溫度梯度對(duì)花崗巖力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究

徐海波 胡東濤 惠明星 方 寧

(1.湖北省海外地質(zhì)事業(yè)中心,湖北 武漢 430022;2.湖北省地質(zhì)礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430034)

隨著國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采深度的不斷增加,溫度對(duì)圍巖性質(zhì)的影響愈加明顯,且在一定范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。溫度梯度的出現(xiàn)對(duì)深部巷道圍巖應(yīng)力產(chǎn)生重要影響,使巖石的力學(xué)特性和變形特性發(fā)生變化,從而增大深部巷道安全事故發(fā)生的幾率。

近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溫度梯度下巖石力學(xué)性能進(jìn)行了研究,并取得了一定的有價(jià)值的研究成果。Khitaror和Lebedev早在1964年就展開(kāi)了溫度對(duì)花崗巖的物理性質(zhì)方面的影響研究。Wai R S C等[1]對(duì)溫度在巖體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力的非線性變化做了一些研究。Simpson C[2]對(duì)在高溫度的條件下花崗巖的脆延性變化做了研究。方新宇等[3]分析不同溫度(25～1 000 ℃)作用后花崗巖的劈裂破壞形態(tài)、荷載-位移曲線、抗拉強(qiáng)度等,提出徑向模量的概念,在拉伸破壞的條件下,從損傷力學(xué)角度研究花崗巖的熱損傷特性。王勝偉等[4]分析了不同溫度(常溫～180℃)下巖石的物理及力學(xué)特性,并利用DIC本構(gòu)模型對(duì)基于Weibull分布的本構(gòu)模型加以改進(jìn),改善了原有本構(gòu)模型對(duì)巖石峰后破壞階段描述不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題。吳順川等[5]針對(duì)在不同溫度處理過(guò)的花崗巖圓盤(pán)試樣進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn),進(jìn)而研究溫度對(duì)花崗巖微觀結(jié)構(gòu)和聲發(fā)射特性的影響。Alm O等[6]探究了花崗巖不同溫度熱處理后的力學(xué)性質(zhì)以及溫度作用下花崗巖的微破裂過(guò)程。陳宇波等[7]在不同溫度下對(duì)隧道頂板砂巖進(jìn)行試驗(yàn)研究,通過(guò)對(duì)砂巖波速的變化率進(jìn)行歸一化處理,得到該砂巖樣的損傷變量關(guān)系式。閔明等[8]采用MTS815試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了三軸壓縮試驗(yàn),探討不同條件下熱損傷粗?；◢弾r物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)和破壞特征的演化規(guī)律,分析各個(gè)試驗(yàn)條件下的聲發(fā)射特征。馬兵等[9]通過(guò)對(duì)高溫處理后的花崗巖進(jìn)行單軸壓縮和聲發(fā)射測(cè)試,分析了高溫對(duì)花崗巖力學(xué)特性的影響。吳星輝等[10]基于多場(chǎng)-相探究巖石熱損傷機(jī)理,從宏-細(xì)-微觀角度系統(tǒng)多尺度分析巖石熱損傷演化規(guī)律研究。李曉雪等[11]對(duì)花崗巖在熱沖擊作用下的細(xì)觀破壞特征及孔隙率變化規(guī)律進(jìn)行了研究。明杏芬等[12]對(duì)高溫環(huán)境中砂巖的熱力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)花崗巖在高溫作用下力學(xué)性能的研究成果較多,但對(duì)花崗巖在溫度梯度的作用下力學(xué)性能的研究卻較為少見(jiàn)。本次通過(guò)花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn),系統(tǒng)研究花崗巖在常溫～250 ℃等多個(gè)溫度梯度作用下的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程特征,探討溫度梯度對(duì)花崗巖的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、切線模量等的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣及儀器設(shè)備

