温度作用后大理岩加-卸荷破裂特性试验研究

李宏国，朱大勇，姚华彦，潘鹏志，周玉新，汪　然（.合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽合肥　0009；.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉007；.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山　000；.合肥市建筑质量安全监督站，安徽合肥　000）



温度作用后大理岩加-卸荷破裂特性试验研究

李宏国1，朱大勇1，姚华彦1，潘鹏志2，周玉新3，汪然4
（1.合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽合肥230009；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000；4.合肥市建筑质量安全监督站，安徽合肥230001）

摘要：文章开展了常温和200℃作用后锦屏大理岩的单轴、常规三轴及三轴卸围压试验，分析了温度作用对大理岩破裂特征及强度的影响规律。研究表明：温度作用对大理岩破坏形式有较大影响，在相同的应力路径下，温度作用后的试件更容易出现张拉破坏特征。单轴试验中，试件均发生剪切和张拉组合破坏，未受温度作用的试件以剪切破坏为主，而温度作用后的试件以张拉破坏为主；在常规三轴试验中，未受温度作用的试件主要是剪切破坏，而温度作用后的试件有单剪、剪切和张拉组合破坏形式；三轴卸围压试验中，未受温度作用的试件有单剪、共轭剪切、剪切和张拉组合破坏等形式，而温度作用后的试件包括单剪、剪切和张拉组合、共轭剪切和张拉组合破坏等形式；常规三轴试验中，温度作用后试件的内摩擦角基本没有变化，而内聚力略有增加；卸围压试验中，温度作用后试件的内摩擦角有所增加，而内聚力则降低；采用Mogi-Coulomb强度准则对温度作用后的大理岩加、卸荷强度的回归效果优于Mohr-Coulomb强度准则。

关键词：岩石力学；温度；常规三轴；卸围压；破坏模式；强度

朱大勇（1965-），男，安徽枞阳人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

Key words：rock mechanics；temperature；triaxial compression；unloading confining pressure；failure mode；strength

0　引　言

温度是影响岩石力学特性的重要因素之一。在放射性核废料地下储存、深部资源开采等领域中，均需考虑高温作用下围岩的稳定性与安全性问题。目前，国内外学者从温度的作用对岩石强度和变形特性［1-5］、破裂过程［6-7］等方面研究了高温下岩石的物理和力学性质，这些成果均为岩石工程的稳定性评价等提供了有益的参考。

但以前的研究主要集中在岩石加载路径下。考虑到实际工程中岩石常常经历卸荷过程，文献［8］研究了高温下岩石的卸荷力学特性。一般情况下，卸荷条件下岩石的强度和变形是研究者主要关注的问题，对温度作用后岩石卸荷破坏形式的研究不够深入，而岩石在卸荷应力路径下的破坏形式也是各类岩石工程的稳定性评价与支护设计的重要依据［9］。为此，本文开展了温度作用后大理岩的单轴、三轴加载和卸围压试验，分析了温度作用后（200℃）大理岩的破裂与强度特征，并探讨了温度对岩石破裂特征的影响机理。

1　试验材料和方法

试件为锦屏大理岩，经鉴定为细晶大理岩，主要成分为方解石（大于99%），粒状变晶结构，块状构造；粒径范围为0.2～1.2 mm，互为镶嵌，紧密分布，菱形解理发育。岩样微观结构图如图1所示。依据岩石力学试验标准，岩样取回后在实验室加工成尺寸约为φ50 mm×100 mm的标准试件。

图1　大理岩微观结构图片

试验分常温和200℃作用2种情况。其中需要加温的试件放置烘箱中，以3℃/min的升温速率加热至200℃，然后在烘箱中保持3 h，冷却至室温后进行试验。

试验仪器采用中国科学院武汉岩土力学研究所的RMT-150C岩石力学试验系统，对大理岩进行单轴、常规三轴和三轴卸围压试验，观察并记录试件加载、卸荷、破坏的全过程，并分析试件不同荷载作用下的破坏特征。

单轴试验以0.002 mm/s（位移控制）的速率加轴压至试件失稳破坏。

常规三轴加载试验方案为：先以0.1 MPa/s的速率施加轴向和围压至预定值，再以0.002 mm/s（位移控制）的速率加轴压至试件失稳破坏。试验中考虑了5、10、15、20、25、30、35、40 MPa等8种围压情况。

三轴卸围压方案为：先以0.1 MPa/s的速率施加围压至预定值；再以0.5 kN/s（载荷控制）的速率加轴压至峰值强度前某值；然后保持轴压恒定的同时慢慢降低围压至试件失稳破坏，围压降低的速率控制在0.05 MPa/s。初始围压考虑了10、15、20、25、30、35、40 MPa等7种情况。

