动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征

第 54 卷第 3 期2023 年 3 月
中南大学学报(自然科学版)
Journal of Central South University (Science and Technology)
V ol.54 No.3Mar. 2023
动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征
任松1, 2，李凯鑫1, 2，张平1, 2
(1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400044；
2. 重庆大学 资源与安全学院，重庆，400044)
摘要：为分析不同动力扰动和温度条件下砂岩的力学特性和破坏特征，开展了单轴压缩试验和声发射试验。

首先，对中粒径砂岩试件进行不同温度的加热；其次，进行单轴压缩并全过程监测声发射信号；最后，结合峰值应变、单轴抗压强度等数据，分析砂岩的力学特性及破坏特征。

研究结果表明：循环扰动和温度作用对岩石强度影响极大，无循环扰动的试件抗压强度随温度升高而先上升后下降，其余试件抗压强度与两者呈负相关，且受温度影响更为显著；砂岩峰值应变随着温度升高呈先降低后上升的趋势，200 ℃为该类砂岩的拐点，砂岩峰值应变与循环扰动幅度呈正相关，有加速上升趋势，且对温度变化更敏感；试件临近破坏时，内部裂纹发展情况存在突变，R A (上升时间与幅值之比)和F A (平均频率)的分布明显变化。

F A /R A >K 的声发射信号急剧减少、F A /R A <K 的声发射信号陡然增多，新产生的裂纹中剪切裂纹占比很大，这种F A /R A 的波动与实际物理过程一致且更提前，可作为岩石破坏先兆；随着循环幅度和温度增大，试件内部新产生裂纹的主要形式由张拉裂纹向剪切裂纹逐渐转变，试件的宏观破坏形式也由脆性破坏向延性破坏逐渐转变。

关键词：动力扰动；高温；砂岩；声发射；破坏模式中图分类号：TU451 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）03-1087-11
Mechanical properties and failure characteristics of sandstone under combined effect of dynamic disturbance and high temperature
REN Song 1, 2, LI Kaixin 1, 2, ZHANG Ping 1, 2
(1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University,
Chongqing 400044, China;
2. School of Resources and Safety, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract: In order to analyze the mechanical properties and failure characteristics of sandstone with different
收稿日期： 2022 −08 −12； 修回日期： 2022 −10 −25
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52074048) (Project(52074048) supported by the National Natural Science
Foundation of China)
通信作者：任松，教授，长期从事岩土工程监测及可靠性分析、岩层稳定性及控制研究；E-mail ：**************.cn
DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.03.025
引用格式： 任松, 李凯鑫, 张平. 动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(3): 1087−1097.
Citation: REN Song, LI Kaixin, ZHANG Ping. Mechanical properties and failure characteristics of sandstone under combined effect of dynamic disturbance and high temperature[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(3): 1087−
1097.
第 54 卷
中南大学学报(自然科学版)
dynamic disturbances and temperatures, uniaxial compression tests and acoustic emission tests were carried out.
Firstly, the medium-size sandstone samples were heated at different temperatures. Secondly, uniaxial compression test was carried out and the acoustic emission signal was monitored in the whole process. Finally, combined with the peak strain, uniaxial compressive strength and other data, the mechanical properties and failure characteristics
of sandstone were analyzed. The results show that cyclic disturbance and temperature effect have great influence
on rock strength. The compressive strength of the specimens without cyclic disturbance increases firstly and then decreases with the increase of temperature. The compressive strength of the other specimens is negatively correlated with both, and the effect of temperature is more significant. The peak strain of sandstone decreases firstly and then increases with the increase of temperature. 200 ℃ is the inflection point of this kind of sandstone. The peak strain of sandstone is positively correlated with the amplitude of cyclic disturbance, and has an accelerating upward trend, which is more sensitive to the change of temperature. When the specimen is close to
failure, there is a sudden change in the internal crack development, and the distribution of R
A
(ratio of rise time to
amplitude) and F
A (average frequency) values change significantly. The acoustic emission signal of F
A
/R
A
>K
decreases sharply, and the acoustic emission signal of F
A /R
A
<K increases sharply. The shear crack accounts for a
large proportion of the new cracks. The fluctuation of the F
A /R
A
is consistent with the actual physical process and
earlier, which can be used as a precursor of rock failure. With the increase of cycle amplitude and temperature, the main form of new cracks in the specimen gradually changes from tension cracks to shear cracks, and the macroscopic failure form of the specimen also gradually changes from brittle failure to ductile failure.
Key words: dynamic disturbance; high temperature; sandstone; acoustic emission; failure mode
随着社会经济快速发展，能源及基础设施需求强烈，涌现了大量高温工程，如地热开发、核废料处置和高地温隧道施工等。

