热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展

吴星辉，李 鹏，郭奇峰，蔡美峰✉，任奋华，张 杰

1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 城市与地下空间工程北京市重点实验室（北京科技大学），北京 100083

资源和能源是国民经济发展的两个重要支柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至关重要. 随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采必须向地球深部进军[1]. 习近平总书记在全国科技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的需求.

近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、深部资源开采等深部工程日渐兴盛. 俄罗斯科拉超深钻孔深度为12262 m，库页岛的Odoptu-11油井深度为12345 m（世界最深）. 中国锦屏地下实验室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达2400 m，是目前世界岩石覆盖最深的实验室. 中国甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为560 m左右的高放废物处置地下实验室. 目前，开采深度最大的矿山在南非，开采深度已达4350 m，已探明矿体延到6000 m以下. 我国三分之一以上的地下金属矿山未来十年内开采深度将超过1000 m，最大的开采深度可达到2000～3000 m. 超深井钻探过程中需要用冷水对钻头进行降温处理；地下储气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气库进行低温处理；核废料具有高放射性，释放的热量会使岩体温度升高；深部矿山开采过程中通常采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石内部在此过程中会产生一定的热应力. 美国加利福尼亚理工学院[2]通过对加利福尼亚Brawley和Coso地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱发地震活动的影响. 结果发现，在地热开采过程中，冷流体注入高温储层形成热应力，对诱发微地震活动有促进作用. 深部地下空间建设过程中都涉及到温度的变化，岩石的热力学行为成为国内学者研究的热点.

岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时，岩石处于收缩状态且产生拉应力. 岩石拉应力过大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹. 裂纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石自身的强度和性质. 在超深钻探时可以利用岩石的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造成井壁塌孔和破裂. 此外，在地热开发过程中，将循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率. 同时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采.

本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使其能够安全高效运行.

1 高温岩石物理力学特性试验研究

深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通的演化进程. 国内外的众多学者开展了一系列的岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度变化的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身强度时则形成微裂纹造成损伤的研究.

1.1 岩石热损伤物理特性变化

在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的精力来研究高温对岩石性质的影响. 早在1979年，Bauer和Johnson[3]开展了高温作用下的花岗岩物理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度对两种花岗岩物理特性的影响. Trice和Warren[4]对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关系. 张卫强[5]开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处理温度的升高而孔隙度增大，如图1所示，孔隙度先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石热损伤温度阈值. 而Zhang等[6]发现高温处理后的Carrara大理岩渗透率在327～427 ℃之间显著增大，但是连通性轻微减弱，认为在327～427 ℃之间存在一个温度阈值.

图1 岩石孔隙度随温度的变化特征[5]. （a）灰岩；（b）砂岩；（c）花岗岩Fig.1 Variation characteristics of rock porosity with temperature[5]: (a) limestone; (b) sandstone; (c) granite

岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化. 靳佩桦等[7]开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增加后急剧增加. 在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协调导致岩石热破裂；在急剧冷却阶段，花岗岩再次受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产生，从而使花岗岩的渗透性再次增加.

1996年，赵志丹等[8]开展高温高压作用后的花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存在波速降低现象，并对该现象进行了分析. 他认为产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生，而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩石部分熔融. 而在1998年，席道瑛等[9]选择大理岩、花岗岩和砂岩进行高温（60～600 ℃）试验，高温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系数和孔隙度的增大. 胡建军[10]不仅发现100～500 ℃之间的灰岩，波速随温度升高逐渐下降，而且发现波速下降与加热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化率增大. 此外，在循环次数相同情况下，随着处理温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图2所示.