2　试验结果及分析

2.1破坏形式分析

2.1.1常温下的单轴和常规三轴试验

单轴压缩情况下试件发生剪切和张拉组合破坏。既有贯穿整个试件的剪切破裂面，又有平行轴向的劈裂裂纹。并且剪切破裂面的倾角较大，其破坏面起止于试件的上下断面。在试件破裂后不同侧面观察到的裂纹如图2所示。

图2　常温下单轴压缩试件的破坏图

常规三轴试验由于围压的作用，主要是剪切破坏，根据裂纹形式主要有2种情况。

（1）单剪破坏。对于φ50 mm×100 mm的试件，其对角截面倾角［10］为63.43°。为了说明试件剪切破坏的特点，根据剪切面倾角大小分2种情况：小于63.43°的倾角认为是缓倾角；等于或大于63.43°的倾角认为是陡倾角。当然，试件实际破坏时的剪切面通常并非一个平整的平面，本文只考虑其总体的走势。

从常规三轴试验结果看，上述2种情况均存在，具体分析如下：①缓倾角剪切破坏，裂纹面从端面延伸至圆柱体侧面。这是常规三轴试验最主要的破坏形式，大部分试件为该情况，10～40 MPa围压水平下均如此，一些不同围压下典型的常规三轴破裂后的试样照片如图3a所示。②陡倾角剪切破坏，裂纹面起止于圆柱体上下两个端面。这在常规三轴加载试验中出现几率较小，该组试验中有2例，主要在中、低围压情况下出现，围压为5 MPa和15 MPa条件下的破裂情况如图3b所示。

图3　大理岩常规三轴压缩破坏照片

（2）共轭剪切破坏。这种情况较少出现，试验中只有1例出现该类型破坏，如图3c所示，裂纹相互交叉切错方向相反，并且有多条滑移裂纹出现，试验时的围压为25 MPa。

由以上分析可知，由于有围压作用，大理岩常规三轴加载试验均为剪切破坏，破裂的力学机制单一，尽管试验中发现相同围压下不同试件之间的强度值离散性会很大。

2.1.2常温下三轴卸围压试验

相对于常规三轴加载试验，三轴卸围压的破坏形式呈现出多样化，如图4所示。

由图4可看出，单剪破坏分缓倾角剪切破坏和陡倾角剪切破坏2种情况。在所试验的10个试件中有4个试件为缓倾角剪切破坏，且在不同的围压情况下均有出现。陡倾角剪切破坏在卸围压试验条件下出现的概率增大，10个试件中有3个为这种破坏形式。一般出现这种破坏形式时，其破坏时刻的围压在中、低等水平，如试验中最高围压为11.53 MPa。

对于共轭剪切破坏，在三轴卸围压试验中仅出现1例，破坏时的围压为11.75 MPa。

剪切和张拉组合破坏试件时既有剪切裂纹也有张拉裂纹，卸围压试验中出现2例，在中等围压下存在这种形式，破坏时围压分别为13.28 MPa和25.54 MPa。

图4　大理岩三轴卸围压破坏照片

2.1.3200℃作用后单轴和常规三轴试验

200℃作用后的大理岩单轴压缩下，表现出明显的张拉劈裂破坏特征，试件沿轴线有多条纵向裂纹，如图5所示。

由图5可知，与常温下大理岩的单轴压缩破裂相比，温度作用后试件更破碎。

图5　200℃作用后大理岩单轴破坏照片

在常规三轴压缩条件下，其破坏形式主要有：

（1）单剪破坏。与上述常温条件下的常规三轴试验类似，存在单剪缓倾角和单剪陡倾角破坏，按上述倾角大小的标准分类，大部分试件仍归属于缓倾角破坏，部分典型照片如图6a所示。只有1例是单剪陡倾角破坏，如图6b所示。但可以看出，与常温下的常规三轴相比，虽然有一部分试件裂纹面不超过63.43°，但其倾角很大，已经接近这个角度。

（2）剪切和张拉组合破坏。除了有剪切裂纹外，有很多沿轴向的张拉裂纹，如图6c所示。不仅在围压很低的情况下出现，在较高围压（35 MPa）也有类似情况出现，剪切裂纹的倾角均较大，对试件破坏起决定作用的仍为剪切裂纹。和常温试件的试验相比较，在200℃作用后的试件在三轴试验中更趋向于出现张拉破坏。

图6　200℃作用后大理岩常规三轴破坏照片

2.1.4200℃作用后卸围压试验

200℃作用后大理岩在卸围压情况下破坏图如图7所示，主要破坏形式有：

（1）单剪破坏。从试验情况看，这种破坏形式的试件数量在该组试件中的比例有所降低。且大部分试件裂纹面的倾角均较大。在围压较高的情况下，仍然可能发生陡倾角的破坏，破坏时最大围压为20.29 MPa。

