高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

徐小丽 ，高 峰，张志镇

（1.南通大学 建筑工程学院，江苏 南通 226019；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008）

1 前 言

在煤与油页岩的地下气化、地热资源的开发、煤层瓦斯的安全抽放和综合利用、高温核废料的处理等工程中都需要考虑与温度、围压相关的岩石力学问题。国内外学者在温度、围压对岩石物理力学性能影响方面开展了大量的研究，取得了一系列的研究成果[1-10]。周永胜等[11]对不同温压条件下居庸关花岗岩脆塑性转化与失稳型式进行了试验研究。孟陆波等[12]利用MTS815 伺服刚性试验机，对页岩开展了高温常规三轴压缩试验，基于试验结果分析了围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系。吴刚等[13]对砂岩高温后的力学特性进行了研究，表明温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温劣化。徐小丽等[14]对高温后花岗岩力学性质变化及结构效应进行了研究，表明岩石组分改变以及结晶态相变是导致高温下岩石力学性质突变的重要原因。朱珍德等[15]探讨了温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响。杜守继等[16]对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行了试验研究。万志军等[17]采用自主研制的20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机，系统深入地研究φ200 mm×400 mm 的大尺寸花岗岩试样在高温三轴应力下的热变形和破坏特征及其热学和力学参数随温度的变化特征。秦本东等[18]利用自行研制的高温岩石膨胀特性试验装置，对石灰岩和砂岩试件在300～700 ℃高温过程中的膨胀特性进行了试验研究，表明岩石热膨胀应力变化与其岩性、内部矿物分解、孔隙率变化、声速变化等有显著关系。

适合核废料、石油、天然气贮存的花岗岩具有渗透性小、致密、强度高等特点，因而其热破裂点以及脆塑性转换点温度较高。纵观国内外研究现状，对花岗岩的研究绝大多数局限在800 ℃以内，且以高温下单轴压缩试验为主，在能源开采过程中岩石总是处于一定的地温场和地应力场环境中，因此有必要了解岩石在不同温度、围压条件下的变形与强度特性。本文对山东潍坊某矿区花岗岩在经历25～1 000 ℃的高温后，利用美国MTS815.02 电液伺服材料试验系统对加温后的岩样进行了考虑不同围压下的三轴压缩试验，分析了花岗岩应力-应变曲线、三轴抗压强度、弹性模量、变形破坏特征与失稳型式等随温度、围压的关系。研究结果可对高温后岩体工程的稳定性、安全性以及修复加固支护设计提供一定的参考依据。

2 试验概况

2.1 试验所用岩样

岩石试样取自山东潍坊某矿区花岗岩，加工成直径φ 50 mm，长100 mm 的标准圆柱体试样，符合国际岩石力学学会的要求。

2.2 试验过程

首先，对岩样进行加温，设定温度点为25、200、400、600、800、1 000 ℃六个等级，为确保岩样内部受热均匀，加温后每块岩样恒温2 h 后打开炉膛自然冷却至常温，每个温度点5 块岩样，共计30块。岩样加温过程见图1。经历不同温度作用后花岗岩岩样形态见图2。常温下，岩样颜色为灰白色，随着温度升高颜色逐渐加深。

图1 高温炉加温过程Fig.1 Heating process of high temperature furnace

图2 不同温度作用后花岗岩试样形态Fig.2 Shapes of granite under various temperatures

其次，对每个温度点加温后的岩样进行不同围压下的常规三轴压缩试验，围压设置为0、10、20、30、40 MPa 五个等级。本次试验采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的美国MTS815.02 电液伺服材料试验系统，见图3。试验过程中，先对岩样施加预定的围压，后以0.003 mm/s 位移速率沿轴向加载，直至岩样破坏，达到岩样的峰值强度后，用试验系统继续对岩样进行施加压力，并且记录岩样峰后应力和变形，从而获得岩样三轴压缩全应力-应变曲线。

3 试验结果及分析

3.1 不同围压下高温后花岗岩应力-应变曲线

图3 MTS815.02 实验系统外观Fig.3 Appearance of MTS815.02 system

图4 围压一定时高温后花岗岩岩样三轴压缩全应力-应变曲线Fig.4 Complete stress-strain curves of granite specimens heated to various temperatures under conventional triaxial compression with fixed confining pressure