图2 高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化（a），以及随循环次数的变化（b）[10]Fig.2 Changes in the P-wave velocity with (a) temperature and (b) cycle time of limestone after high-temperature heat treatment[10]

除了对岩石热损伤后的渗透率和波速随温度变化特性研究以外，Aurangzeb等[11]开展岩石热损伤理论研究，提出不同温度作用下的岩石导热系数、比热容和热扩散系数预测模型，然后通过瞬态平面热源法对灰岩进行导热系数、比热容和热扩散系数测试，结果表明预测模型与实测数据基本符合，误差在8%以内. 同时，由于持续的热荷载，围岩体热交换界面可能会产生热损伤，这样会降低围岩的导热系数. 因此，弄清楚高温下围岩体的导热系数对于设计高放废物处置库至关重要.

国内外学者普遍认为，对于深部地下岩石热损伤问题，主要是由微裂纹的生长造成的，这进一步导致岩石在宏观尺度上的物理性质的退化. 综合分析以上试验结果，可以看出岩石热损伤后形成的微裂纹是如何改变岩石质量、体积、孔隙率、渗透率和纵波波速的，这些研究为热损伤岩石的物理特性演化提供了有意义的结论.

1.2 岩石热损伤力学特性变化

1970年以来，国内外学者通过理论和试验的方法研究了岩石热损伤对岩石自身力学性质的影响. 目前已有一些学者在此方面取得了一定成果.温度变化主要通过对岩石弹性模量、泊松比和抗压强度的影响来改变岩石的力学性质方面. 热损伤的温度阈值不仅体现在岩石物理特性方面，温度阈值同样存在于其他力学参数，张静华等[12]通过花岗岩断裂试验和单轴压缩试验，发现断裂韧度在随温度升高过程中存在门槛温度200 ℃. 张连英等[13]开展室温到800 ℃的石灰岩基本力学参数试验，发现弹性模量和峰值应力在600 ℃时会快速下降，认为600 ℃是灰岩力学参数的温度阈值，如图3所示.

图3 石灰岩弹性模量和峰值应力随温度变化[13]Fig.3 Variation of the elastic modulus and peak stress of limestone with temperature[13]

随着试验设备的革新，关于热损伤对岩石力学特性影响的研究，国内外学者根据加热方式的不同又分为实时高温和高温作用后的岩石力学性质研究. Oda[14]采用实时加热方式，研究了不同温度作用下岩石的杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度、单轴抗拉强度和断裂韧性等力学性质，并对力学参数随温度变化规律进行分析，揭示岩石热损伤破坏机理. 许锡昌[15]同样采用实时加热的方式，对三峡花岗岩力学参数进行测试，测试结果显示花岗岩弹性模量和单轴抗压强度随温度(20～600 ℃)的增加而减小，并且在75 ℃和200 ℃发生大幅度变化，认为75 ℃和200 ℃为岩石试样的温度阈值. Yang等[16]开展了室温～800 ℃高温处理的砂岩物理力学特性研究，结果表明砂岩的温度阈值在400～500 ℃. 而砂岩在300 ℃时峰值强度和弹性模量最大，泊松比随温度升高的变化曲线在600 ℃时出现转折，呈现先降低后增加的趋势. 苏承东等[17-18]分别对高温作用（100～900 ℃）后粗砂岩和细砂岩进行力学特性测试，结果表明对于粗砂岩来讲，500 ℃为拐点，会出现力学参数的突变，在细砂岩力学实验研究中，600 ℃为细砂岩力学性能改变的阈值温度. 力学参数是从宏观角度表征岩石破裂情况，而声发射监测以岩石破裂事件数为依据进行统计，二者相辅相成. 武晋文等[19]在力学试验的同时采用声发射设备进行岩石破坏过程监测，通过声发射数据发现330 ℃是花岗岩热破裂性质转变的温度阈值，依据声发射得出的温度阈值要低于力学参数拐点处温度阈值. 花岗岩的失稳形式受温度的影响，通过对高温花岗岩单轴压缩试验得出：温度较低时岩石试样突变失稳，温度较高时岩石失稳存在一个渐进过程. 岩石赋存深度不同，受到的围岩影响也不尽相同，Kumari等[20]开展高温、高压共同作用下的花岗岩力学特性测试，二者对岩石力学性质均有影响，并且围压对岩石力学性质的影响要大于温度影响. 万志军等[21]开展了花岗岩在高温三轴应力下的变形和破坏特征研究，通过试验发现花岗岩在高温高压下的变形分为低温缓慢变形段、中高温快速变形段和高温平缓变形段. 在高温条件下，破坏形式为典型的剪切破坏；而在高温和高压条件下，破坏形式向延性转化，如图4所示. 高温高压条件下，砂岩在围压为20 MPa、温度为400 ℃时杨氏模量和峰值强度变化特征存在拐点，超过该点杨氏模量和峰值强度会降低[22].

