高溫花崗巖物理力學特性研究綜述★

翟宇星 李亞博 張恩華 彭志鵬 楊其要 賈 蓬

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

1 概述

眾所周知，溫度是影響巖石物理力學特性的重要因素之一。大量研究都表明，溫度變化會對花崗巖造成熱損傷，高溫熱損傷后巖石的力學性質呈劣化現象。分析巖石靜動態力學特性隨著溫度的變化規律，對于揭示巖石工程在極端工況下的變形破壞機制具有重要的工程意義和實用價值。自20世紀70年代，各國學者從理論和實驗上，取得了諸多成就。文獻[1]考察了溫度對材料韌性和脆性轉變的影響，得出韌脆轉變的臨界溫度隨加載率的增加而增加。Alshayea N A等[2]利用聲發射手段來研究加熱條件下巖石的劣化損傷，主要測量了20 ℃～50 ℃的花崗巖的斷裂韌性KIC。許錫昌等[3]研究了20 ℃～600 ℃的花崗巖在單軸壓縮狀態下的基本力學參數隨溫度的變化情況，并發現75 ℃是花崗巖彈性模量的臨界溫度，而200 ℃是其單軸抗壓強度的門檻溫度。

然而，近年來，向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題，在各類深部地下巖石工程中，如深部礦山開采、放射性核廢料深層地質處置、干熱巖地熱能開采等，都涉及到200 ℃以上高溫巖石的研究。因此，有必要研究巖石在高溫作用下的物理力學特性。國內外學者目前對高溫花崗巖的物理力學特性的研究主要集中在兩個方面：一是實時高溫下花崗巖的物理力學特性的研究；二是高溫花崗巖在各種條件下冷卻后物理力學特性的研究。其中主要是在對高溫后花崗巖靜動力學性能以及聲學性能、高溫下花崗巖各項性質變化及結構效應、高溫花崗巖遇水冷卻后物理力學特性及細觀損傷、高溫花崗巖自然冷卻下力學特性及裂隙分布等方面的研究。本文重點對上述研究內容和高溫下花崗巖損傷劣化機制的研究成果的進展做簡要綜述。

2 不同工況下的高溫花崗巖研究

2.1 實時高溫下花崗巖力學特性研究

花崗巖是一種主要由石英、鉀長石和酸性斜長石等成分組成的復雜物質，天然狀態即是具有微裂隙、微空洞的，常溫下為灰白色，非均勻的不連續體。隨著溫度升高，其脆性和體積均有所增大[4]。繼續加熱至高溫，花崗巖的物理力學性質和整體模型的力學參數會發生改變，改變的發生與其內部首先破裂的顆粒的力學性質有關，而其內部晶體顆粒的破裂順序則由花崗巖的非均勻性所決定[5]。近年來隨著干熱巖地熱開發理念以及高放射性核廢料的底層深埋處理技術的廣泛應用，高溫環境下巖石的力學及損傷特性研究變得尤為重要。

2.1.1利用常規方法研究高溫花崗巖基本物理力學性質

從1964 年起，Khitaror 和Lebedev 就開始了對花崗巖熱物理特性的研究。此后，研究工作最主要在于高溫花崗巖基本物理力學參數的測定(包括花崗巖的變形模量、泊松比、抗拉強度、抗壓強度、內聚力、內摩擦角、粘度、熱膨脹系數等)[6]，而近些年，高溫花崗巖動態力學特性等方面的研究也逐漸走入人們視野。

Liu等[7]采用液壓伺服壓力試驗機，分析了高溫花崗巖和高溫砂巖的物理力學特性，表明高溫對花崗巖的力學性能影響較砂巖更不明顯，600 ℃和800 ℃分別為砂巖和花崗巖脆塑性轉變的臨界溫度。Chaki等[8]分析了溫度變化對巖石力學特性的影響，試驗表明隨著溫度的升高，巖石的孔隙率和滲透性都逐漸增大。Alm等[9]介紹了對含有不同數量微裂紋的條狀花崗巖進行的大量力學試驗結果，并得到了微裂紋密度的變化。黃彥華等[10]考察了高溫作用對含孔花崗巖拉伸力學特性的影響，探討了高溫作用下花崗巖裂隙演化特性。得到了花崗巖在高溫作用后體積、質量和脆性的變化。