本次試驗(yàn)所采用的巖樣是采自湖北大冶的芝麻白花崗巖,該巖石呈黑白色顆粒狀,主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母、角閃石以及少量膠結(jié)物質(zhì),花崗巖平均密度2.76 g/cm3,試樣按照中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)規(guī)程加工,制作為長(zhǎng)50 mm、寬50 mm、高100 mm的長(zhǎng)方體,其表面完整、致密,無(wú)宏觀裂隙及氣孔。

單軸壓縮試驗(yàn)采用WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。巖石加熱采用DHG-9030A(上海飛越)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱以及不銹鋼加熱板。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采取如下步驟:① 在試驗(yàn)開(kāi)始前,所有試件將進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào),同時(shí)對(duì)各試件尺寸進(jìn)行精確測(cè)量;② 將試件不同加熱條件進(jìn)行分組;③ 對(duì)試件進(jìn)行加熱;④ 將常溫(18 ℃)及不同溫度的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)加載速率為0.25 MPa/s;⑤ 記錄試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果,并對(duì)其進(jìn)行整理及分析。試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),從常溫～250 ℃范圍內(nèi),在未采取冷卻措施的條件下,花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同的溫度下主要呈現(xiàn)為如下4個(gè)階段(見(jiàn)圖1):

圖1 花崗巖在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of granite at different temperatures

(1)初始?jí)好茈A段。在這一階段,隨著應(yīng)力的不斷增加,花崗巖巖石內(nèi)部的微裂隙不斷地被壓縮、閉合,巖石變形得比較快,表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)向下凸的趨勢(shì)。

(2)近似彈性變形階段。在這一階段中,應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加為正比例關(guān)系,曲線幾乎呈直線狀態(tài),巖石的平均切線彈性模量就是此直線段的斜率。

(3)微裂紋發(fā)育階段。在這一階段,巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著軸向壓力的增加開(kāi)始出現(xiàn)折線,巖石內(nèi)部裂紋的尖端應(yīng)力不斷增加,并且部分應(yīng)力已達(dá)到巖石內(nèi)部裂紋的尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子,從而導(dǎo)致巖石內(nèi)部強(qiáng)度較低的微元體開(kāi)始逐漸破壞,形成新的裂紋缺陷。整體上表現(xiàn)出巖石力學(xué)性能降低,內(nèi)部損傷加速發(fā)展,造成部分能量瞬間釋放。

(4)破壞階段。在此階段,應(yīng)力達(dá)到最大值,巖石變現(xiàn)為明顯的脆性破壞。

從圖1中可看出,從常溫～250 ℃范圍內(nèi),溫度的變化對(duì)花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線影響不大,花崗巖均呈現(xiàn)脆性破壞。但隨著溫度的升高花崗巖的微裂紋演化階段越明顯。

圖2為不同溫度不同冷卻條件下的花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2中比較分析得知:① 除在100℃時(shí)不同冷卻條件下的巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)不一樣;② 在150 ℃、200 ℃、250 ℃時(shí),小溫度梯度條件下巖石的初始?jí)好茈A段相較于大溫度梯度條件下經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng),不冷卻條件下巖石相較于冷卻至常溫條件下經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng),這可能是由于較高溫度時(shí)產(chǎn)生的熱膨脹作用使得巖石內(nèi)部的微裂隙提前閉合所導(dǎo)致的;③在150℃、200℃、250℃時(shí),小溫度梯度條件下巖石的近似彈性變形階段相較于大溫度梯度條件下經(jīng)歷時(shí)間稍短,不冷卻條件下相較于冷卻至常溫條件下經(jīng)歷時(shí)間稍短,這可能是由于溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力和壓應(yīng)力導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂隙加速破壞所造成的。

圖2 花崗巖在不同溫度下不同冷卻條件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of granite under different cooling conditions at different temperatures

