温度作用下岩石力学行为研究的现状

张传虎 徐小丽，2 张 燕 王小平

(1.南通大学建筑工程学院，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，徐州221008)

1 引言

人类工程建设已经无法满足于地表或者浅基础，包括能源的开采也已随着浅层资源的逐渐减少甚至枯竭而不断增大开采深度，随之而来的一系列工程灾害如岩爆、瓦斯爆炸、岩顶坍塌也日益严重。另外，随着核能源的发展，核电站越来越多，其在运行过程中产生的核废料的处理问题日益严峻。目前，国内外对核废料的处理主要采用深层地质处理的方法，采用此种方法处理核废料的过程中，由于核废料衰变产生的热量会导致储存库围岩温度不断升高，要解决核废料的安全与稳定问题，就必须对温度作用下岩石的物理力学性能进行研究。本文主要从温度作用下岩石的物理特性、力学特性、损伤以及本构理论等方面进行阐述。

2 温度作用下岩石物理特性的研究现状

2.1 温度对岩石热导率的影响

岩石热导率表示岩石导热能力的大小，即沿热流传递的方向单位长度(L)上温度(θ)降低一度时，单位时间(T)内通过单位面积(S)的热量(Q)。随着全球新能源开发的不断深入，地热作为一种清洁的可再生能源，已逐渐成为全球很多国家的选择，为更好地对地热进行开发和利用，岩石热导率的研究势在必行。赵永信等人[1-8]指出岩石的热能传输基本依靠晶格震动，随着温度的升高，晶格振动幅度增大，造成更大的非谐震荡减小了热波的平均自由路程，岩石的热导率由此降低，研究成果如表1和图1所示。

表1 温度与岩石热导率K(W/m.k)的关系

由表1和图1可以看出实验结果与结论一致，即岩石热导率随温度升高而逐渐降低。但是，我们还发现，实验数据也有一定的起伏，这可能是由其他因素如岩石的结构、形成条件、含水率等因素的影响有关，各方面因素对岩石热导率的影响以及各因素之间的相互影响还有待进一步研究。

图1 温度与岩石热导率的关系

热导率作为岩石最重要的热物性参数，对煤、石油、地热等地下资源的开发与利用有着非常重要的研究价值。影响岩石热导率的因素很多，除本文谈到的温度之外，还包括岩石的组分、结构紧密度、孔隙填充度等。现有的岩石热导率的研究还不足以满足人类地下工程建设及地下资源开发的要求，还有很多工作等待着国内外学者去完成。

2.2 温度对岩石弹性波速的影响

温度对岩石弹性波速的研究，至今已有半个多世纪的时间了，越来越多的学者参与其中。刘斌等人[9-10]重点研究了岩石波速各向异性及其与温度的关系，发现大多数岩石的波速各向异性随着温度的升高而增加，同时他们也提出，这个结论并不是绝对的，通过进一步研究发现，对于不同的岩石，波速各向异性所受温度的影响有所不同，这还与岩石的组构和矿物成分及其含量有关。

此外，刘永祥等人[11]1997年研究了橄榄石、斜长石和花岗岩在高温高压下的波速特征，并制作了压力-温度-速度等值线图，得出了岩石波速与这三者的关系，发现岩石波速不仅受到温度和压力的影响，不同大地构造环境对岩石波速的影响也很明显。马麦宁等人[12]2002年在对青藏高原地壳岩石弹性波速特征的研究时，通过对六种不同地壳岩石进行高温高压纵波波速测量时也发现，在压力相同时，绝大多数的地壳岩石的纵波波速随着温度的升高而降低，而不同的岩石波速降低的速率也快慢不同。

几十年来，我国在高温高压实验波速研究领域经历了从无到有，迅速发展的过程，取得了可喜的成绩，然而，一直以来在此领域的研究大多局限于岩石纵波，不仅如此，在实验的温压条件以及仪器设备精密度等方面与国外相比仍存在较大差距。

3 温度对岩石力学特性的研究现状

影响岩石力学性质的因素很多，包括温度、围压、孔隙、含水率等等。如今，随着高温环境下的岩石工程问题的突出，温度对岩石力学性质影响的研究成为研究的重要方向。

3.1 高温作用下岩石力学性质的变化规律

以刘泉声，许锡昌为代表的国内学者[13-17]近年来研究并总结了温度作用下岩石力学性质的变化规律，其中，以岩石弹性模量，单轴抗压强度及泊松比随温度变化的研究最为突出。研究成果如表2、表3，图2～4所示。

由表2、图2和图3可见，花岗岩的抗压强度和弹性模量变化规律相似，温度从室温(25℃)升高到100℃的过程中，抗压强度由191.90MPa降至110.10MPa，弹性模量也由 38.37GPa 降至 10.95GPa，分别有42.6%和71.5%的降幅，变化非常明显。随着温度继续升高，抗压强度和弹性模量连续变化，大体呈降低趋势。

