高溫作用后花崗巖三軸壓縮試驗(yàn)研究

徐小麗 ，高 峰，張志鎮(zhèn)

（1.南通大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

1 前 言

在煤與油頁巖的地下氣化、地?zé)豳Y源的開發(fā)、煤層瓦斯的安全抽放和綜合利用、高溫核廢料的處理等工程中都需要考慮與溫度、圍壓相關(guān)的巖石力學(xué)問題。國內(nèi)外學(xué)者在溫度、圍壓對(duì)巖石物理力學(xué)性能影響方面開展了大量的研究，取得了一系列的研究成果[1-10]。周永勝等[11]對(duì)不同溫壓條件下居庸關(guān)花崗巖脆塑性轉(zhuǎn)化與失穩(wěn)型式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。孟陸波等[12]利用MTS815 伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，對(duì)頁巖開展了高溫常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了圍壓與頁巖應(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。吳剛等[13]對(duì)砂巖高溫后的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，表明溫度引起的熱應(yīng)力作用、礦物組分和微結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致砂巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變與高溫劣化。徐小麗等[14]對(duì)高溫后花崗巖力學(xué)性質(zhì)變化及結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行了研究，表明巖石組分改變以及結(jié)晶態(tài)相變是導(dǎo)致高溫下巖石力學(xué)性質(zhì)突變的重要原因。朱珍德等[15]探討了溫度周期變化與高圍壓對(duì)大理巖變形、強(qiáng)度特性及破壞斷裂損傷劣化的影響。杜守繼等[16]對(duì)經(jīng)歷不同高溫后花崗巖的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。萬志軍等[17]采用自主研制的20 MN 伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)深入地研究φ200 mm×400 mm 的大尺寸花崗巖試樣在高溫三軸應(yīng)力下的熱變形和破壞特征及其熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化特征。秦本東等[18]利用自行研制的高溫巖石膨脹特性試驗(yàn)裝置，對(duì)石灰?guī)r和砂巖試件在300～700 ℃高溫過程中的膨脹特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明巖石熱膨脹應(yīng)力變化與其巖性、內(nèi)部礦物分解、孔隙率變化、聲速變化等有顯著關(guān)系。

適合核廢料、石油、天然氣貯存的花崗巖具有滲透性小、致密、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因而其熱破裂點(diǎn)以及脆塑性轉(zhuǎn)換點(diǎn)溫度較高。縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)花崗巖的研究絕大多數(shù)局限在800 ℃以內(nèi)，且以高溫下單軸壓縮試驗(yàn)為主，在能源開采過程中巖石總是處于一定的地溫場和地應(yīng)力場環(huán)境中，因此有必要了解巖石在不同溫度、圍壓條件下的變形與強(qiáng)度特性。本文對(duì)山東濰坊某礦區(qū)花崗巖在經(jīng)歷25～1 000 ℃的高溫后，利用美國MTS815.02 電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)加溫后的巖樣進(jìn)行了考慮不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，分析了花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線、三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形破壞特征與失穩(wěn)型式等隨溫度、圍壓的關(guān)系。研究結(jié)果可對(duì)高溫后巖體工程的穩(wěn)定性、安全性以及修復(fù)加固支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)所用巖樣

巖石試樣取自山東濰坊某礦區(qū)花崗巖，加工成直徑φ 50 mm，長100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，符合國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的要求。

2.2 試驗(yàn)過程

首先，對(duì)巖樣進(jìn)行加溫，設(shè)定溫度點(diǎn)為25、200、400、600、800、1 000 ℃六個(gè)等級(jí)，為確保巖樣內(nèi)部受熱均勻，加溫后每塊巖樣恒溫2 h 后打開爐膛自然冷卻至常溫，每個(gè)溫度點(diǎn)5 塊巖樣，共計(jì)30塊。巖樣加溫過程見圖1。經(jīng)歷不同溫度作用后花崗巖巖樣形態(tài)見圖2。常溫下，巖樣顏色為灰白色，隨著溫度升高顏色逐漸加深。