（2）剪切和张拉组合破坏。除了有剪切裂纹外，有沿轴向的张拉裂纹。这主要在围压很低的情况下出现，试件破坏时的围压分别为8.71 MPa 和9.36 MPa。

（3）共轭剪切和张拉组合破坏。在卸围压试验中仅出现1例，破坏时的围压为26.50 MPa。对试件失稳破坏起决定作用的应该是两交叉的剪切裂纹，但形成的剪切块体上有纵向的张拉裂纹，试验后的试件更破碎。

图7　温度作用后大理岩卸围压试验破坏照片

2.2强度特征

常温和200℃作用下大理岩加载与卸荷破坏的轴压与围压的关系分别如图8所示。为了真实反映试验情况和岩石试件的性质，图8给出了每个试件的试验结果，尽管这样会造成试验结果回归时相关系数的降低［11］。从图8可以看出，岩石强度的离散性较大。即使是处于相同的围压状态下，强度也有较大差别，这主要与岩石内部存在的各种缺陷有关系［11-12］。

依据Mohr-Coulomb强度准则对试验数据进行回归分析，并计算不同情况下的岩石强度参数。计算的强度参数见表1所列，由表1可看出，常规三轴试验中，温度作用后试件的内摩擦角基本没有变化，而内聚力略有增加，由常温的32.05 MPa增大至35.09 MPa；三轴卸围压试验中，温度作用后试件的内摩擦角有所增加，而内聚力则降低。可以看出，根据Mohr-Coulomb准则回归的相关系数均较低。尤其是在常温条件下，加载和卸围压的试验数据的回归相关系数分别为0.662 5和0.495。

图8　不同温度作用后大理岩破坏围压与轴压关系

其主要原因在于：Mohr-Coulomb强度准则认为岩样破坏是由于其面上的剪切应力τ达到了极限值，该准则不考虑中间主应力的作用，不能全面反映岩土材料的特性。

表1　强度参数试验结果

Mohr-Coulomb对于简单应力状态下的岩土材料强度的描述简单实用，但对于复杂应力状态的情况有局限性。线性的Mogi强度准则，即Mogi-Coulomb强度准则被认为在一些复杂应力状态下比Mohr-Coulomb准则更有优势［13-15］。Mogi-Coulomb强度准则认为岩样破坏是由于其破坏面上的八面体剪应力τoct达到了极限值，这与Mohr-Coulomb准则有着显著的区别。Mogi-Coulomb强度准则将岩样破坏时的八面体剪应力τoct看成最大和最小主应力和的平均的函数，即

其中，a、b均为Mogi线性参数。

在主应力空间中有：

在常规三轴加载和三轴卸围压试验中，有σ2＝σ3，因而。本文尝试运用该准则进行不同情况下的试件强度的回归分析。常温和200℃作用后的大理岩的τoct～（σ1＋σ3）/2关系拟合曲线如图9所示。

图9　不同温度作用后强度拟合曲线

由图9可以看出，Mogi-Coulomb强度准则拟合曲线的相关系数均高于Mohr-Coulomb准则的拟合结果，并且均达到0. 9以上。Mogi-Coulomb强度准则能更准确地描述岩石在不同条件下的屈服。

3　讨　论

3.1破坏形式与强度的关系

影响岩石强度的因素很多。其中组成岩石的矿物成分的分布不均匀、不同矿物成分力学性质的差异是其主要因素之一。

此外，岩石内部还存在各种各样的微裂纹（或缺陷等），岩石的破坏是其内部微裂纹（或缺陷）扩展、搭接、贯通的过程，但由于岩石内部初始微裂纹的几何分布等各种因素的影响，将形成破裂形式的多样性。文献［16］根据单轴试验结果提出岩石的极限抗压强度是其破坏形式的函数，不同的破坏形式将会影响岩石的强度。

破坏形式的差异反映了破坏机制的差别，也导致强度准则适用性不一致。从以上破坏形式的分析可知，温度作用后对岩石破裂形式会产生一些影响。由以上分析可知，200℃作用后大理岩变脆，又由于在卸围压的过程中更加剧了试样侧向的变形，因而，温度作用以及卸荷应力状态使试件更趋向于发生张拉破坏，即使发生剪切破坏的情况，其破裂角也变大。对于比较单一的剪切破坏形式，Mohr-Coulomb准则能够较好地描述其强度，并预测其破坏方位；但对于较复杂的破坏形式，如剪切和张拉组合破坏等，该准则就存在一定的局限性。结合以上破坏形式的总结分析可得，采用Mogi-Coulomb强度准则对大理岩强度进行回归分析比Mohr-Coulomb准则更合理。