图4为围压一定时花岗岩岩样在经历了6个设定温度点后的三轴压缩全应力-应变曲线。由图可以看出，围压一定时，经历不同温度作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线（包括围压为0 MPa 的单轴压缩情况）大致经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段。压密阶段：应力幅度增加缓慢，应变迅速增加，应力-应变曲线呈现轻微凹型，且在同一围压下压密阶段随着温度升高有所延长，主要是岩样内部的裂隙闭合所致，随着温度的升高，岩样水分蒸发与矿物质的脱水，导致岩样含水率减小，孔隙率增大，岩样加压过程中将孔隙、裂隙压密，因而高温后压密阶段更加明显。弹性阶段：花岗岩经过初始阶段的压密之后应力-应变关系曲线近似一条直线，弹性模量可以看作常数，表现出岩样的弹性特征。屈服阶段：该阶段应力-应变关系呈现非线性，岩样的弹性模量随着应变的增加不断地减小，呈现屈服现象。破坏阶段：经历过屈服阶段以后，岩样内部裂隙贯通形成宏观裂纹，整体失去承载能力。塑性流动阶段：该阶段岩样完全破坏，可视为理想塑性体，在应力保持不变的情况下塑性变形随时间持续增长。

3.2 高温后花岗岩三轴抗压强度与围压、温度的关系

不同围压下花岗岩的三轴抗压强度散点值和不同温度作用后花岗岩的三轴抗压强度与温度的关系如图5、6 所示。

图5 高温后花岗岩岩样三轴抗压强度与围压的关系Fig.5 Relationship between triaxial compressive strength of granite and confining pressure after high temperatures

图6 花岗岩岩样三轴抗压强度与温度的关系Fig.6 Relationship between triaxial compressive strength of granite and temperature

由图5 可以看出，25～800 ℃范围内岩样三轴抗压强度随围压的增大而增大，1 000 ℃的抗压强度与围压关系变化不明显。经历了6个设定温度点加热后，岩样的三轴抗压强度在围压分别为5个等级时平均值分别为75.97、191.16、276.86、319.23、366.40 MPa。围压由0 MPa 增加到40 MPa时，岩样的抗压强度平均值相对围压由0 MPa时分别增加了151.63%（10 MPa）、264.43%（20 MPa）、320.21%（30 MPa）、382.30%（40 MPa）。岩样三轴抗压强度比单轴抗压强度（围压0 MPa）提高幅度较大，此后随着围压的增大，增加幅度有所变缓。根据试验结果，对高温后花岗岩三轴抗压强度的平均值与围压的关系进行了最小二乘拟合，曲线见图5。经历不同高温作用后，岩样三轴抗压强度与围压的关系为非线性的，呈二次多项式关系，拟合曲线方程为

由图6 可知，经历了5个围压后岩样的三轴抗压强度在6个设定温度时平均值分别为274.69、295.82、299.86、269.02、221.57、114.60 MPa。随着温度由25 ℃上升到400 ℃，岩样的三轴抗压强度平均值相对于25 ℃分别增加了7.69%（200 ℃）、9.16%（400 ℃），此后随着温度的升高，岩样的抗压强度不断下降，相对25 ℃分别降低了2.06%（600 ℃）、19.34%（800 ℃）、58.28%（1 000 ℃）。虽然围压的存在可以改善花岗岩的力学性能，但由于温度应力对花岗岩力学性质的损伤更大，因而其强度劣化。从热力学的角度讲，当温度升高时，岩石晶体质点的热运动增强，质点间的结合力相对减弱，质点容易位移，故塑性增强而强度降低。不同围压下花岗岩三轴抗压强度平均值与温度关系的拟合曲线见图6，拟合曲线方程为

温度低于400 ℃时，高温产生的热应力起到容纳变形和阻止裂纹扩展的作用，同时矿物颗粒的热膨胀使得岩样内部裂隙逐渐愈合，矿物密实程度提高，因而岩样三轴抗压强度在400 ℃之前随温度升高呈二次非线性增加；温度高于400 ℃时，因矿物颗粒间热膨胀不协调而产生的热应力，一旦超过岩石的强度极限，岩样就会产生微裂隙，且温度越高，热应力越大，微裂隙越多，原生裂纹扩展，在宏观上体现为岩样力学性能的劣化，所以400 ℃之后岩样三轴抗压强度随温度升高呈二次非线性减小，可以认为常规三轴压缩条件下400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度。

3.3 高温后花岗岩弹性模量与围压、温度的关系

图7为经历高温后花岗岩岩样弹性模量与围压的关系，围压一定时花岗岩经历不同温度作用后弹性模量散点值如图8 所示。

图7 高温后花岗岩弹性模量与围压的关系Fig.7 Relationship between elastic modulus of granite and confining pressure after high temperature

图8 花岗岩试样弹性模量与温度的关系Fig.8 Relationship between elastic modulus of granite and temperature

