溫度梯度對花崗巖力學性質影響的試驗研究

徐海波 胡東濤 惠明星 方 寧

(1.湖北省海外地質事業中心,湖北 武漢 430022;2.湖北省地質礦業開發有限責任公司,湖北 武漢 430034)

隨著國內外礦山開采深度的不斷增加,溫度對圍巖性質的影響愈加明顯,且在一定范圍內會產生溫度梯度。溫度梯度的出現對深部巷道圍巖應力產生重要影響,使巖石的力學特性和變形特性發生變化,從而增大深部巷道安全事故發生的幾率。

近些年來,國內外學者對溫度梯度下巖石力學性能進行了研究,并取得了一定的有價值的研究成果。Khitaror和Lebedev早在1964年就展開了溫度對花崗巖的物理性質方面的影響研究。Wai R S C等[1]對溫度在巖體內產生的應力的非線性變化做了一些研究。Simpson C[2]對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、荷載-位移曲線、抗拉強度等,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特性,并利用DIC本構模型對基于Weibull分布的本構模型加以改進,改善了原有本構模型對巖石峰后破壞階段描述不夠準確的問題。吳順川等[5]針對在不同溫度處理過的花崗巖圓盤試樣進行巴西劈裂試驗,進而研究溫度對花崗巖微觀結構和聲發射特性的影響。Alm O等[6]探究了花崗巖不同溫度熱處理后的力學性質以及溫度作用下花崗巖的微破裂過程。陳宇波等[7]在不同溫度下對隧道頂板砂巖進行試驗研究,通過對砂巖波速的變化率進行歸一化處理,得到該砂巖樣的損傷變量關系式。閔明等[8]采用MTS815試驗機開展了三軸壓縮試驗,探討不同條件下熱損傷粗粒花崗巖物理參數、力學參數和破壞特征的演化規律,分析各個試驗條件下的聲發射特征。馬兵等[9]通過對高溫處理后的花崗巖進行單軸壓縮和聲發射測試,分析了高溫對花崗巖力學特性的影響。吳星輝等[10]基于多場-相探究巖石熱損傷機理,從宏-細-微觀角度系統多尺度分析巖石熱損傷演化規律研究。李曉雪等[11]對花崗巖在熱沖擊作用下的細觀破壞特征及孔隙率變化規律進行了研究。明杏芬等[12]對高溫環境中砂巖的熱力學性質的變化規律進行了研究。雖然國內外學者對花崗巖在高溫作用下力學性能的研究成果較多,但對花崗巖在溫度梯度的作用下力學性能的研究卻較為少見。本次通過花崗巖的單軸壓縮試驗,系統研究花崗巖在常溫～250 ℃等多個溫度梯度作用下的應力-應變過程特征,探討溫度梯度對花崗巖的峰值應力、峰值應變、切線模量等的影響。

1 試驗概況

1.1 試樣及儀器設備

本次試驗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、長石、云母、角閃石以及少量膠結物質,花崗巖平均密度2.76 g/cm3,試樣按照中華人民共和國地質礦產行業標準中的試驗規程加工,制作為長50 mm、寬50 mm、高100 mm的長方體,其表面完整、致密,無宏觀裂隙及氣孔。

單軸壓縮試驗采用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機。巖石加熱采用DHG-9030A(上海飛越)電熱恒溫鼓風干燥箱以及不銹鋼加熱板。

1.2 試驗過程

試驗采取如下步驟:① 在試驗開始前,所有試件將進行統一編號,同時對各試件尺寸進行精確測量;② 將試件不同加熱條件進行分組;③ 對試件進行加熱;④ 將常溫(18 ℃)及不同溫度的試件進行單軸壓縮試驗,試驗加載速率為0.25 MPa/s;⑤ 記錄試驗過程及結果,并對其進行整理及分析。試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線

通過實驗研究發現,從常溫～250 ℃范圍內,在未采取冷卻措施的條件下,花崗巖應力-應變曲線在不同的溫度下主要呈現為如下4個階段(見圖1):

圖1 花崗巖在不同溫度下的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of granite at different temperatures

(1)初始壓密階段。在這一階段,隨著應力的不斷增加,花崗巖巖石內部的微裂隙不斷地被壓縮、閉合,巖石變形得比較快,表現為應力-應變曲線出現向下凸的趨勢。

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

(3)微裂紋發育階段。在這一階段,巖石的應力-應變曲線隨著軸向壓力的增加開始出現折線,巖石內部裂紋的尖端應力不斷增加,并且部分應力已達到巖石內部裂紋的尖端應力強度因子,從而導致巖石內部強度較低的微元體開始逐漸破壞,形成新的裂紋缺陷。整體上表現出巖石力學性能降低,內部損傷加速發展,造成部分能量瞬間釋放。