高温会影响岩石的力学性能，同时上述工程伴随大量的动力扰动，导致工程岩体稳定性大幅降低。

因此，研究动力扰动和高温联合作用对岩石力学特性及破坏特征的影响具有重大的工程意义和理论价值。

近年来，众多学者研究高温对岩石物理及力学性质的影响。

朱合华等[1]发现高温后花岗岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低，且温度越高，降低幅度越大；陈国飞等[2]指出，温度升高促使大理岩的破坏形式由脆性破坏向延性破坏转变；罗生银等[3]开展自然冷却与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验，发现高温自然冷却后和实时高温下岩样物理性质有所区别；黄真萍等[4−5]开展大理岩、石灰岩遇水冷却力学性质试验，发现石灰岩的高温拐点为500 ℃，得到了温度超过950 ℃后石灰岩物理性质的变化规律；姜德义等[6]借助扫描电镜研究升温速率对高温后砂岩宏细观性质的影响；平琦等[7]分析高温循环作用后砂岩的动力特性变化。

在循环荷载对岩石力学性质影响方面，葛修润等[8−9]发现循环荷载的上限应力和幅值是影响岩石疲劳寿命的主要因素；卢应发等[10]探析了循环幅值低于“疲劳门槛值”的荷载导致岩石内部的裂隙闭合的原因，解释了循环荷载下岩石“硬化”现象；李欣慰等[11]研究了砂岩变形破坏特征和能量演化规律；倪智伟等[12]分析了分级循环加卸载条件下砂岩的力学特性；贾蓬等[13]研究不同岩石在高温遇水冷却后的循环荷载力学性能。

岩石在遭受损坏后内部产生微裂纹，经历萌生、成核、发展和贯通的过程，在此过程中岩石内部产生大量声发射信号，并携带有岩石损伤破坏的相关信息[14]。

李元辉等[15]研究岩石破裂过程中声发射b值及分形特征；李楠等[16]研究循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性，指出声发射与载荷或岩体变形破裂密切相关；郭清露等[17]从声发射角度揭示不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程；刘希灵等[18]探讨劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系；葛振龙等[19]将砂岩高温处理后进行单轴压缩实验，监测其声发射信号，指出600 ℃和
1088
第 3 期任松，等：动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征
800 ℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度。

综上所述，单一高温或动力扰动对岩石力学特性影响的研究已较深入，但关于动力扰动和高温联合影响下岩石力学特性及破坏特征的相关研究还较鲜见。

在地热开发、核废料处置和高地温隧道等工程中，工程围岩先后经历工程扰动与高温环境，岩石力学性质发生变化，导致围岩稳定性较低，目前循环扰动和高温作用后岩石力学机制尚不清楚。

基于此，本文开展了循环扰动和高温作用后砂岩单轴压缩试验和声发射试验，研究循环扰动和高温作用后砂岩的力学特性，分析其破坏特征。

1 试验概况
1.1　试件制备
试验岩样为中砂岩，取自四川省遂宁市某在建隧道，岩样结构致密。

砂岩粒径对岩石单轴抗压强度以及宏观破坏的脆延性都有不同程度的影响，即粒径越大，岩石单轴抗压强度越小、岩石破坏形式更容易呈现延性[20−21]。

试验中可能出现砂岩脆延性转化的现象，因此，选择粒径适中的中砂岩，能避免由于砂岩极端粒径原因导致的脆延性转化不明显的可能性，从而有利于突出本研究的重点，即动力扰动和温度的影响。

为降低试件的离散性，所有试件均取自同一块岩石，照ISRM 试验标准将岩样加工成直径×高度为50 mm× 100 mm的光滑平整圆柱形试件。

1.2　试验设备及方法
本次试验采用SX2-10-12A马弗炉进行试件加热，该设备最大温度可达1 200 ℃；单轴压缩实验采用MTS815岩石力学试验系统；采用PCI-2声发射仪监测并收集声发射信号，最低门槛值为17 dB，最大信号幅度为100 dB。

