三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析_赵亚永

网络出版时间：2016-09-22 10:38:20

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第36卷第X期岩石力学与工程学报Vol.36 No.X 2017年X月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering XXX，2017

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与

细观力学分析

赵亚永1，2，魏凯1，2，周佳庆1，2，李星1，2，陈益峰1，2

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072；2. 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，湖北武汉 430072)

摘要：运用偏光显微技术，比较了不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比了

常温至800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律，并讨论了其与微

观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征，采用细观

损伤力学模型研究了热损伤岩石应力 – 应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的

变化主要表现为胶结物变化及矿物相变，矿物内无明显热裂纹发育；热处理花岗岩内热裂纹发育明显，800 ℃处

理后最大裂纹宽度可达100 μm，较400 ℃时增加约1个数量级；大理岩热裂纹以晶界裂纹为主，600 ℃处理后最

大裂纹宽度达20 μm，约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低，但

砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条

件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好，热损

伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。

关键词：岩石力学；热损伤；微观结构；变形及强度；细观力学分析

中图分类号：文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2017)00–0000–00

Laboratory characterization and micromechanical analysis of mechanical

behaviors of three thermally-damaged rocks

ZHAO Yayong1，2，WEI Kai1，2，ZHOU Jiaqing1，2，Li Xing1，2，CHEN Yifeng1，2

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，

China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering，Ministry of Education，Wuhan University，

Wuhan，Hubei 430072，China)

Abstract：In this study，the alterations in the microstructures of three types of rocks(i.e. sandstone，granite and

variations in physical-mechanical properties(including longitudinal wave velocity，porosity，Young′s modulus，peak stress and the corresponding strain) of these three different rocks with the thermally-treated temperatures，which ranged from room temperature to 800 ℃，were analyzed and compared，and were correlated to the microstructural variations. The strong ductile behavior of the thermally-cracked rocks was interpreted with a micromechanical model by taking into account the normal stiffness reduction of micro-cracks. A notable change in carbonate cementation was observed in thermally-cracked sandstone，in which the thermally-induced cracking was

收稿日期：2015–12–18；修回日期：2016–06–06

基金项目：国家自然科学基金项目(51579188，51409198)

Supported by

作者简介：赵亚永(1991–)，男，2014年毕业于郑州大学水利水电工程专业，现为硕士研究生，主要从事岩石力学试验与数值模拟方面的研究。

E-mail：yyzhao@。通信作者：陈益峰(1974–)，男，现任教授、博士生导师。E-mail：csyfchen@

DOI：10.13722/ki.jrme.2015.1750

• 2 • 岩石力学与工程学报 2017年

not developed across mineral particles. Both transgranular and intergranular cracking developed in thermally-cracked granite with a maximum opening of 100 μm at 800 ℃，which was one order of magnitude larger than that at 400 ℃. The cracks in thermally-treated marble were majorly intergranular， with a maximum width of about 20 μm at 600 ℃. Different from granite and marble，a dramatic decrease of elastic modulus occurred in thermally-cracked sandstone when the treatment temperature was over 500 ℃，which was mainly ascribed to the phase transition of quartz. It was found that the physical-mechanical properties of the thermally-cracked rocks depend much on the diagenetic processes，mineral compositions and cracking patterns. Moreover，the numerical simulation results are in good agreement with the experimental data，showing that the mechanical behaviors of the thermally-cracked rocks are closely related to the density and stiffness of the thermally-induced cracks.

Key words：rock mechanics；thermally-cracked rocks；microstructure；deformation and strength；micromechanical analysis

1 引言

在高放射性核废料的地下处置、地热资源开发、煤与油页岩现场气化及热能传输工程中，或地下工程经历火灾后，其围岩均可能经历一定的高温，高温作用下或作用后岩石的细观结构和矿物成分将发生变化，导致岩石的强度及变形特性也随之发生变化，并直接影响工程的安全稳定性。研究热损伤岩石的物理力学性质可为地下岩体工程长期安全性评估提供依据。

长期以来，国内外学者针对热损伤岩石的物理力学性质开展了大量的研究，尤以砂岩[1-11]、花岗岩[12-20]、大理岩[21-24]的研究成果最为丰富。在宏观物理性质方面，主要研究包括热损伤岩石的纵波波速[4，6，17]、渗透系数[13，15]、孔隙结构特征[18]、表观密度[25]等；在细观结构方面，Homand-Etienne F等[12]、Fredrich J T等[26]通过SEM技术研究了热损伤花岗岩的裂纹密度；Faoro I等[27]则通过裂纹密度预测热损伤Westerly

伤岩石的变形特性，李建林等[6]、蔡燕燕等[20]分别研究了热损伤砂岩、花岗岩在三轴卸荷载条件下的变形及力学性质；Wang X Q等[13]研究了热损伤花岗岩的声发射特征；苏海健等[2]研究了热损伤红砂岩的抗拉强度；尹土兵等[5]、徐金东和刘石等[23-24]分别研究了动荷载作用下热损伤砂岩、大理岩的力学特性。朱合华[28]和闫治国[29]等分别研究了高温后熔结凝灰岩、花岗岩、流纹状凝灰角砾岩的变力学特性和纵波波速变化特征。在本构模型方面，陈益峰等[30]和Liu S等[22]分别采用细观力学和宏观唯像模型研究了热损伤花岗岩和大理岩的变形特性。

尽管热损伤岩石的物理力学特性得到了广泛研究，但针对不同地质成因、不同矿物成分和细观结构特征岩石的热损伤机制、应力–应变曲线特征的对比研究还相对较少。为此，本文结合岩石细微观结构和矿物成分分析，开展了三类不同成因岩石(砂岩、花岗岩和大理岩)的高温热损伤试验研究。对比分析了三类岩石经高温处理后微裂纹的发育特征以及宏观物理力学性质的演化规律，并从岩石成因、矿物组分、内部结构等角度揭示热损伤的物理机制。最后运用基于均匀化理论的细观损伤力学模型[31-34]，研究了三类热损伤岩石的变形特征。

2 岩样制备及试验方法

2.1 热损伤岩样的制备

选取砂岩、花岗岩和大理岩为三大岩类(沉积岩、岩浆岩、变质岩)的代表性岩石，其中砂岩试样取自四川自贡，青灰色，细粒，孔隙型胶结；大理岩取自四川雅安，白色，属变晶结构、块状构造；花岗岩(φ49 mm岩芯)取自广东阳春，呈灰白色，粗粒结构。砂岩和大理岩取自表层新鲜岩体，花岗岩岩芯深度为40～60 m。三类岩石的矿物组分及主要物理参数如表1所示，其中矿物组分通过显微镜观察和晶粉X射线衍射测试综合得到。由表1可知，砂岩和花岗岩的主要矿物成分均为长石和石英，而大理岩的矿物成分较为单一，以方解石为主。

根据ISRM标准[35]将上述岩石加工成φ50 mm×100 mm(花岗岩为φ49 mm×100 mm)的圆柱形试样，每类岩石各9个试样。采用SX2–10–12

箱式电阻炉对上述3组岩样进行100 ℃～800 ℃高温处理；另取一个常温状态(25 ℃)下的岩石试样