图4 花岗岩破坏特征（600 ℃）[22]. （a）全貌；（b）局部Fig.4 Failure features of the granite sample subjected to a temperature of 600 ℃[22]: (a) whole; (b) part

此外，表1总结了前人在不同冷却方式下高温花岗岩力学性质变化的研究，综述了冷却方式不同导致花岗岩力学参数变化规律不同. 韩观胜等[23]采用自然冷却和遇水冷却的高温砂岩进行物理力学性质试验，通过试验结果对比，发现采用遇水冷却方式的岩石试样应力-应变曲线的压密阶段缩短，峰值应变减小，岩石由脆性向塑性转变. 随着处理温度升高，试样单轴抗压强度和弹性模量先降低后增大. 喻勇等[24]以不同温度遇水冷却后的花岗岩为研究对象，进行了压入硬度试验、摩擦磨损试验和室内微钻试验，结果表明高温后快速冷却可以提高花岗岩的可钻性. Zhang等[25]通过对加热和快速冷却处理后的花岗岩样品进行超声波脉冲速度试验、三轴压缩试验，结果表明，热处理使花岗岩的物理力学性能明显恶化，快速冷却导致试样产生大量的微裂纹，致使矿物颗粒强度减弱. 朱振南等[26]采用遇水冷却后的高温花岗岩为研究对象，结合力学试验和SEM电镜观察，发现单轴抗压强度和弹性模量随温度升高而减小，岩石在温度超过300 ℃时表现出明显的塑性，同时出现宏观微裂纹萌发、扩展和贯通现象. 郤保平等[27]利用自制热冲击破裂试验台（图5）开展了不同高温状态花岗岩进行遇水冷却后的力学特性研究，结果表明遇水冷却会导致岩石内部发生热破裂或者热冲击现象，剧烈的热冲击导致岩石力学性能出现劣化，波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量随热处理温度的升高逐渐减小.

表1 高温作用下岩石力学参数变化规律汇总表[28]Table 1 Summary of changes in the mechanical parameters of the rock subjected to high temperature[28]

图5 岩石热冲击破裂试验台[27]Fig.5 Rock thermal shock test bench[27]

基于上述试验研究，充分体现了温度荷载对岩石宏观力学特性的重要影响. 随着温度的升高，岩石中矿物颗粒会发生一系列的脱水、相变以及膨胀变形的变化，不协调的膨胀变形在矿物颗粒之间形成热应力，热应力具有非线性演化特征. 通过对热力耦合作用下的岩体力学特性演化规律研究，以期揭示热损伤岩石的变形破坏机理，对温度作用下的地下深部岩体工程围岩强度及稳定分析具有重要意义.

2 岩石热破裂微观机理研究

国内外学者通过宏观试验手段对高温下/后岩石的物理力学性质开展了大量研究. 在微观结构方面，主要是使用显微电子计算机断层扫描技术(CT)、扫描电子显微镜(SEM)、光学电子显微镜和核磁共振成像分析仪（NMR）等设备对岩石微裂纹演化进行研究.