本次试验将所有试件分为4组、每组包括5个试件，组数分别标号1，2，3和4，根据前人研究，钻井周围应力范围多为岩石抗压强度60%以下[22−24]，故分别进行应力幅度为0，0~20%，0~ 40%和0~60%的循环加卸载试验，循环次数为50次；循环加卸载试验完成后，将每组试件分别标记为N，A，B，C，D，温度分别设定为25，200，400，600和800 ℃，每组试件分别以8 ℃/min的升温速率加热到该组目标温度，保温3 h后，在20 ℃的室温中自然冷却。

试件冷却后开展单轴压缩试验，压缩过程中进行声发射监测，采集岩石破裂信号，声发射门槛值设定为40 dB。

2 实验结果
2.1　抗压强度变化规律
图1所示为不同循环幅度和温度下砂岩单轴抗压强度的变化情况。

从图1可以看出：试件无循环扰动时，试件抗压强度随温度升高呈先上升后下降；在20%，40%和60%循环扰动条件下，试件抗压强度随温度升高整体呈加速下降趋势。

无循环扰动，20%，40%和60%循环扰动条件砂岩试件在200 ℃高温处理后的试件抗压强度分别为77，71，67和62 MPa；无循环扰动砂岩经过200 ℃高温处理后，孔隙水被蒸发且试件内部产生热膨胀，致使部分裂隙闭合，试件密实程度增加，试件抗压强度从75.0 MPa增强至77.0 MPa；20%，40%，60%循环扰动砂岩试件经200 ℃温度处理后没有出现试件抗压强度增大的现象，这是因为循环扰动使试件内部微裂纹发展，岩石强度降低。

当加热温度从25℃升至800℃，0，20%
，
图1　不同循环幅度和高温下砂岩的单轴抗压强度的
变化情况
Fig. 1　Variation curve of uniaxial compressive strength of sandstone under different cyclic amplitudes and high
temperatures
1089
第 54 卷
中南大学学报(自然科学版)
40%和60%循环扰动砂岩后试件单轴抗压强度分
别下降25.0，27.0，29.5和32.1 MPa，平均下降
28.4 MPa。

这是因为温度超过200 ℃后，砂岩内部
热膨胀导致的热开裂现象多于裂隙闭合现象，热
损伤逐渐累积，试件抗压强度逐渐降低[25]。

由图1
可知：相比上一温度梯度，200，400，600和
800℃对应的平均单轴抗压强度分别下降2.1，
5.0，8.0和13.2 MPa，随着温度升高，单轴抗压强
度的下降幅度开始增大，且逐渐加剧。

这是因为
砂岩主要由石英及胶结物构成，而石英在573 ℃附
近会发生相变、体积变大，引起剧烈的热应力，
造成裂纹发展进一步加速并在形成规模后相互联
结、贯通[26]，砂岩试件的单轴抗压强度从573 ℃后
加速下降。

从图1可知：在同一温度条件下，随着循环幅度增加，试件单轴抗压强度整体呈下降趋势。

这是由于随着循环幅度增大，外界对试件做功总量增大，微裂纹发育规模进一步增大并可能相互贯通，导致裂纹发育速度增加，砂岩强度劣化速度也随之加快。

2.2　峰值应变变化规律
不同循环幅度和温度作用下砂岩峰值应变的变化曲线如图2所示。

由图2可知：随着温度升高，试件峰值应变曲线在200 ℃出现拐点，总体呈上升趋势。

在200 ℃时，砂岩内部孔隙水蒸发、矿物及胶结物产生热膨胀，会增强砂岩的密实性，导致峰值应变减小，随着温度继续升高至800 ℃，砂岩内部热应力急剧增加，热开裂现象占据主导，致使砂岩内部微裂纹增多，细观结构松散化程度增大，砂岩由脆性向半脆性甚至半延性转变，且趋势逐渐增强[27]，峰值应变逐渐增大。

当加热温度由25 ℃升至800 ℃，0，20%，40%和60%循环扰动砂岩试件的峰值应变分别增加40.00%，42.33%，43.64%和44.1%，可见温度对试件峰值应变影响显著。

随着循环幅度增加，试件峰值应变总体呈上升趋势，并呈加速上升倾向。

当循环幅度从0增加至60%时，25，200，400，600和800 ℃砂岩试件的峰值应变分别增加10.77%，11.02%，13.67%，13.58%和14.01%，平均变化幅度达到12.61%，可见，循环扰动对于试件峰值应变有较大影响，但相比温度的影响略小。