利用常規方法研究其物理力學特性，實驗原理較為簡便，研究手段也比較直接。通過此研究得出的不同條件下的花崗巖的物理力學性質可以為之后的深入研究提供依據與參考。其實驗方法與實驗原理也可應用于后續研究中。

2.1.2高溫花崗巖的聲學特性

花崗巖的某些物理力學特性可以通過超聲波試驗中的超聲參數來間接反映。不同溫度或不同加熱次數下的巖石試樣會有不同程度的損傷。在超聲波試驗中，試樣的不同的損傷程度會獲得不同的縱波波速，可利用縱波波速來分析其物理力學性能的變化趨勢[11]。支樂鵬等[12]對高溫作用下的花崗巖的力學性能和超聲波特性進行了分析，測試了高溫后花崗巖的超聲波特性。孫強等[13]利用MTS伺服試驗機和高溫爐進行常溫至800 ℃花崗巖物理力學參數隨溫度變化特征試驗，研究得到了在溫度變化下巖石強度和波速的變化，并發現強度與波速的降低與礦物膨脹和熔融有關。杜守繼等[14]對經歷不同高溫前后花崗巖試件縱波波速進行測定，并據此計算出花崗巖的動力彈性模量，研究了其變化規律，試驗結果表明：經歷高溫作用后，動力彈性模量比靜力彈性模量變化更加劇烈。李政陽等[15]開展了高溫花崗巖試樣的超聲波振動損傷特性試驗，得到了溫度對超聲波振動損傷的影響，并且測定了超聲波振動造成花崗巖孔隙度增幅時的門檻溫度。

作為與傳統分析手段有所區別的超聲波檢測手段，其優點可以大致分析巖樣內部的裂隙狀況，把內部情況通過縱波波速的變化展現出來。

未來的研究可以把巖石聲波監測儀與掃描電鏡相結合，更加精確地展現巖石內部的情況。

2.2 高溫花崗巖在不同冷卻條件下性能劣化研究

關于高溫花崗巖冷卻之后性能劣化的研究，國內外學者所研究的條件主要分為：

1)自然冷卻條件；

2)遇水冷卻條件；

3)其他冷卻條件。

近年來，也有學者集中研究高溫花崗巖遇水冷卻之后物理力學特性，但尚不多見。Shao等[16]研究了三種類型的花崗巖在自然冷卻和遇水冷卻這兩種方式下力學性能的變化。王朋等比較了不同溫度的花崗巖在自然冷卻和遇水冷卻時物理力學性能的變化。綜上研究可得到，遇水冷卻和自然冷卻對高溫下花崗巖的物理力學性能的影響具有明顯的差異性。這是因為在以上兩種工況下，巖石內部的損傷和裂隙的發展程度有所不同，而裂隙的大小、連貫性和分布特點會對巖石試樣的物理力學性能有明顯不同的影響。

崔翰博等[17]對自然冷卻和遇水冷卻后高溫花崗巖進行單軸壓、拉和聲波測定試驗。研究不同方式冷卻后花崗巖溫度與表觀形態、縱、橫波波速、彈性模量等物理力學性質間的關系，同時考慮遇水冷卻后靜置過程對花崗巖力—聲性質影響。解元等[18]通過對高溫遇水冷卻花崗巖與高溫自然冷卻花崗巖的物理性質進行對比，得到隨溫度升高，兩種情況下花崗巖的顏色變化、質量降低率的變化和縱波波速與橫波波速的變化。高經緯等[19]采用CT(Computed Tomograph Technique，計算機層析掃描技術)觀察巖石內部損傷裂隙的分布情況，并考察了冷卻方式的不同對高溫花崗巖內部裂隙分布的影響。朱要亮等[20]對遇水冷卻后高溫花崗巖進行核磁共振測試、波速測試、分離式霍普金森壓桿沖擊試驗，和沖擊破碎試樣的掃描電鏡觀察，研究了不同狀態下花崗巖波速、孔隙度和動力學參數的變化規律。

不同的冷卻方式對應著不同的工況，而不同的工況中所需要重點關注的花崗巖的物理力學性質也有所不同。例如，用于開發地熱能的人工儲留層的井壁圍巖在受到高溫之后又遇水冷卻，而且還會由于上部圍巖的自重和內部地應力的存在而使井壁圍巖發生蠕變，因而容易發生失穩，此時需要研究與其相對應的支護方式來保證遇水冷卻之后圍巖的穩定。所以上述實驗的開展和所得出的結論對實際工程中有很廣泛的應用。