早在20世纪60年代，Bieniawski[41]已经系统地论述了岩石脆性破裂的机制，之后又有许多相关学者以揭示岩石破裂由微观到宏观的发展过程为目的做了大量的实验和理论研究工作，使关于岩石力学方面的研究趋势逐渐由宏观向微观、由定性描述向定量分析转变. 在发展过程中，Hallbaucr等[42]把作用过不同的应力水平的岩石试件制成薄片，通过光学显微镜进行观察，得出岩石微裂纹随应力水平的增大先随机分散分布而后在窄带集中分布，最后贯通形成宏观断裂带的结论.

随后，扫描电镜（SEM）设备被引入岩石热损伤的研究，通过扫描电镜对热损伤岩石表面进行观察，对比分析不同温度作用下热破裂程度，国内外学者借助扫描电镜试验研究陆续发表了多项岩石微破裂方面的成果. 谢卫红等[43]通过高温疲劳试验机与扫描电镜相结合的方法对石灰岩的热损伤机制进行研究，研究发现：500 ℃为拐点，超过拐点后由于岩石内部结构发生变化导致岩石力学强度大幅度减小. 通过岩石力学演化特征，建立岩石裂纹生长模型，姜崇喜和谢强[44]在大理岩试样进行单轴压缩的过程中利用扫描电镜（SEM）对试样细观变形和强度特性进行实时、动态的观察，监测了岩石试样细观结构对裂纹起裂和发育过程的影响情况，描述了试样细观破坏过程与宏观力学特性的响应关系. 岩石微结构中的矿物成分和不同成分的排列组合情况都会对岩石宏观特性造成影响. 尚嘉兰等[45]以香港花岗岩为研究对象，利用电子显微镜观察岩石微结构及晶胞的排列组合，研究结果表明：微裂纹的形成、扩展、发育以及贯通成宏观裂纹的每一步都受到岩石微结构的影响. Wu和Thomsen[46]通过对比Westerly花岗岩在单轴压缩蠕变实验中的微破裂事件累积数和偏光显微镜下的微裂纹数，发现在后者观察到的裂纹比前者微破裂事件数要少. 姜广辉[47]采用多种试验手段，获得不同类型岩石物理性质随温度变化规律，并结合扫描电镜直观观测结果（图6），综合全面地分析岩石受热后微观结构的演化规律，发现岩石受热处理后颗粒粒径会明显减小，且分布更加集中.

图6 彭水页岩微观结构图[47]. （a）50 ℃；（b）500 ℃Fig.6 SEM photographs of Pengshui shale[47]: (a) 50 ℃；(b) 500 ℃

矿物颗粒之间的晶间裂纹和矿物相变同样影响着岩石微观结构，进而对岩石物理力学特征造成影响. 吴晓东等[48]借助扫描电镜观察岩石矿物颗粒晶间裂纹在不同温度下的发育程度，认为600 ℃时晶间裂缝发育明显，800 ℃时晶内裂缝和穿晶裂缝形成了交叉裂缝网络.

岩石受到热损伤的宏观表现为微裂纹萌生以及发育的过程，有研究通过试验分析微裂纹在不同温度下的发育程度判别岩石受到损伤程度. 左建平等[49]借助SEM研究温度-拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌. 研究发现：随着温度的升高，砂岩的断裂机制由局部脆性为主向局部脆性和局部延性混合断裂机制转变，如图7所示. 偏光显微技术在研究不同温度作用下的微观结构方面发挥了重要作用，从机理上揭示了宏观岩石力学参量的变化特征. 为了探究岩石结构热应力的成因，借助光学显微镜观测不同温度作用下的两种石英岩微观结构. 石英岩中矿物非均质性会引起结构热应力，从而导致岩石强度降低. 赵亚永等[50]采用偏光显微镜、扫描电子显微镜和热分析仪等方法研究了鹤壁砂岩在1200 ℃内不同温度段的微观结构变化，研究结果发现：在不同温度阶段微裂纹表现形式不同，随着温度的增加裂纹数量相应增加.