自研究温度对岩石泊松比的影响问题至今，不同学者也有不同观点，大致有两种倾向，一是认为岩石泊松比与温度无关，另一种则认为岩石泊松比与温度有关，泊松比随温度升高而减小。然而，由表3和图4中的实验数据可以发现，花岗岩泊松比随着温度的升高，虽然会出现上下波动，但总体还是呈现增大趋势，这可能与岩石微观裂隙[18]有关，由于岩石裂隙发育程度越高泊松比越大，而裂隙发育程度又随着温度的升高而增强，从而间接影响到岩石的泊松比。

表2 实时高温作用下花岗岩的抗压强度和弹性模量

图2 温度与花岗岩抗压强度的关系

图3 温度与花岗岩弹性模量的关系

表3 不同温度下泊松比

图4 温度与花岗岩泊松比的关系

对于温度对岩石泊松比的影响，多年来，研究结果存在较大分歧，究竟是由什么原因造成此种现象的发生，还没有一个具有足够说服力的结论，但是，通过对岩石力学研究方法和结论的对比和总结，我们可以发现，无论是研究温度、围压还是其他外部因素对岩石物理力学特性的影响，都会涉及到这些因素对岩石微观组构影响的研究，这也许可以为岩石泊松比的研究提供一定的思路。

3.2 高温作用后岩石力学性质的变化规律

吴刚等[19-21]研究了高温下及高温后大理岩的力学性质，得出结论:高温下的大理岩的峰值应力及峰值应变高于高温后，而弹性模量低于高温后。研究成果如图5～7所示。

图5 温度与大理岩峰值应力的关系

邢爱国等人[22]在对焦作砂岩在常温及经历100℃-1200℃温度作用后的力学特性进行实验研究是发现，温度低于400℃时，砂岩的力学性能变化不大，随着温度的升高，砂岩的某些力学性能会有一定的增强;一旦温度超过400℃，砂岩的力学性能就会随着温度的升高而发生劣化，如图8所示。不仅如此，经历高温后，砂岩的表观形态也会发生变化，如表4所示。

图6 温度与大理岩弹性模量的关系

图7 温度与大理岩峰值应变的关系

图8 温度与砂岩单轴抗压强度的关系

高峰等人[14，23]在进行温度对花岗岩影响的研究时，也进行了高温前和高温后岩石力学性质的不同表现展开了讨论，通过利用日本理学D/Max 3B型X射线和晶体学理论对高温后岩石的物相特征进行分析时发现，经高温处理后的岩石，结晶状态变差，结构发生化学反应，得出了岩石组份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的结论。

随着科学技术的发展，先进的观测手段与高温高压实验相结合已经成为岩石力学研究的主要趋势，也促进了实验结果在实际工程中的应用的实现。就目前情况而言，虽然我国高温高压实验研究已经取得了较好的发展，也有了较高的发展平台，但是，在实验理论和实验技术等方面较之国际水平还有很大差距，实验结果很难得到国外的认可。

表4 经历不同温度后焦作砂岩的表现形态

4 岩石损伤理论及本构模型的研究现状

自从岩石形成以来，历经漫长的地质历史变迁，经受了数次构造运动，造就了岩石的结构特征和力学特性的复杂性，岩石损伤理论的研究着眼于岩石内部存在的缺陷，力求寻找这些缺陷的形成、发展及回合的过程，进而解决因为这些缺陷给人类工程带来的各种问题。刘石等人[24]通过单轴试验的方法，研究了以大理石为代表的岩石经历不同温度(25-1000℃)后的损伤特性随温度的变化规律，并引入损伤因子D的概念，用以描述温度对岩石内部损伤特性的影响。

其中:VPT表示大理岩试样经过温度T作用后的纵波的波速，VP表示大理岩25℃时纵波的波速。

岩石损伤的描述以及演化规律，主要是通过损伤变量进行体现，而损伤的力学行为则需通过损伤变量和本构方程来表现。1993年，何文生等人[25]根据岩石材料破坏特性，首次提出采用两个损伤变量来描述各向同性材料的损伤变化规律，这比用单个损伤变量描述更符合实际，并提出用内时标度衡量损伤变量变化规律关链;曹文贵等人[26]在2006年1月针对前人几何损伤统计理论的不足，对岩石损伤定义进行了该进并建立了反映不同围压条件下的岩石损伤统计本构模型。2011年，徐燕萍等人[27]提出宏观的损伤变量和塑性变形是同时出现的假设，在只引入塑性变形的屈服准则而不引入损伤准则的情况下也推导出了处于塑性损伤状态下的热力耦合本构方程;高玮等人[28]于2011年采用最小耗能原理，以应变等效原理为前提，提出一种从能量角度进行描述的岩石损伤演变模型。

很多年以来，不少学者都做了这方面的实验与研究，并建立了相应的本构方程。

5 结语

如今，国内外学者对岩石的研究已经越来越深入，但是温度对岩石物理力学性质的影响的研究仍处于不成熟阶段，很多岩石工程问题尚未从理论或实验上得到真正解决，还需更多的研究来推进岩石力学的发展。

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