2.2 峰值應(yīng)力

(1)不同溫度條件下巖石峰值應(yīng)力特征。不同溫度條件下,巖石單軸壓縮試驗(yàn)峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系如圖3所示。從單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,花崗巖在各個(gè)溫度時(shí)峰值應(yīng)力均具有一定的離散性質(zhì),但從總體上看,隨著溫度的升高巖石的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),在100 ℃時(shí)出現(xiàn)的最大峰值應(yīng)力為143 MPa,是中等強(qiáng)度的巖石。總體而言:① 溫度從17 ℃升高到100 ℃時(shí)平均峰值應(yīng)力有一個(gè)上升的趨勢(shì),這可能是由于溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力使巖石內(nèi)部微裂隙閉合,一定程度上改善了巖石的強(qiáng)度性能所導(dǎo)致的;② 溫度從100 ℃升高到250 ℃時(shí)平均峰值應(yīng)力則呈下降的趨勢(shì),這可能是由于高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)巖石微裂隙所能承受的最大應(yīng)力值,使微裂隙擴(kuò)大、增加,在一定程度上降低了巖石強(qiáng)度性能所導(dǎo)致的;③ 最小值出現(xiàn)在250 ℃時(shí),最大值出現(xiàn)在100 ℃時(shí),而從17 ℃升高到200 ℃平均峰值應(yīng)力均大于17℃時(shí),表明溫度在200 ℃以?xún)?nèi)有一定程度上增加峰值應(yīng)力的作用,使巖石強(qiáng)度性能得到了一定的改善。

圖3 花崗巖在不同溫度條件下峰值應(yīng)力Fig.3 Peak stress of granite under different temperature conditions

(2)不同溫度梯度下巖石峰值應(yīng)力特征。不同溫度梯度條件下,巖石單軸壓縮試驗(yàn)峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系如圖4所示。由巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知,花崗巖在各個(gè)溫度時(shí)峰值應(yīng)力均具有一定的離散性質(zhì),但從總體上看,隨著溫度梯度的增大巖石的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出先下降、后上升的趨勢(shì)。根據(jù)圖4分析可知:① 小溫度梯度條件下巖石的平均峰值應(yīng)力比高溫條件下有不同程度的減少;② 大溫度梯度條件下巖石的平均峰值應(yīng)力比小溫度梯度條件下均呈現(xiàn)不同程度的增加,卻比高溫條件下稍小;③ 巖石的溫度由冷卻至常溫情況下的平均峰值應(yīng)力比存在較大溫度梯度情況下的平均峰值應(yīng)力均呈現(xiàn)不同程度的上升,并比不做降溫處理的情況下稍大;④ 隨著溫度梯度的增大巖石的平均峰值應(yīng)力有先下降后上升的趨勢(shì)。初步推測(cè),從高溫到小溫度梯度再到大溫度梯度然后冷卻至常溫,隨著溫度與溫度梯度的變化熱脹冷縮作用使巖石內(nèi)部微裂隙不斷增加,使巖石強(qiáng)度性能有所降低,而增加到一定程度時(shí),可以改善巖石強(qiáng)度性能。

圖4 花崗巖在不同溫度不同冷卻條件下的峰值應(yīng)力Fig.4 Peak stress of granite under different temperature and cooling conditions

2.3 峰值應(yīng)變

(1)不同溫度條件下巖石峰值應(yīng)變特征。不同溫度條件下,巖石單軸壓縮試驗(yàn)峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系如圖5所示。從單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,花崗巖在各個(gè)溫度時(shí)峰值應(yīng)變均具有一定的離散性質(zhì),但從總體上看,隨著溫度的升高巖石的峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

圖5 花崗巖在不同溫度條件下峰值應(yīng)變Fig.5 Peak strain of granite under different temperature conditions

