 ℃時(shí)花崗巖試樣的聲發(fā)射特征明顯，試驗(yàn)前期巖石內(nèi)偶爾發(fā)生小尺度破裂，表現(xiàn)出聲發(fā)射撞擊數(shù)較少且分布均勻，能量穩(wěn)步上升，隨著加載應(yīng)力接近巖樣的抗拉強(qiáng)度時(shí)，花崗巖內(nèi)破裂加劇，聲發(fā)射撞擊數(shù)和能量快速升高，直至巖樣發(fā)生破壞；而60～200 ℃下花崗巖聲發(fā)射事件集中期和能量快速上升期較常溫下提前，表明溫度改變了花崗巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得其更易發(fā)生破裂或發(fā)育大尺度裂紋；300 ℃時(shí)花崗巖內(nèi)礦物顆粒開始軟化，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中聲發(fā)射數(shù)量明顯減少。

結(jié)合圖5進(jìn)一步分析可得，25～300 ℃下隨著溫度增加，花崗巖破壞前聲發(fā)射總撞擊數(shù)及累計(jì)能量的演化規(guī)律一致，且與巖樣抗拉強(qiáng)度隨溫度的演化規(guī)律類似。其中在中溫條件(60～120 ℃)下，聲發(fā)射總撞擊數(shù)和累計(jì)能量隨著溫度升高而增加，試樣在120 ℃時(shí)相較于25 ℃時(shí)聲發(fā)射總撞擊數(shù)增加了189.88%，累計(jì)能量增加了210.72%，同時(shí)花崗巖的抗拉強(qiáng)度在120 ℃也得到了明顯增強(qiáng)，這可能是因?yàn)槁暟l(fā)射實(shí)際上是裂紋擴(kuò)展過程中釋放的彈性波，在中溫荷載下花崗巖的聲發(fā)射事件越多也就表明了巖樣內(nèi)抵抗破壞的裂紋發(fā)展越多，即可消耗更多的加載能量，使得強(qiáng)度增大。而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高(120～300 ℃)，聲發(fā)射總撞擊數(shù)和累計(jì)能量開始下降，但仍明顯高于常溫狀態(tài)的聲發(fā)射數(shù)，值得注意的是，200～300 ℃的下降幅度明顯小于120～200 ℃的下降幅度，表明當(dāng)>200 ℃后溫度對巖樣的影響明顯降低。同時(shí)，在到達(dá)300 ℃時(shí)花崗巖破壞前的聲發(fā)射總撞擊數(shù)較200 ℃時(shí)只略微下降了0.22%，累計(jì)能量明顯下降了24.75%，表明荷載條件下裂隙數(shù)量不變，尺度減小。

3.3 斷面特征

在不同溫度下，各類礦物間的膠結(jié)強(qiáng)度有差異，受力情況下巖石產(chǎn)生的裂隙總是沿著強(qiáng)度較低的方向延伸。對比巖樣斷面兩側(cè)細(xì)觀組分的實(shí)際分布，統(tǒng)計(jì)各類礦物間產(chǎn)出裂隙情況。首先對試驗(yàn)后的樣品左右斷面進(jìn)行拍照，并對校正后的照片灰度化處理，如圖6所示。

將灰度圖中每一個(gè)像素的灰度值輸出，再采用K均值聚類算法：先從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇k個(gè)初始聚類中心C1，C2，…，Ck，而后，根據(jù)式(1)得到每個(gè)樣本點(diǎn)Xi與各個(gè)中心Cj的歐式距離并分配到最近的類別中。

label(i)=argjmin|Xi-Cj|；

i=1，…，N；j=1，…，k。

(1)

圖6 不同溫度下北山花崗巖劈裂后的左右斷面灰度Fig.6 Gray scale of left/right section of Beishan granite after Brazilian splitting test at different temperatures

式中：Xi為樣本點(diǎn)；Cj為聚類中心。進(jìn)而，通過式(2)分別將各個(gè)類別中的樣本點(diǎn)相加求平均數(shù)，得到k個(gè)新的聚類中心，不斷重復(fù)式(1)、式(2)直至聚類中心不再發(fā)生改變[25]。

(2)