由图7 可以看出，经历过不同温度加热后的岩样，当围压分别为5个等级时弹性模量平均值分别为7.64、11.60、9.40、14.54、14.53 GPa。随着围压逐渐增大，弹性模量平均值相对于单轴压缩（围压0 MPa）时分别增加了51.88%（10 MPa）、23.09%（20 MPa）、90.31%（30 MPa）、90.26%（40 MPa）。弹性模量在围压为20MPa时比围压为10 MPa时有所下降，总体随围压升高呈增大趋势。

由图8 可知，经历了5个等级围压后，岩样的弹性模量在6个设定温度时其平均值分别为14.50、13.68、14.03、10.78、10.07、6.21 GPa。随着温度升高，岩样的弹性模量平均值相对于25 ℃分别降低了5.68%（200 ℃）、3.24%（400 ℃）、25.70%（600 ℃）、30.56%（800 ℃）、57.16%（1 000 ℃）；温度低于400 ℃时，弹性模量衰减较小，400 ℃之后衰减幅度有所增大，1 000 ℃衰减幅度达到最大，岩样弹性模量随温度升高呈二次非线性减小。不同围压下花岗岩弹性模量平均值与温度关系的拟合曲线见图8，其方程为

4 花岗岩变形破坏特征与失稳型式

本次所有试验条件和结果见表1。试验条件下花岗岩岩样经历了脆性破裂、半脆性破裂和塑性变形3个区域。失稳型式有突发失稳、准突发失稳和渐进破坏3 种型式。突发失稳表现为应力突然下降，同时伴有较剧烈的破坏声响，应力-应变峰后曲线表现为垂直下降的细线；准突发失稳表现为应力快速下降，破坏时有较大的声响，但没有突发失稳剧烈，应力-应变峰后曲线表现为陡斜的粗线；渐进破坏表现为应力缓慢下降或者不下降，破裂时仅有较小声响，应力-应变峰后曲线形成平缓曲线。

研究结果表明，单轴压缩状态下随着温度的升高，花岗岩变形破坏形式由脆性破裂向塑性变形过渡，温度小于600 ℃花岗岩为脆性破裂，800 ℃为半脆性破裂和碎裂流动，1 000 ℃为塑性变形，失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳，温度高于800 ℃为渐进破坏；三轴压缩状态下岩样都存在贯通的脆性主破裂面，主破裂面的性质随围压而变化，典型试样破裂面见图9。

围压为0 MPa时（单轴压缩情况），岩样破坏为典型的脆性张拉破坏，破裂面平行于σ1方向；围压为20 MPa时，破裂面与σ1方向的夹角为45°，主破裂面为单斜的剪切破裂；围压为40 MPa时，破裂面与σ1方向的夹角为30°，主破裂面为共轭的剪切破裂，剪切破裂面上有很多岩粉，破裂面交汇处有较大范围的挤压粉碎区。随着围压的增大，岩样破裂型式由脆性张破裂逐渐向剪切破裂过渡，岩样的失稳型式由突发失稳向渐进破坏过渡。在试验温压范围内，影响花岗岩力学性质的首要因素是温度，其次是围压；而花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。

表1 试验条件和结果Table 1 Experimental conditions and results

图9 典型试样破裂面Fig.9 Typical fracture of rock samples

5 结 论

（1）围压一定时，经历不同温度作用后花岗岩岩样三轴压缩全应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段。

（2）在25～800 ℃范围内，岩样三轴抗压强度随围压的增大而增大，1 000 ℃的抗压强度与围压关系变化不明显。经历不同高温作用后，岩样三轴抗压强度与围压的关系呈非线性二次多项式关系。岩样抗压强度在400 ℃之前随温度升高呈二次非线性增加，400 ℃之后随温度升高呈二次非线性减小，常规三轴压缩条件下，400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度。

（3）经历高温作用后，岩样弹性模量总体随围压升高呈增大趋势，随温度升高呈二次非线性减小。

（4）单轴压缩状态下，随着温度的升高，花岗岩变形破坏形式由脆性破裂向塑性变形过渡，失稳型式在低温时为突发失稳，中高温为准突发失稳，温度高于800 ℃为渐进破坏。三轴压缩状态下，随着围压的增大，岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡，岩样的失稳型式以突发失稳为主。

[1]WAI R,LO K Y,ROWE R K.Thermal stress analysis in rock with nonlinear properties[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences &Geomechanics Abstracts,1982,15(19):211-220.

[2]SIMPSON C.Deformation of granitic rock across the brittle-ductile transition[J].Journal of Structural Geology,1985,18(7):503-511.

[3]王绳祖.高温高压岩石力学——历史、现状、展望[J].地球物理学进展,1995,10(4):1-31.WANG Sheng-zu.High-temperature/high-pressure rock mechanics:History,state-of-art and prospect[J].Progress in Geophysics,1995,10(4):1-31.