圖1 高溫爐加溫過程Fig.1 Heating process of high temperature furnace

圖2 不同溫度作用后花崗巖試樣形態(tài)Fig.2 Shapes of granite under various temperatures

其次，對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)加溫后的巖樣進(jìn)行不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，圍壓設(shè)置為0、10、20、30、40 MPa 五個(gè)等級(jí)。本次試驗(yàn)采用中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的美國MTS815.02 電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)，見圖3。試驗(yàn)過程中，先對(duì)巖樣施加預(yù)定的圍壓，后以0.003 mm/s 位移速率沿軸向加載，直至巖樣破壞，達(dá)到巖樣的峰值強(qiáng)度后，用試驗(yàn)系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)巖樣進(jìn)行施加壓力，并且記錄巖樣峰后應(yīng)力和變形，從而獲得巖樣三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同圍壓下高溫后花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 MTS815.02 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀Fig.3 Appearance of MTS815.02 system

圖4 圍壓一定時(shí)高溫后花崗巖巖樣三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Complete stress-strain curves of granite specimens heated to various temperatures under conventional triaxial compression with fixed confining pressure

圖4為圍壓一定時(shí)花崗巖巖樣在經(jīng)歷了6個(gè)設(shè)定溫度點(diǎn)后的三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可以看出，圍壓一定時(shí)，經(jīng)歷不同溫度作用后花崗巖三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線（包括圍壓為0 MPa 的單軸壓縮情況）大致經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服、破壞、塑性流動(dòng)5個(gè)階段。壓密階段：應(yīng)力幅度增加緩慢，應(yīng)變迅速增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)輕微凹型，且在同一圍壓下壓密階段隨著溫度升高有所延長，主要是巖樣內(nèi)部的裂隙閉合所致，隨著溫度的升高，巖樣水分蒸發(fā)與礦物質(zhì)的脫水，導(dǎo)致巖樣含水率減小，孔隙率增大，巖樣加壓過程中將孔隙、裂隙壓密，因而高溫后壓密階段更加明顯。彈性階段：花崗巖經(jīng)過初始階段的壓密之后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線近似一條直線，彈性模量可以看作常數(shù)，表現(xiàn)出巖樣的彈性特征。屈服階段：該階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性，巖樣的彈性模量隨著應(yīng)變的增加不斷地減小，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象。破壞階段：經(jīng)歷過屈服階段以后，巖樣內(nèi)部裂隙貫通形成宏觀裂紋，整體失去承載能力。塑性流動(dòng)階段：該階段巖樣完全破壞，可視為理想塑性體，在應(yīng)力保持不變的情況下塑性變形隨時(shí)間持續(xù)增長。

3.2 高溫后花崗巖三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓、溫度的關(guān)系

不同圍壓下花崗巖的三軸抗壓強(qiáng)度散點(diǎn)值和不同溫度作用后花崗巖的三軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖5、6 所示。

圖5 高溫后花崗巖巖樣三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系Fig.5 Relationship between triaxial compressive strength of granite and confining pressure after high temperatures

圖6 花崗巖巖樣三軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between triaxial compressive strength of granite and temperature

由圖5 可以看出，25～800 ℃范圍內(nèi)巖樣三軸抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，1 000 ℃的抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系變化不明顯。經(jīng)歷了6個(gè)設(shè)定溫度點(diǎn)加熱后，巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度在圍壓分別為5個(gè)等級(jí)時(shí)平均值分別為75.97、191.16、276.86、319.23、366.40 MPa。圍壓由0 MPa 增加到40 MPa時(shí)，巖樣的抗壓強(qiáng)度平均值相對(duì)圍壓由0 MPa時(shí)分別增加了151.63%（10 MPa）、264.43%（20 MPa）、320.21%（30 MPa）、382.30%（40 MPa）。巖樣三軸抗壓強(qiáng)度比單軸抗壓強(qiáng)度（圍壓0 MPa）提高幅度較大，此后隨著圍壓的增大，增加幅度有所變緩。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)高溫后花崗巖三軸抗壓強(qiáng)度的平均值與圍壓的關(guān)系進(jìn)行了最小二乘擬合，曲線見圖5。經(jīng)歷不同高溫作用后，巖樣三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系為非線性的，呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合曲線方程為