(4)破壞階段。在此階段,應力達到最大值,巖石變現為明顯的脆性破壞。

從圖1中可看出,從常溫～250 ℃范圍內,溫度的變化對花崗巖的應力應變曲線影響不大,花崗巖均呈現脆性破壞。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力-應變曲線。從圖2中比較分析得知:① 除在100℃時不同冷卻條件下的巖石的應力-應變曲線均表現不一樣;② 在150 ℃、200 ℃、250 ℃時,小溫度梯度條件下巖石的初始壓密階段相較于大溫度梯度條件下經歷時間長,不冷卻條件下巖石相較于冷卻至常溫條件下經歷時間較長,這可能是由于較高溫度時產生的熱膨脹作用使得巖石內部的微裂隙提前閉合所導致的;③在150℃、200℃、250℃時,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歷時間稍短,不冷卻條件下相較于冷卻至常溫條件下經歷時間稍短,這可能是由于溫度梯度產生的熱應力和壓應力導致巖石內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力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of granite under different cooling conditions at different temperatures

2.2 峰值應力

(1)不同溫度條件下巖石峰值應力特征。不同溫度條件下,巖石單軸壓縮試驗峰值應力與溫度的關系如圖3所示。從單軸壓縮試驗結果中可以看出,花崗巖在各個溫度時峰值應力均具有一定的離散性質,但從總體上看,隨著溫度的升高巖石的峰值應力呈現出下降的趨勢,在100 ℃時出現的最大峰值應力為143 MPa,是中等強度的巖石。總體而言:① 溫度從17 ℃升高到100 ℃時平均峰值應力有一個上升的趨勢,這可能是由于溫度產生的熱應力使巖石內部微裂隙閉合,一定程度上改善了巖石的強度性能所導致的;② 溫度從100 ℃升高到250 ℃時平均峰值應力則呈下降的趨勢,這可能是由于高溫產生的熱應力超過巖石微裂隙所能承受的最大應力值,使微裂隙擴大、增加,在一定程度上降低了巖石強度性能所導致的;③ 最小值出現在250 ℃時,最大值出現在100 ℃時,而從17 ℃升高到200 ℃平均峰值應力均大于17℃時,表明溫度在200 ℃以內有一定程度上增加峰值應力的作用,使巖石強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力Fig.3 Peak stress of granite under different temperature conditions

(2)不同溫度梯度下巖石峰值應力特征。不同溫度梯度條件下,巖石單軸壓縮試驗峰值應力與溫度的關系如圖4所示。由巖石單軸壓縮試驗結果可知,花崗巖在各個溫度時峰值應力均具有一定的離散性質,但從總體上看,隨著溫度梯度的增大巖石的峰值應力呈現出先下降、后上升的趨勢。根據圖4分析可知:① 小溫度梯度條件下巖石的平均峰值應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力比小溫度梯度條件下均呈現不同程度的增加,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力比存在較大溫度梯度情況下的平均峰值應力均呈現不同程度的上升,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力有先下降后上升的趨勢。初步推測,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部微裂隙不斷增加,使巖石強度性能有所降低,而增加到一定程度時,可以改善巖石強度性能。

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

2.3 峰值應變

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

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

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

圖6 花崗巖在不同溫度不同冷卻條件下的峰值應變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,巖石單軸壓縮試驗切線模量與溫度的關系如圖7所示。從單軸壓縮試驗結果中可以看出,花崗巖在各個溫度時切線模量均具有一定的離散性質,但從總體上看,隨著溫度的升高巖石的切線模量呈現出下降的趨勢,在100 ℃時出現的最大值為16.545 GPa。由圖7分析可知:① 溫度從17 ℃升高到100 ℃時巖石的平均切線模量有一個上升的趨勢,這可能是由于溫度產生的熱應力使巖石內部微裂隙閉合,一定程度上改善了巖石的強度性能所導致的;② 溫度從100℃升高到250 ℃時巖石的平均切線模量則呈下降的趨勢。這可能是由于高溫產生的熱應力超過巖石微裂隙所能承受的最大應力值,使得巖石的微裂隙擴大、增加,降低了巖石強度性能所導致的。

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,巖石單軸壓縮試驗切線模量與溫度的關系如圖8所示。由巖石單軸壓縮試驗結果可知,從總體上來說,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先下降后增加的過程。

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 論

通過對不同溫度、不同溫度梯度條件下花崗巖的單軸壓縮試驗研究,可以得到以下幾點結論:

(1)在單軸壓縮試驗過程中,花崗巖的破壞可以分為初始壓密階段、近似彈性變形階段、微裂隙演化階段以及破壞階段。

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

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

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