2.3 高溫和其他條件作用下花崗巖的物理力學性能研究

埋深大的花崗巖所處地下條件復雜，不單單是溫度、水這些簡單的因素。而且僅僅研究這些因素，也不能給地熱開采工程以足夠的理論支持。國內外學者還對高溫花崗巖進行了其他條件下的特性研究，諸如高應力，靜水壓力，蒸汽作用等。

趙金昌等[21]研究高溫高壓狀態下花崗巖的切削破碎規律，得到高圍壓狀態下花崗巖的可切削性、單位破巖能耗較常溫下的變化情況。還得出“鉆壓需超過一定的值，才能在高溫下對花崗巖產生良好的切削效果”的結論。王建美等[22]選取了廣義開爾文模型來反映高溫靜水壓力下花崗巖蠕變參數，通過拉普拉斯變換及逆變換，詳細推演出了鉆孔徑向位移解析解，并且考慮溫度應力的耦合效應，給出了模型參數隨溫度及靜水應力變化的關系，利用該關系進行擬合計算。張學堯等[23]采用對流加熱原位開采模擬實驗臺和真三軸壓力機，研究了不均勻地應力狀態下注蒸汽花崗巖熱破裂的損傷破裂規律，并得到花崗巖脆性破裂的臨界溫度和裂縫產生規律。

高溫花崗巖當前的研究主要集中在不同冷卻條件下的性能劣化方面。但實際工況中，花崗巖所面臨的外部環境復雜而多變，因此，上述高應力、靜水壓力和蒸汽作用的情況也有必要納入研究的范疇。

3 高溫花崗巖失穩機理

花崗巖在受熱后，由于熱應力的作用，使得其內部微細觀晶體顆粒結構不斷變化、裂縫缺陷發生劣化，微觀損傷隨溫度繼續升高而繼續發展、貫通，直至破壞。因此，從微細觀尺度出發來分析花崗巖內部損傷狀況，對于研究其宏觀破壞形式具有很大的價值[5]。在自然狀態下，巖石內部結構和原巖應力分布處于一個相對穩定的狀態，高溫條件下，巖石結構發生多種物理變化和化學變化，如水分蒸發、礦物熱膨脹、晶體相變和礦物組分轉變[24]。而且溫度升高還會引起彈塑性變形，這其中塑性變形是無法恢復的，因此降溫時會產生熱應力[25]。花崗巖內部物理化學變化和熱應力便會使其內部產生孔隙，而孔隙率的改變勢必會對花崗巖性能造成損傷。

而高溫巖樣在受到單軸壓縮時，不斷從外界吸收與釋放能量，與此同時，其內部細微觀結構也會發生改變，因而導致花崗巖的熱力學狀態更加不平衡，內部細微裂紋擴展成為宏觀裂紋。

4 結論

高溫花崗巖的研究主要分為實時高溫下各項性能的研究、不同冷卻條件下性能劣化研究、高溫和其他條件作用下物理力學性能研究。近年來，利用超聲波技術研究高溫花崗巖聲學力學特性逐漸興起，研究成果頗多；

花崗巖在高溫作用下，內部會發生物理化學反應，降溫時會產生熱應力，因而造成花崗巖內部孔隙率的變化，內部造成損傷。在受到單軸壓縮之后，內部孔隙更加繁雜，導致花崗巖的熱力學狀態更加不平衡，花崗巖由此發生更加劇烈失穩現象。

盡管對于高溫花崗巖的研究自20世紀60年代便有學者開始關注，但由于實驗儀器和科技水平的限制，一直局限于單一條件下測定其某些物理力學性質。在實際巖石工程中，對巖石產生劣化的因素，諸如水巖力學作用、物理和化學作用等，并非單一出現，而是同時或者相間隔、兩個或者多個一起作用于巖體，多個因素相互影響，其產生的效應互相促進。因此，多場耦合作用是目前必須要關注到的研究方向。

由于近年來清潔能源——地熱能的開發和應用，花崗巖遇水之后各項性質的研究也逐漸引起重視，這也必將成為將來研究的重點和方向。

此外，花崗巖本身的微細觀結構的變化對其物理力學性能的影響機理并未十分清楚與完備，如何定量表征花崗巖細微觀結構對其各項特性的影響，是亟待進行研究的問題。