由圖6 可知，經(jīng)歷了5個(gè)圍壓后巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度在6個(gè)設(shè)定溫度時(shí)平均值分別為274.69、295.82、299.86、269.02、221.57、114.60 MPa。隨著溫度由25 ℃上升到400 ℃，巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度平均值相對(duì)于25 ℃分別增加了7.69%（200 ℃）、9.16%（400 ℃），此后隨著溫度的升高，巖樣的抗壓強(qiáng)度不斷下降，相對(duì)25 ℃分別降低了2.06%（600 ℃）、19.34%（800 ℃）、58.28%（1 000 ℃）。雖然圍壓的存在可以改善花崗巖的力學(xué)性能，但由于溫度應(yīng)力對(duì)花崗巖力學(xué)性質(zhì)的損傷更大，因而其強(qiáng)度劣化。從熱力學(xué)的角度講，當(dāng)溫度升高時(shí)，巖石晶體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力相對(duì)減弱，質(zhì)點(diǎn)容易位移，故塑性增強(qiáng)而強(qiáng)度降低。不同圍壓下花崗巖三軸抗壓強(qiáng)度平均值與溫度關(guān)系的擬合曲線見圖6，擬合曲線方程為

溫度低于400 ℃時(shí)，高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力起到容納變形和阻止裂紋擴(kuò)展的作用，同時(shí)礦物顆粒的熱膨脹使得巖樣內(nèi)部裂隙逐漸愈合，礦物密實(shí)程度提高，因而巖樣三軸抗壓強(qiáng)度在400 ℃之前隨溫度升高呈二次非線性增加；溫度高于400 ℃時(shí)，因礦物顆粒間熱膨脹不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，一旦超過巖石的強(qiáng)度極限，巖樣就會(huì)產(chǎn)生微裂隙，且溫度越高，熱應(yīng)力越大，微裂隙越多，原生裂紋擴(kuò)展，在宏觀上體現(xiàn)為巖樣力學(xué)性能的劣化，所以400 ℃之后巖樣三軸抗壓強(qiáng)度隨溫度升高呈二次非線性減小，可以認(rèn)為常規(guī)三軸壓縮條件下400 ℃是花崗巖力學(xué)參數(shù)的閥值溫度。

3.3 高溫后花崗巖彈性模量與圍壓、溫度的關(guān)系

圖7為經(jīng)歷高溫后花崗巖巖樣彈性模量與圍壓的關(guān)系，圍壓一定時(shí)花崗巖經(jīng)歷不同溫度作用后彈性模量散點(diǎn)值如圖8 所示。

圖7 高溫后花崗巖彈性模量與圍壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between elastic modulus of granite and confining pressure after high temperature

圖8 花崗巖試樣彈性模量與溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between elastic modulus of granite and temperature

由圖7 可以看出，經(jīng)歷過不同溫度加熱后的巖樣，當(dāng)圍壓分別為5個(gè)等級(jí)時(shí)彈性模量平均值分別為7.64、11.60、9.40、14.54、14.53 GPa。隨著圍壓逐漸增大，彈性模量平均值相對(duì)于單軸壓縮（圍壓0 MPa）時(shí)分別增加了51.88%（10 MPa）、23.09%（20 MPa）、90.31%（30 MPa）、90.26%（40 MPa）。彈性模量在圍壓為20MPa時(shí)比圍壓為10 MPa時(shí)有所下降，總體隨圍壓升高呈增大趨勢(shì)。

由圖8 可知，經(jīng)歷了5個(gè)等級(jí)圍壓后，巖樣的彈性模量在6個(gè)設(shè)定溫度時(shí)其平均值分別為14.50、13.68、14.03、10.78、10.07、6.21 GPa。隨著溫度升高，巖樣的彈性模量平均值相對(duì)于25 ℃分別降低了5.68%（200 ℃）、3.24%（400 ℃）、25.70%（600 ℃）、30.56%（800 ℃）、57.16%（1 000 ℃）；溫度低于400 ℃時(shí)，彈性模量衰減較小，400 ℃之后衰減幅度有所增大，1 000 ℃衰減幅度達(dá)到最大，巖樣彈性模量隨溫度升高呈二次非線性減小。不同圍壓下花崗巖彈性模量平均值與溫度關(guān)系的擬合曲線見圖8，其方程為