式中Xs和Nj分別為j類別的樣本點(diǎn)和樣本數(shù)量。本文取k=3，得到北山花崗巖中3種主要礦物，即長石、石英和云母的灰度值范圍，再對比左右斷面灰度(圖7(a))，最終得到裂隙斷面之間的各礦物占比情況(圖7(b))。

圖7 產(chǎn)出裂隙的礦物組合類型統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics for minerals of cracks

由圖7可知，絕大部分裂隙形成于長石-長石以及石英-長石之間，兩類裂隙都占比20%以上，這是由于北山花崗巖中長石及石英占比高，分別為68.20%和27.30%；其次，裂隙較少在石英-石英和石英-云母中形成；云母-云母和長石-云母之間產(chǎn)出裂隙最少，占比10%左右，主要受花崗巖中云母礦物含量影響。

各類型裂隙含量隨溫度變化趨勢明顯，大致分為兩類：一類是含長石裂隙，包括長石-長石、長石-石英和長石-云母，該類裂隙含量隨著溫度升高先增后減；另一類不含長石裂隙(石英-石英、石英-云母和云母-云母)則相反，呈現(xiàn)出先減后增的趨勢。值得注意的是，兩類裂隙變化趨勢轉(zhuǎn)折點(diǎn)都大致位于120 ℃左右，此時(shí)溫度對花崗巖存在強(qiáng)化作用，由此可推測含長石裂隙較不含長石裂隙能消散更多能量，抵抗荷載，中溫條件下更多裂隙發(fā)育于長石邊界能有效提高花崗巖的抗拉強(qiáng)度。溫度對各類型裂隙含量的離散程度也有所影響，在25～90 ℃區(qū)間其標(biāo)準(zhǔn)差與溫度呈明顯的正相關(guān)，當(dāng)溫度到達(dá)300 ℃時(shí)，不同礦物類型間的裂隙含量更加接近，300 ℃標(biāo)準(zhǔn)差較200 ℃時(shí)降低了12.81%。

4 數(shù)值模擬

PFC(Partical Flow Code)是一款基于顆粒流離散單元法的軟件，通過創(chuàng)建墻體、剛性顆粒與接觸關(guān)系，按照給定的初始條件以及一定的時(shí)間步長，以牛頓第二運(yùn)動定律與力-位移定律為基礎(chǔ)，對數(shù)值模型進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，進(jìn)而不斷更新墻體、顆粒的狀態(tài)與位置，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)事件的模擬。

4.1 模型建立

巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜且難以觀測，所以此次采用PFC2D建模。模型的建立先通過創(chuàng)建墻體和顆粒完成。根據(jù)實(shí)際巖樣，生成一個(gè)直徑50 mm的圓形外側(cè)墻體，再使顆粒分布于墻體范圍內(nèi)，按照實(shí)際礦物大小，取粒徑0.15～0.2 mm，共填充顆粒18 362個(gè)，當(dāng)系統(tǒng)平衡后完成初始模型的建立。

為了能夠完整地模擬巖樣細(xì)觀組分的實(shí)際分布，對試驗(yàn)前的樣品表面進(jìn)行拍照。利用K均值聚類法識別長石、石英和云母位置，再通過編程圈定礦物邊界并形成標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入PFC2D，利用各礦物分布范圍邊界對初始模型內(nèi)顆粒進(jìn)行分組，得到的模型對應(yīng)了不同礦物的實(shí)際空間分布，如圖8所示。

4.2 試驗(yàn)?zāi)M及參數(shù)標(biāo)定

顆粒接觸模式及相應(yīng)參數(shù)調(diào)整將直接影響到試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。PFC2D中自帶9種顆粒接觸本構(gòu)模型，本次模擬采用平行黏結(jié)模型，其能夠提供類似巖石礦物顆粒之間膠結(jié)物的力學(xué)行為。