图7 高温疲劳作用下的砂岩断口图[49]. （a）150 ℃；（b）200 ℃；（c）200℃；（d）300 ℃Fig.7 Fracturing of sandstone under high temperature fatigue[49]: (a) 150℃; (b) 200 ℃; (c) 200 ℃；(d) 300 ℃

此外，还有学者通过扫描X射线衍射（XRD）、压汞法（MIP）和电子显微镜（SEM）等试验方法讨论了温度对岩石物相、微孔分布和断口形貌的影响[51-53]. 在热应力的作用下微裂纹的类型受矿物的颗粒类型、粒径大小、排列方式、胶结类型的影响. 大多数研究通过建立热裂纹的生长损伤模型，分析岩石热损伤变形的破坏机制，揭示岩石宏观物理力学特性演化规律. 随着核磁成像技术、偏光显微镜等辅助设备的运用，结合数理统计的方法，运用新的力学理论可对热损伤岩石微观结构破坏机理进行更深层次的研究.

3 岩石热力耦合损伤模型研究

在深部地下岩土工程中，遇到的大多数是多场耦合的复杂问题，尤其需要研究温度场和应力场的耦合作用. 通过分析热损伤岩石力学特性演化规律，定义一种合适的方法来描述响应岩石损伤的应力应变关系，对于地下深部岩石工程的设计和安全评估具有重要意义. 常规热力耦合模型没有考虑岩石延性对热应力的影响，这主要是因为常规理论假设导热系数、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、抗压/抗拉强度、孔隙度和渗透率都是常数，不随温度升高而改变. 图8反映了热力耦合过程中热物理参数随温度变化的相互作用[54]. 在研究岩石的变形、强度以及损伤等力学性质时，除了可以从试验角度对其进行规律性的探索外，更重要的是能够从理论角度建立热力耦合损伤模型. 自1986年损伤力学被应用到岩石材料的损伤分析中以来，岩石损伤耦合模型的建立得到了快速发展.

图8 岩石热力耦合损伤过程[54]Fig.8 Process of rock damage under thermomechanical coupling[54]

在2000年，许锡昌和刘泉声[55]开展了花岗岩（20～600 ℃）的主要力学参数变化研究，得到花岗岩单轴抗压强度和泊松比随温度变化的拟合公式. 刘泉声和许锡昌[56]通过引入热损伤的概念，建立了热损伤随温度变化的演化方程，见式（1）和（2），并得到用损伤表示的弹性模量演化公式，见式（3）. 姚梦迪[57]以三类岩石的室内力学试验数据为依据，从声发射的角度进行定义并且考虑裂纹闭合效应建立了损伤耦合模型，见式（4）.

式中，D（T）为不同温度作用下的热损伤，ET不同温度作用下的岩石试样弹性模量，E0为室温下岩石试样的弹性模量，b0、b1和b2为材料参数. ε1为轴向应变，σ1为轴向偏应力，E为岩石试样的弹性模量，N、Nm分别为该应力状态和整个压缩过程中的声发射累积振铃计数，Vm、n和γ为拟合参数，ε0为闭合应力所对应的的横坐标值，εcc为弹性阶段反向延长线与横坐标的交点横坐标.

朱广元等[58]为了研究核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性，以花岗岩为研究对象进行20～300 ℃的单轴抗压蠕变试验，在整个蠕变损伤过程中温度起到了加速作用. 以西原模型为基础，引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量，建立了考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构模型关系式，见式（5）.

式中，ε和σ分别为岩石轴向应变和轴向应力，σs为岩石屈服应力，DT、Dc为瞬时热损伤变量、蠕变损伤变量，E1、E2为西原模型中元件1和元件2的弹性模量，t为蠕变损伤破坏时间，η为牛顿黏性系数.

岩石可视为典型的双重孔隙介质，包含“固体”空间（即矿物基质）和“空隙”空间（裂缝和孔隙组），具有一定的非均匀性. 唐世斌等[59]在原有岩石热力耦合损伤模型基础上，提出充分考虑岩石的非均匀性，建立了热力耦合模型，见式（6）.