3 破坏特征与机理
声发射波形特征通常被认为是反映断裂破坏
模式的有效途径。

研究表明，声发射波形参数中的R
A
与平均频率F
A
可以反映材料结构内部的裂纹
类型，R
A
是上升时间和幅值之比，平均频率F
A
则是振铃计数和持续时间之比[28]。

一般而言，具有
低F
A
、高R
A
的声发射信号通常代表剪切破裂，而
高F
A
、低R
A
的声发射信号则是张拉破裂，声发射波形基本参数示意图及裂纹分类如图3所示[29−31]。

将图3(b)中分割线斜率定义为K，K=F
A
/R
A
，其中K 一般在0~200之间，在前人研究的基础上，本文选取K=90作为区分剪切破坏和张拉破坏的临界值[32−33]。

3.1　砂岩动态声发射特征
以循环幅度为20%、温度为400 ℃砂岩试件为
例，研究R
A
与F
A
分布随时间的变化规律，结果如图4所示，其中黄色直线斜率K=90。

试件经过循环扰动和高温处理，在单轴压缩试验初期，声发射信号少、强度低，声发射信号
主要集中在岩石破坏阶段。

因此，以t
f
-t作为时间步长，选取岩石破坏附近时间段的数据进行分析。

其中t为实际时间，t
f
为岩石破坏时刻，选取最后
一个信号强度超过0.01 mV/s的时间点为t
f
，而该图2　不同循环幅度和高温下砂岩峰值应变的变化曲线Fig. 2　Variation curve of peak strain of sandstone under different cycle amplitudes and high temperatures
1090
第 3 期
任松，等：动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征
试件对应的t f =988.821 s 。

在岩石破坏阶段，声发射信号通常集中在某一较短时间内突然开始剧烈变化，若平均划分时长，容易掩盖声发射事件集中出现的R A 与F A 变化细节[33]。

因此，将加载过程按照10 s ≤t f -t 、5 s ≤t f -t <10 s 、1 s ≤t f -t <5 s 和
t f -t <1 s 划分为4个时间段，分析R A 与F A 变化
规律。

由图4可知：在岩石破坏前，声发射信号的R A
较小(0~10 ms/V)，而F A 较大(0~1 000 kHz)，随着临近岩石破坏，R A 逐渐增大、F A
逐渐减小，尤其
(a) 声发射波形参数；(b) 基于R A 与F A 的裂纹分类
图3　声发射波形参数及裂纹分类示意图
Figure. 3　
Schematic diagram of acoustic emission waveform parameters and crack classification
(a) 10 s ≤t f -t ；(b) 5 s ≤t f -t <10 s ；(c) 1 s ≤t f -t <5 s ；(d) t f -t <1 s 图 4　20%循环幅度、400 ℃砂岩试件声发射信号中R A 与F A 随时间分布图
Fig. 4　Time distribution of R A and F A in acoustic emission signals of sandstone samples with 20% cyclic amplitude and 400 ℃
1091
第 54 卷中南大学学报(自然科学版)是到了临近岩石破坏的1 s 内，大R A (>10 ms/V)、小F A (<400 kHz)的信号数量及其占所有信号的比例都显著增加，不同时间段F A /R A <K 信号占比如表1所示，F A /R A <K 信号占比前后相差达到5倍。

以上分析表明，在进入破坏阶段之前，试件内部新产生微裂纹以张拉裂纹为主，而剪切裂纹占比较少。

临近破坏时新产生微裂纹以剪切裂纹为主，而张拉裂纹占比大幅下降，这种声发射信号的变化可以作为岩石破坏的前兆，应用于岩石工程[19]。

3.2　基于声发射的砂岩破坏特征
图5所示为试件破坏前1 s 内F A /R A <K 声发射信号所占比例变化曲线，图6所示为试件破坏前1 s 内声发射信号R A −F A 分布图，其中蓝色直线斜率 K =90。

由图5和图6可知：所有试件在临近破坏时，声发射信号中F A /R A <K 所占比例较高，均在54%以上，且大部分试件的F A /R A <K 的信号所占比例大于
60%，即表明试件在临近破坏时，声发射信号以剪
切破裂信号为主，剪切裂纹成为砂岩内部新产生微裂纹的主要形式，这与前人研究结果相符[19]。