[4]KAREL S,BEDEIICH M.High-temperature microstructures and rheology of deformed granite,Erzgehirge,Bohemian massif[J].Journal of Structural Geology,1996,18(6):719-733.

[5]ALSHA YEA N A,KHAN K,ABDULJAUWARD S N.Effects of confining pressure and temperature on mixedmode(I-II)fracture toughness of a lime-stone rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2000,37(4):629-643.

[6]刘泉声,许锡昌.温度作用下脆性岩石的损伤分析[J].岩石力学工程学报,2000,19(4):408-411.LIU Quan-sheng,XU Xi-chang.Damage analysis of brittle rock at high temperature[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(4):408-411.

[7]夏小和,王颖轶,黄醒春,等.高温作用对大理岩强度及变形特性影响的试验研究[J].上海交通大学报,2004,38(6):996-1002.XIA Xiao-he,WANG Ying-yi,HUANG Xing-chun,et al.Experimental study on high temperature effect’s influence on the strength and deformation properties of marble[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2004,38(6):996-1002.

[8]朱珍德,张勇,王春娟.大理岩脆-延性转换的微观机制研究[J].煤炭学报,2005,30(1):31-35.ZHU Zhen-de,ZHANG Yong,WANG Chun-juan.Study on microcosmic mechanics analysis for brittle ductile transition of marble[J].Journal of China Coal Society,2005,30(1):31-35.

[9]谢卫红,高峰,李顺才,等.石灰岩热损伤破坏机制研究[J].岩土力学,2007,28(5):1021-1025.XIE Wei-hong,GAO Feng,LI Shun-cai,et al.Study on mechanism of thermal damage fracture for limestone[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(5):1021-1025.

[10]徐小丽,高峰,沈晓明,等.高温后花岗岩力学性质及微孔隙结构特征研究[J].岩土力学,2010,31(6):1752-1758.XU Xiao-li,GAO Feng,SHEN Xiao-ming,et al.Research on mechanical characteristics and micropore structure of granite under high-temperature[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(6):1752-1758.

[11]周永胜,蒋海昆,何昌荣.不同温压条件下居庸关花岗岩脆塑性转化与失稳型式的实验研究[J].中国地震,2002,18(4):389-400.ZHOU Yong-sheng,JIANG Hai-kun,HE Chang-rong.Experiments of brittle-plastic transition,modes of instability of Juyongguan granite at different T-P condition[J].Earthquake Research in China,2002,18(4):389-400.

[12]孟陆波,李天斌,徐进,等.高温作用下围压对页岩力学特性影响的试验研究[J].煤炭学报,2012,37(11):1829-1833.MENG Lu-bo,LI Tian-bin,XU Jin,et al.Experimental study on influence of confining pressure on shale mechanical properties under high temperaturecondition[J].Journal of China Coal Society,2012,37(11):1829-1833.

[13]吴刚,邢爱国,张磊.砂岩高温后的力学特性[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2110-2116.WU Gang,XING Ai-guo,ZHANG Lei.Mechanical charactistics of sandstone after high temperatures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(10):2110-2116.

[14]徐小丽,高峰,高亚楠,等.高温后花岗岩力学性质变化及结构效应研究[J].中国矿业大学学报,2008,37(3):402-406.XU Xiao-li,GAO Feng,GAO Ya-nan,et al.Effect of high temperatures on the mechanical characteristics and crystal structure of granite[J].Journal of China University of Mining and Technology,2008,37(3):402-406.

[15]朱珍德,方荣,朱明礼,等.高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究[J].岩土力学,2007,28(11):2279-2283,2290.ZHU Zhen-de,FANG Rong,ZHU Ming-li,et al.Study of mechanical performance of marble under high pressure and cyclic temperature[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(11):2279-2283,2290.

[16]杜守继,刘华,职洪涛,等.高温后花岗岩力学性能的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(14):2359-2364.DU Shou-ji,LIU Hua,ZHI Hong-tao,et al.Testing study on mechanical properties of post-high-temperature granite[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(14):2359-2364.

[17]万志军,赵阳升,董付科,等.高温及三轴应力下花岗岩体力学特性的实验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):72-77.WAN Zhi-jun,ZHAO Yang-sheng,DONG Fu-ke,et al.Experimental study on mechanical characteristics of granite under high temperatures and triaxial stresses[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1):72-77.

[18]秦本东,罗运军,门玉明,等.高温下石灰岩和砂岩膨胀特性的试验研究[J].岩土力学,2011,32(2):417-422,473.QIN Ben-dong,LUO Yun-jun,MEN Yu-ming,et al.Experimental research on swelling properties of limestone and sandstone at high temperature[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(2):417-422,473.