4 花崗巖變形破壞特征與失穩(wěn)型式

本次所有試驗(yàn)條件和結(jié)果見表1。試驗(yàn)條件下花崗巖巖樣經(jīng)歷了脆性破裂、半脆性破裂和塑性變形3個(gè)區(qū)域。失穩(wěn)型式有突發(fā)失穩(wěn)、準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)和漸進(jìn)破壞3 種型式。突發(fā)失穩(wěn)表現(xiàn)為應(yīng)力突然下降，同時(shí)伴有較劇烈的破壞聲響，應(yīng)力-應(yīng)變峰后曲線表現(xiàn)為垂直下降的細(xì)線；準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)表現(xiàn)為應(yīng)力快速下降，破壞時(shí)有較大的聲響，但沒有突發(fā)失穩(wěn)劇烈，應(yīng)力-應(yīng)變峰后曲線表現(xiàn)為陡斜的粗線；漸進(jìn)破壞表現(xiàn)為應(yīng)力緩慢下降或者不下降，破裂時(shí)僅有較小聲響，應(yīng)力-應(yīng)變峰后曲線形成平緩曲線。

研究結(jié)果表明，單軸壓縮狀態(tài)下隨著溫度的升高，花崗巖變形破壞形式由脆性破裂向塑性變形過渡，溫度小于600 ℃花崗巖為脆性破裂，800 ℃為半脆性破裂和碎裂流動(dòng)，1 000 ℃為塑性變形，失穩(wěn)型式在低溫時(shí)為突發(fā)失穩(wěn)、中高溫為準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)，溫度高于800 ℃為漸進(jìn)破壞；三軸壓縮狀態(tài)下巖樣都存在貫通的脆性主破裂面，主破裂面的性質(zhì)隨圍壓而變化，典型試樣破裂面見圖9。

圍壓為0 MPa時(shí)（單軸壓縮情況），巖樣破壞為典型的脆性張拉破壞，破裂面平行于σ1方向；圍壓為20 MPa時(shí)，破裂面與σ1方向的夾角為45°，主破裂面為單斜的剪切破裂；圍壓為40 MPa時(shí)，破裂面與σ1方向的夾角為30°，主破裂面為共軛的剪切破裂，剪切破裂面上有很多巖粉，破裂面交匯處有較大范圍的擠壓粉碎區(qū)。隨著圍壓的增大，巖樣破裂型式由脆性張破裂逐漸向剪切破裂過渡，巖樣的失穩(wěn)型式由突發(fā)失穩(wěn)向漸進(jìn)破壞過渡。在試驗(yàn)溫壓范圍內(nèi)，影響花崗巖力學(xué)性質(zhì)的首要因素是溫度，其次是圍壓；而花崗巖的失穩(wěn)型式同時(shí)取決于圍壓和溫度。

表1 試驗(yàn)條件和結(jié)果Table 1 Experimental conditions and results

圖9 典型試樣破裂面Fig.9 Typical fracture of rock samples

5 結(jié) 論

（1）圍壓一定時(shí)，經(jīng)歷不同溫度作用后花崗巖巖樣三軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服、破壞、塑性流動(dòng)5個(gè)階段。

（2）在25～800 ℃范圍內(nèi)，巖樣三軸抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，1 000 ℃的抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系變化不明顯。經(jīng)歷不同高溫作用后，巖樣三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系呈非線性二次多項(xiàng)式關(guān)系。巖樣抗壓強(qiáng)度在400 ℃之前隨溫度升高呈二次非線性增加，400 ℃之后隨溫度升高呈二次非線性減小，常規(guī)三軸壓縮條件下，400 ℃是花崗巖力學(xué)參數(shù)的閥值溫度。

（3）經(jīng)歷高溫作用后，巖樣彈性模量總體隨圍壓升高呈增大趨勢(shì)，隨溫度升高呈二次非線性減小。

（4）單軸壓縮狀態(tài)下，隨著溫度的升高，花崗巖變形破壞形式由脆性破裂向塑性變形過渡，失穩(wěn)型式在低溫時(shí)為突發(fā)失穩(wěn)，中高溫為準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)，溫度高于800 ℃為漸進(jìn)破壞。三軸壓縮狀態(tài)下，隨著圍壓的增大，巖樣破裂型式由脆性張拉破裂逐漸向剪切破裂過渡，巖樣的失穩(wěn)型式以突發(fā)失穩(wěn)為主。

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