在相同温度条件下，声发射信号中F A /R A <K 所占比例的均值总体上与循环幅度呈正相关，这是由于随着循环幅度增大，砂岩内部产生微裂纹的数量越大，且横向裂隙增加，砂岩内部细观结构松散化程度增大，致使试件单轴试验临近破坏时剪切事件占比增大。

在相同循环扰动条件下，随着温度升高，200 ℃出现拐点，声发射信号中F A /R A <K 所占比例的均值总体呈增大趋势，800 ℃时略有降低。

这是由于200 ℃时孔隙水蒸发、砂岩脆性略有增强；573 ℃时石英发生相变，体积增大，砂岩内部细观结构松散化进程受到抑制，故在试件临近破坏时剪切裂纹占比相对减小。

此外，从图6可以看出：随着循环幅度和温度升高，声发射信号数量明显减少。

这是由于在高温及循环扰动作用后，试件内部在单轴试验前就已经产生大量裂纹，试件黏聚力降低，岩石由脆性向延性转变，致使单轴压缩压缩过程中破裂信号减少。

3.3　宏观破坏形式
图7所示为不同循环幅度和温度试件在单轴压缩试验后的宏观破坏形式。

由图7可知，加热温度为25 ℃及200 ℃的试件破坏存在较明显张拉裂纹，试件破坏形式由脆性张拉破坏向张拉−剪切破坏转变，随着循环幅度和温度继续升高，张拉裂纹减少，试件的破坏形式逐渐向脆性剪切破坏转变，加热至600 ℃以上的试件向共轭剪切破坏乃至延性破坏转变，这与前人研究结果[34]相符。

而当加热温度达到400 ℃，试件鼓状突出现象逐渐明显，这是试件变形中塑性变形成分增大、破坏形式逐渐向延性转变的佐证。

同时，60%循环幅度或加热600 ℃及以上试件，破坏形式皆为脆性剪切破坏或剪切成分较多。

另外，无循环扰动砂岩经过200 ℃高温处理后，破坏形式为脆性剪切，而相邻的20%和40%循环扰动、200 ℃温度试件为张拉−剪切破坏。

这表明循环扰动和温度，尤其温度将会很大程度上改变砂岩的宏观破坏形式。

表1　不同时间段F A /R A <K 信号占比
Table 1　Proportion F A /R A <K signals in different time
periods
时间段/s 10≤t f -t 5≤t f -t <101≤t f -t <5t f -t <1
占比0.100.110.44
0.60
图 5　试件破坏前1 s 内F A /R A <K 声发射信号所占比例图Fig. 5　Proportion of F A /R A <K acoustic emission signal in
1 s before specimen failure
1092
第 3 期
任松，等：动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征
图 6　试件破坏前1 s 内R A −F A 分布图
Fig. 6　R A −F A distribution within 1 s before specimen failure
1093
第 54 卷
中南大学学报(自然科学版)4 结论
1) 循环扰动和温度作用对岩石强度影响极大，无循环扰动的试件抗压强度随温度升高呈先上升后下降，而受循环扰动砂岩的强度随温度增加而
下降，试件单轴抗压强度随循环幅度增加呈下降
趋势，温度对砂岩的强度的影响强于循环扰动。

2) 砂岩峰值应变随着温度升高呈先降低后上升的趋势，200 ℃为该类砂岩的拐点，而随着循环幅度增加，试件峰值应变总体呈上升趋势，并呈加速上升倾向，平均变化幅度达到了12.61%
，此
图 7　试件宏观破坏形式
Fig. 7　Macroscopic failure mode of specimens
1094
第 3 期任松，等：动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征阶段温度明显强于循环扰动。

3) F
A /R
A
变化可作为岩石破坏先兆。

在单一试
件加载过程的岩石破坏阶段前，F
A /R
A
>K声发射信
号占大部分，岩石内部新产生裂纹以张拉裂纹为
主；临近岩石破坏阶段，F
A /R
A
>K声发射信号急剧
减少、F
A /R
A
<K声发射信号陡然增多，新产生的裂
纹中剪切裂纹占比很大。

4) 随着循环幅度和温度升高，岩石破坏时声
发射信号中F
A /R
A
<K信号占比不断增大，试件内部
新产生裂纹的主要形式逐渐改变，砂岩的破坏形式由脆性破坏逐渐向延性破坏逐渐转变。

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