式中，λ为拉梅常数，G为剪切模量，β为热应力系数，ΔT为温度变化量，σij和 εij为外荷载引起的应力和应变项，εkk为材料本身的应变，σcr为剪切损伤残余强度，εco为压应变的弹性极限，E0为室温下岩石试样的弹性模量，δij为Kronecker 函数.

谢卫红等[60]采用连续损伤力学的方法，研究岩石在温度发生变化时的热损伤问题，基于能量的理论建立了岩石热损伤破坏准则. 徐小丽[61]在西原体模型基础上，考虑了温度对岩石弹性、黏性和损伤的综合影响，建立了岩石热损伤粘弹塑性本构方程式. 张志镇等[62]通过对花岗岩进行实时高温加载和高温冷却后加载的单轴压缩试验，对岩石物理力学特性随温度的演化规律进行探究，首先提出了热-力耦合因子的概念，并建立了一维非线性耦合模型.

针对硬岩的热损伤研究，高美奔[63]开展了热力耦合作用下的硬岩力学试验研究，假设微元体强度服从Weibull分布，引入Drucker-Prager准则作为岩石微元体破坏判据，建立了硬岩热损伤演化方程. 李宏国等[64]开展不同温度作用下的大理岩单轴和常规三轴试验，认为Mogi-Coulomb强度准则能更好的判断高温作用后的大理岩破坏强度. 李天斌等[65]基于现有的岩石劣化耦合模型，引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager屈服准则和残余强度修正系数，建立了考虑岩石起裂应力的损伤耦合模型. 通过对硬脆性云母花岗岩进行力学试验结果分析，验证了损伤耦合模型.

在岩土工程中，岩石是由多种矿物成分组成的含有微裂隙和微孔隙的天然材料. 岩石内部的宏观裂纹在温度作用下对整个岩石失稳起着重要的作用. 为研究含缺陷岩石的热损伤问题，以含缺陷岩石为研究对象，首先利用理论公式推导出缺陷花岗岩发生热破裂时的临界应力，分析热弹性比能在岩石热损伤过程中的演化方程. 这些模型解释了高温作用后岩石损伤的试验现象，但都假设岩石的弹性模量和强度服从热膨胀的损伤规律，而岩石在受到温度冲击作用时更容易发生热破裂现象. 目前无论是力学模型还是数值模型都没有很好地解释高温岩石在温度冲击过程中峰值应变和峰值强度的非比例变化机制.

4 岩石热损伤数值模拟研究

针对岩石热损伤问题的探讨，数值分析方法具有较广泛的适用性，能够模拟岩体的复杂力学与结构特性，并对工程围岩进行应力、位移的监测，成为解决岩石热损伤问题的有效工具之一. 目前岩石力学数值分析方法主要分为三大类：基于连续介质力学的方法，基于非连续介质力学的方法和基于连续、非连续介质力学共性的方法. 连续介质力学方法主要为：有限元方法、边界元方法、有限差分法和加权余量法等. 非连续介质方法主要为：离散单元法、刚体元法和不连续变形分析法等. 连续、非连续力学共性方法主要为：流形法[66].

对于岩石热损伤问题，要考虑岩石的非线性问题以及热应力作用下各种矿物介质分界面、不连续面及其微裂纹扩展过程和围岩体温度场变化过程，与此同时还应根据试验岩石赋存环境和工程因素影响的变化，确定用于数值分析的力学参数. 有限元法基于最小总势能变分原理，能更方便的处理各种非线性问题. 离散元法既能模拟受力状态下块体的运动，又能模拟块体本身的受力变形状态. 因此本节重点归纳国内外学者采用的有限元方法和离散元方法数值分析方法.