3.2温度对大理岩破坏特征的影响机理

温度对岩石的作用主要在于对其内部结构的影响。本文的高温只有200℃，在这个范围内，温度对大理岩的力学强度的影响并不是非常显著［4］。此时，温度对岩石主要有2个方面的影响：①岩石矿物中的结合水蒸发，导致矿物结合强度更高；②不同热膨胀率引起岩石内部颗粒边界的热膨胀不协调，因结构热应力在岩石内部产生微裂隙［8］，或者因为温度作用导致岩石内部初始的微裂隙的宽度增加［17］。

对于脆性岩石而言，岩石破坏过程就是其内部裂隙的扩展和贯通的演化过程。在应力作用下，这些裂隙（或孔洞）端部容易形成拉应力集中区，产生张拉裂纹［18］，其扩展方向一般沿着最大主应力方向，如图10所示。

图10　岩石内部裂纹扩展图

由于温度引起的岩石内部裂隙（孔洞）增多或裂隙长度（孔洞直径）增加，均使裂隙（孔洞）处容易产生应力集中。因而，温度作用后的大理岩更容易产生张拉裂纹。另一方面，卸围压作用下，由于侧向压力减小，试件容易产生侧向扩容变形，也更有利于形成轴向的张拉裂纹。

4　结　论

（1）200℃作用后大理岩的破裂形式会发生变化，主要表现在：在相同的应力路径下，温度作用后的试件更容易出现张拉破坏特征。单轴试验中，试件是剪切和张拉组合破坏，未受温度作用试件以剪切破坏为主，而温度作用后的试件以张拉破坏为主，在常规三轴试验中，未受温度作用的试件主要是剪切破坏，包括单剪和共轭剪切，而温度作用后的试件包括单剪、剪切和张拉组合破坏形式。三轴卸围压试验中，未受温度作用的试件包括单剪、共轭剪切、剪切和张拉组合破坏，而温度作用后的试件包括单剪、剪切和张拉组合、共轭剪切于张拉组合破坏等形式。

（2）常规三轴试验中，温度作用后试件的内摩擦角基本没有变化，而内聚力略有增加；三轴卸围压试验中，温度作用后试件的内摩擦角有所增加，而内聚力则降低。未受温度作用的试件，三轴卸围压相对于常规三轴试验，内聚力增加，内摩擦角降低，而在温度作用后，则规律相反。

（3）由于岩石本身的非均质性，以及温度、应力路径的差异等，造成岩石破坏形式比较复杂，强度离散性较大。Mohr-Coulomb准则对于具有复杂破坏形式的岩石强度的描述存在局限性。用Mogi-Coulomb强度准则对温度作用后的大理岩加、卸荷强度进行回归分析比Mohr-Coulomb准则更合理。

（4）温度作用后岩石内部裂隙（孔隙）等细微观结构的变化，是其破裂形式发生变化的原因。

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（责任编辑闫杏丽）

Loading and unloading test on fracture characteristics of marble after heating

LI Hong-guo1，ZHU Da-yong1，YAO Hua-yan1，PAN Peng-zhi2，ZHOU Yu-xin3，WANG Ran4
（1.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China；3.State Key Laboratory of Metal Mine Safety and Health，Ma’anshan 243000，China；4.Hefei Construction Quality Supervision Station，Hefei 230001，China）

Abstract：To investigate the influence of temperature on fracture characteristics and strength of marble in Jinping，the uniaxial and triaxial compression，and unloading confining pressure tests on marble samples under natural state and heated at 200℃were carried out.The results show that the thermal treatment has great influence on the failure forms of marble samples.The samples heated at high temperature tend to fail in tension.In uniaxial compression tests，the specimens fail in tension-shear，shear failure is predominant for the natural sample，and tensile failure predominant for the heated sample.In triaxial compression tests，the natural samples fail in shear，but the heated samples fail in simple shear or tension-shear.In unloading confining pressure tests，the natural samples fail in simple shear，conjugate shear and tension-shear，but the heated samples fail in simple shear，tension-shear，and coupling of conjugate shear and tension.For the heated specimens，the inner friction angle is unchanged and cohesion increases slightly in the triaxial compression tests；on the contrary，the inner friction angle increases slightly and cohesion is reduced in unloading confining pressure tests.It is more reasonable for using Mogi-Coulomb failure criterion to analyze loading and unloading strength of the marble samples under natural or heated condition than Mohr-Coulomb criterion.

作者简介：李宏国（1975-），男，河南商城人，博士生，合肥工业大学讲师；

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51179043）；金属矿山安全与健康国家重点实验室开放课题基金资助项目（ZDSYS001）

收稿日期：2014-12-16；修回日期：2015-05-05

Doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.021

中图分类号：TU45

文献标识码：A

文章编号：1003-5060（2016）01-0109-07