圖8 基于細(xì)觀組分的數(shù)值模型Fig.8 Numerical model based on meso-composition

PFC中溫度模塊與力模塊不能同時(shí)計(jì)算，因此將溫度模塊設(shè)置為主模塊，力模塊設(shè)置為從屬模塊，溫度每上升1個(gè)單位，顆粒會進(jìn)行多次力學(xué)運(yùn)算以達(dá)到平衡。為了更接近加熱腔情況，先對最外層顆粒賦予初始溫度，采用梯級加熱法，外層顆粒溫度按5 ℃梯度上升，熱能由外向內(nèi)傳導(dǎo)，當(dāng)模型到達(dá)指定溫度且溫度場分布均勻后關(guān)閉熱模塊，加熱過程如圖9(a)所示。系統(tǒng)平衡后以0.02 s-1的應(yīng)變速率對模型進(jìn)行加載，開始模擬試驗(yàn)。

基于礦物熱膨脹性質(zhì)[22]以及其他學(xué)者成果[26]，確定相應(yīng)細(xì)觀參數(shù)范圍，以25 ℃巴西劈裂試驗(yàn)為參照，通過正交試驗(yàn)研究單個(gè)參數(shù)對模擬試驗(yàn)結(jié)果的影響，后不斷調(diào)整各參數(shù)以符合實(shí)際情況，再對照300 ℃巴西劈裂試驗(yàn)進(jìn)行二次調(diào)整，得到顆粒及顆粒間接觸模型參數(shù)(圖9(b))，兩種不同礦物之間的黏結(jié)參數(shù)取其均值，細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見表1，細(xì)觀熱學(xué)參數(shù)見表2。

圖9 數(shù)值模擬及參數(shù)標(biāo)定Fig.9 Numerical simulation and parameter calibration

表1 細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Micro-mechanical parameters

表2 溫度模塊細(xì)觀熱學(xué)參數(shù)Table 2 Meso-thermal parameters

圖10 不同溫度室內(nèi)試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.10 Simulation of splitting failure of granite at different temperatures

4.3 模擬結(jié)果分析

如圖10所示，得到了北山花崗巖6種不同溫度下的巴西劈裂試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果。25 ℃下，模擬試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度為3.07 MPa，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果3.11 MPa非常相近，模擬試驗(yàn)的峰值應(yīng)變5.02×10-3略小于室內(nèi)試驗(yàn)的峰值應(yīng)變。60 ℃下花崗巖模型的抗拉強(qiáng)度較常溫時(shí)降低了12.38%，但峰值應(yīng)變要顯著小于實(shí)際峰值應(yīng)變，這是由于PFC不能很好地模擬溫度對巖石的軟化現(xiàn)象。在90 ℃和120 ℃下的巖樣強(qiáng)度比60 ℃更大，這主要是受模型礦物組分的影響。隨著溫度進(jìn)一步升高，高溫對模型強(qiáng)度的弱化作用明顯，200 ℃和300 ℃時(shí)花崗巖模型的抗拉強(qiáng)度分別為2.86 MPa和2.4 MPa，比25 ℃的抗拉強(qiáng)度分別低了6.84%和21.82%。

觀察室內(nèi)試驗(yàn)花崗巖的破壞形態(tài)可知，120 ℃時(shí)巖樣破壞形態(tài)與其他巖樣具有明顯區(qū)別，其頂部存在較大的破碎區(qū)，且底部具有一條分裂隙，但總體上所有溫度下室內(nèi)劈裂試驗(yàn)的主裂隙在宏觀上表現(xiàn)為一條沿著加載軸方向豎直發(fā)育的破裂帶，對比模擬試驗(yàn)結(jié)果可看出其宏觀上與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果類似。

進(jìn)一步分析巴西劈裂模擬試驗(yàn)的裂紋擴(kuò)展過程(圖11)發(fā)現(xiàn)，25 ℃時(shí)圓盤巖樣模型受力后的起裂位置為頂?shù)滋?，且形成了大量的剪切裂隙，模型中部則以受拉為主，主要發(fā)育拉張裂隙；當(dāng)溫度到達(dá)200 ℃后，起裂位置仍為模型頂?shù)?，但試?yàn)過程中巖樣兩側(cè)開始形成張拉裂隙，這是由于受顆粒熱膨脹影響，部分礦物間的粘結(jié)鍵強(qiáng)度降低甚至發(fā)生破壞，形成或更易形成裂隙，這也是高溫下巖石強(qiáng)度降低的主要因素之一[24]；300 ℃時(shí)模型內(nèi)熱應(yīng)力更大，局部應(yīng)力集中導(dǎo)致巖樣受力后在兩側(cè)的粘結(jié)薄弱處起裂，最終破壞時(shí)除了巖樣模型內(nèi)大量的張拉裂隙分布，頂?shù)滋幖羟辛严稊?shù)量相較于低溫時(shí)也明顯減少。