有限元数值分析方法在岩石热损伤问题中得到广泛应用. 2006年，杨天鸿等[67]从岩石细观结构出发，初步建立了热-水-岩（THM）耦合数值模型，将该模型用于模拟岩石在温度-渗流-应力耦合作用下的应力变化和破坏状态，为从细观损伤演化角度揭示岩石热损伤破坏机制提供了一种数值分析工具. 2008年，唐世斌等[68]利用热-力耦合模型，通过真实破裂过程分析（Realistic failure process analysis, RFPA）软件模拟陶瓷材料在热冲击作用下裂纹萌发、扩展到贯通的过程. 模拟结果与实验结果相一致，证明了该模拟方法的有效性. 接着Tang等[69]又运用有限元数值分析方法研究了高温岩石在降温冲击作用下的裂纹发育过程，同时还讨论了岩石导热系数对脆性岩石开裂模式的影响，近一步验证了数值模拟是研究岩石热损伤行为的一个有力工具. 张帆[70]则是通过有限元软件ANSYS软件对高温岩石冷冲击过程进行模拟，得到冲击过程中岩石温度场和应力场的变化. 有学者认为岩石的热损伤问题是多场耦合问题，既要考虑岩石力学特性的变化，还要重视岩石导热特性的变化. 为此，近年来有学者采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对自然环境发生变化的高温岩石破坏过程进行模拟，熊贵明等[71]基于传热学原理，以水、液态二氧化碳和液氮为冷却介质，应用COMSOL Multiphysics对不同温度的花岗岩进行热冲击试验模拟，得到热冲击过程中岩石温度场分布规律. 另外，Yang等[72]采用全耦合近场动力学对热循环处理后的花岗岩热-力破裂行为进行模拟，通过瞬态热传导和裂纹扩展检验了数值收敛性并校准了模拟参数.

目前，离散元数值分析方法多采用颗粒流程序（Partical flow code, PFC），PFC可以构建不同概率分布的岩石颗粒模型，可以解决岩石不均质和不连续面问题. 岩石材料是由微观颗粒组成，微观颗粒的变形和颗粒之间的接触界面变化可以影响岩石的宏观物理力学行为. 李雪[73]依靠离散元数值分析方法将裂隙花岗岩在温度和应力共同作用下的岩石试样局部应变强化带应力分布和微裂隙扩展路径进行模拟，揭示了微裂纹萌发—扩展—贯通形成断裂的机理. 李玮枢[74]基于PFC离散元数值模拟方法，对高温花岗岩遇水冷却过程中岩石温度场变化、颗粒接触力变化和裂纹演化规律进行监测，探讨了高温花岗岩遇水冷却的损伤机制. Xu等[75]利用PFC数值模拟方法研究在热力耦合作用下岩体强度和微裂纹的发展，结果表明，在一定温度范围内(40～90 ℃)，温度的升高会加剧花岗岩的脆性破坏，当温度为130 ℃时有热裂纹出现，峰值强度和应变开始明显变小. Zhao[76]采用PFC模拟热损伤花岗岩的微裂纹演化为宏观裂纹的过程，阐明了高温会降低岩石抗压和抗拉强度的机制. 热损伤岩石强度降低的主要原因是热应力的增加和拉伸微裂纹的产生，而微裂纹的产生是由温度梯度的存在所致，温度梯度越大微裂纹越明显. 由此可见，冷却方式对于高温岩石物理力学特性的变化是有影响的，目前对于这方面的研究还待补充.

上述数值分析方法和模拟软件在岩石热损伤研究中可以得到比较接近岩石在热力耦合作用下的实际结果，但这些方法和软件并不具有普适性.针对不同的岩石热损伤工程问题，他们仍具有一定的局限性. 但通过综合每种软件的优点，可以达到分析不同的热损伤问题的目的. 对于岩石微观结构的分析可以采用离散元数值分析方法，而大尺寸的工程岩体失稳模拟需要采用连续介质的有限元分析方法.

5 存在的局限性

国内外学者们围绕热力耦合岩石热损伤问题，在物理力学特性、微观结构破裂、变形破坏机理及数值分析等方面开展了大量的研究，取得了丰富的科研成果. 岩石热损伤机制是深部地球开发领域研究的热点，也是深部地热资源开采工程的难点，需要科研工作者在前人的研究基础上不断探索.