(2)不同溫度梯度下巖石峰值應(yīng)變特征。不同溫度梯度條件下,巖石單軸壓縮試驗(yàn)峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系如圖6所示。由巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知,除在100 ℃時(shí)有所不同,可知花崗巖的峰值應(yīng)變隨著溫度梯度的增大總體上表現(xiàn)出先上升、后下降的變化趨勢(shì)。由圖6分析可知:① 在100 ℃時(shí),花崗巖的平均峰值應(yīng)變隨溫度梯度的增大而減小,這可能是由于在100 ℃時(shí),溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力使得巖石內(nèi)部的微裂隙提前閉合,在一定程度上改善了巖石強(qiáng)度性能所導(dǎo)致的;② 在150 ℃、200 ℃、250 ℃時(shí),花崗巖的平均峰值應(yīng)變隨著溫度梯度的增大而增加,這可能是由于在150 ℃、200 ℃、250 ℃時(shí),溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于巖石內(nèi)部的微裂隙所能承受的最大應(yīng)力,導(dǎo)致巖石微裂隙破壞,使得微裂隙增長(zhǎng)、增多所導(dǎo)致的。

圖6 花崗巖在不同溫度不同冷卻條件下的峰值應(yīng)變Fig.6 Peak strain of granite under different temperature and cooling conditions

2.4 切線模量

(1)不同溫度下巖石切線模量特征。不同溫度條件下,巖石單軸壓縮試驗(yàn)切線模量與溫度的關(guān)系如圖7所示。從單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,花崗巖在各個(gè)溫度時(shí)切線模量均具有一定的離散性質(zhì),但從總體上看,隨著溫度的升高巖石的切線模量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),在100 ℃時(shí)出現(xiàn)的最大值為16.545 GPa。由圖7分析可知:① 溫度從17 ℃升高到100 ℃時(shí)巖石的平均切線模量有一個(gè)上升的趨勢(shì),這可能是由于溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力使巖石內(nèi)部微裂隙閉合,一定程度上改善了巖石的強(qiáng)度性能所導(dǎo)致的;② 溫度從100℃升高到250 ℃時(shí)巖石的平均切線模量則呈下降的趨勢(shì)。這可能是由于高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)巖石微裂隙所能承受的最大應(yīng)力值,使得巖石的微裂隙擴(kuò)大、增加,降低了巖石強(qiáng)度性能所導(dǎo)致的。

圖7 花崗巖在不同溫度條件下切線模量Fig.7 Tangent modulus of granite under different temperature conditions

(2)不同溫度梯度下巖石切線模量特征。不同溫度梯度條件下,巖石單軸壓縮試驗(yàn)切線模量與溫度的關(guān)系如圖8所示。由巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知,從總體上來(lái)說(shuō),花崗巖在存在溫度梯度的條件下,其彈性模量隨著溫度梯度的增大有一個(gè)先下降后增加的過(guò)程。

圖8 花崗巖在不同溫度不同冷卻條件下的切線模量Fig.8 Tangent modulus of granite under different temperature and cooling conditions

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同溫度、不同溫度梯度條件下花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn)研究,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)在單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中,花崗巖的破壞可以分為初始?jí)好茈A段、近似彈性變形階段、微裂隙演化階段以及破壞階段。

(2)巖石的峰值應(yīng)力:① 在不進(jìn)行冷卻處理時(shí),溫度小于100 ℃時(shí),峰值應(yīng)力隨著溫度的升高而增大,溫度大于100 ℃時(shí),峰值應(yīng)力卻隨著溫度升高而減小;② 在進(jìn)行了冷卻處理后,隨著溫度梯度的增大表現(xiàn)為先減小后增大的特征。

(3)巖石的峰值應(yīng)變:① 在不進(jìn)行冷卻處理時(shí),隨著溫度的升高表現(xiàn)為上升的特征;② 在進(jìn)行了冷卻處理后,在100 ℃時(shí)隨著溫度梯度的增大表現(xiàn)為先減小后增加的特征,在150 ℃、200 ℃、250 ℃時(shí)隨著溫度梯度的增大表現(xiàn)為先增加后減小的特征。

(4)巖石的切線模量:① 在不進(jìn)行冷卻處理時(shí),隨著溫度變化表現(xiàn)出與巖石的峰值應(yīng)力一致的特征;② 在進(jìn)行了冷卻處理后,隨著溫度梯度的增大表現(xiàn)為先減小后增大的特征。