圖11 不同溫度裂紋發(fā)育過程Fig.11 Crack propagation at different temperatures

5 討 論

北山花崗巖作為我國高放廢物處置庫的主巖，將長期處于核素衰變引起的中高溫度條件(最高溫度可超過100 ℃)[2-6]。巖石在荷載和溫度的作用下產(chǎn)生損傷，影響整個(gè)工程的穩(wěn)定性。

常溫荷載下，花崗巖的破裂過程集中在破壞前期[27]，裂隙主要沿長石-石英間擴(kuò)展，而最少發(fā)育于長石-云母間。處于中低溫時(shí)(60 ℃)，受礦物晶型和硬度等影響，巖石內(nèi)部發(fā)生不均勻膨脹[28]，花崗巖強(qiáng)度下降明顯，裂隙更多產(chǎn)生于長石邊界，但同時(shí)石英-石英、石英-云母以及云母-云母間的裂隙數(shù)量減少，表現(xiàn)為聲發(fā)射總撞擊數(shù)和累計(jì)能量基本與常溫下相同。隨著溫度進(jìn)一步升高(60～120 ℃)，受荷載后巖樣集中破裂過程較常溫下提前，且損傷持續(xù)時(shí)間變長[27]，花崗巖內(nèi)發(fā)育更多且尺度更大的裂紋，同時(shí)裂隙更易沿著長石邊界擴(kuò)展，因此可以消耗更多的加載能量，受此影響中溫下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)得到恢復(fù)甚至強(qiáng)化[24]。到達(dá)中高溫后(120～300 ℃)，花崗巖內(nèi)礦物間的膠結(jié)強(qiáng)度降低，更易產(chǎn)生破裂，發(fā)育在長石邊界的裂隙占比降低，其他類型裂隙占比升高，到達(dá)300 ℃時(shí)巖石脆性減弱，使得聲發(fā)射撞擊數(shù)和累計(jì)能量大幅度減少，花崗巖強(qiáng)度劣化。

6 結(jié) 論

本文采用聲發(fā)射、圖像處理技術(shù)和數(shù)值模擬研究了不同溫度下北山花崗巖巴西劈裂試驗(yàn)的裂隙擴(kuò)展過程。結(jié)論如下：

(1)通過實(shí)時(shí)溫度下的北山花崗巖巴西劈裂試驗(yàn)，證實(shí)了中溫范圍內(nèi)(90～120 ℃)花崗巖強(qiáng)度存在明顯的恢復(fù)甚至加強(qiáng)現(xiàn)象，當(dāng)溫度>200 ℃后，巖樣強(qiáng)度劣化，脆性減弱。

(2)根據(jù)聲發(fā)射數(shù)據(jù)特征，可知中等溫度(60～120 ℃)荷載下花崗巖產(chǎn)生的裂隙數(shù)量和尺度隨著溫度升高而增大，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高后聲發(fā)射撞擊數(shù)和能量則降低。結(jié)合花崗巖強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律可知聲發(fā)射事件越多，抵抗加載消耗的能量越多，巖樣所能承受的荷載越大。

(3)采用K均值聚類法對比巖樣破裂后左右斷面的礦物，發(fā)現(xiàn)裂隙主要形成長石-石英間，占裂隙總數(shù)的25%以上，而長石-云母間的裂隙數(shù)量最低，占比約7%左右。隨著溫度升高至120 ℃，裂隙更趨于沿著長石顆粒的邊界擴(kuò)展，120 ℃后非長石顆粒邊界的裂隙含量開始上升，其中含長石裂隙對花崗巖力學(xué)性質(zhì)的影響值得進(jìn)一步討論。

(4)基于巖樣表面建立了二維數(shù)值模型，通過模擬巴西劈裂試驗(yàn)可知溫度能明顯降低礦物顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度，使得巖石更易發(fā)生破裂，高于200 ℃后模型兩側(cè)開始發(fā)育拉張裂隙，因此需控制高放廢物地下處置庫主巖的最高溫度。