基于以上四个方面的研究成果，在岩石热力耦合损伤机制和破裂模式研究中仍存在以下几点局限性：（1）在岩石热损伤研究领域，多集中在高温岩石强度和变形特性研究，而岩石力学行为损伤机理的解释尚不清楚，尤其缺乏利用宏观物理力学演化规律-细观裂隙发育路径-微观矿物结构变化的研究手段进行多尺度、系统地揭示岩石热损伤机制的研究. （2）对岩石热损伤力学行为的研究多以温度为变量，仅考虑不同温度产生的热膨胀现象，未能全面考虑冷却过程引起的多物理场特性变化，对高温花岗岩在不同冷却条件下的强度与破裂模式尚不能很好地阐述. （3）热损伤岩石在应力-应变关系上表现出非线性特征，经典的破坏准则难以描述其变化规律，尤其是当温度发生急剧变化时引起的力学性质劣化，目前缺乏适用于温度冲击下的非线性岩石损伤本构模型，影响了数值分析的准确性和可靠性. （4）现有的岩石热损伤数值分析多以岩石试样为研究对象进行不同温度条件下的微裂纹演化规律研究，对考虑温度影响下的地热开采岩体微裂纹诱发微地震行为的研究较少，热应力诱发地震作用的研究有待深入.

6 结论与展望

针对温度作用下岩石热损伤问题，通过系统梳理国内外相关研究成果，从高温岩石物理力学特性、热力耦合损伤模型、热破裂细观机理及岩石热损伤数值分析四个方面进行了分析和总结，并指出了现有研究存在的一些局限性，获得了一些新的认识. 为了突破当前研究存在的局限性并适应未来深部地下工程的发展，岩石热损伤研究需要进一步深入，从而能够建立较为完善的理论体系，指导工程实践.

（1）从热力耦合作用下岩石热损伤的物理力学特性、微观结构变化、变形破坏机制及数值分析等方面综述了热力耦合热损伤岩石研究的现状，系统地总结了温度条件下，岩石物理力学性质及微观结构的变化规律. 重点分析了深部岩石材料在热力耦合条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射(AE)、超声波 (UT)、X射线分析（XRD）、偏光显微镜 (PM)、扫描电子显微镜(SEM)、核成像技术（NMR）以及CT扫描技术等先进的辅助试验技术在热破裂分析中的应用. 归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法，阐述了热损伤岩石宏观物理力学参量演化特征和温度阈值.

（2）指出了当前岩石热损伤破坏机制研究存在的局限性，缺乏宏观-细观-微观多尺度、系统的研究手段来探究岩石热损伤机理；冷却方式对高温岩石温度冲击作用的影响有待深入研究；对温变条件下的岩石破坏关系及热破裂非线性模型认识尚浅，缺乏试验数据对理论模型的验证；地热开采工程地质资料及岩体热物理参数获取性有待提高，地热工程的热力耦合理论还不成体系.

（3）虽然现有的试验研究成果可以表现出温度对深部岩石力学特征影响的规律性，但随着岩性、岩石结构特征的变化，尤其是赋存温度发生急剧变化时，温度对岩石力学特征的影响就不尽相同. 针对特定岩性和赋存地质特征开展不同温变条件下的岩石力学试验，是认识岩石温变与变形耦合机理的有效途径.

（4）地热资源开发、岩层页岩气抽采、深埋油气储库、超深钻探、地下核废料处置库等地下深部岩体工程领域的研究都涉及温度场、应力场和渗流场. 多场-多相耦合问题是向地球深部进军必须解决的战略性问题，是未来岩体力学长期发展的方向. 依据深部岩体赋存环境，进一步研究岩层不同热物性（相变温度、强度突变值、换热量）的相变物理力学特性与深部地热温度的高效匹配关系，从而揭示热交换机制，为深部资源能源开发提供科学指导.