温度梯度对花岗岩力学性质影响的试验研究

徐海波 胡东涛 惠明星 方 宁

(1.湖北省海外地质事业中心,湖北 武汉 430022;2.湖北省地质矿业开发有限责任公司,湖北 武汉 430034)

随着国内外矿山开采深度的不断增加,温度对围岩性质的影响愈加明显,且在一定范围内会产生温度梯度。温度梯度的出现对深部巷道围岩应力产生重要影响,使岩石的力学特性和变形特性发生变化,从而增大深部巷道安全事故发生的几率。

近些年来,国内外学者对温度梯度下岩石力学性能进行了研究,并取得了一定的有价值的研究成果。Khitaror和Lebedev早在1964年就展开了温度对花岗岩的物理性质方面的影响研究。Wai R S C等[1]对温度在岩体内产生的应力的非线性变化做了一些研究。Simpson C[2]对在高温度的条件下花岗岩的脆延性变化做了研究。方新宇等[3]分析不同温度(25～1 000 ℃)作用后花岗岩的劈裂破坏形态、荷载-位移曲线、抗拉强度等,提出径向模量的概念,在拉伸破坏的条件下,从损伤力学角度研究花岗岩的热损伤特性。王胜伟等[4]分析了不同温度(常温～180℃)下岩石的物理及力学特性,并利用DIC本构模型对基于Weibull分布的本构模型加以改进,改善了原有本构模型对岩石峰后破坏阶段描述不够准确的问题。吴顺川等[5]针对在不同温度处理过的花岗岩圆盘试样进行巴西劈裂试验,进而研究温度对花岗岩微观结构和声发射特性的影响。Alm O等[6]探究了花岗岩不同温度热处理后的力学性质以及温度作用下花岗岩的微破裂过程。陈宇波等[7]在不同温度下对隧道顶板砂岩进行试验研究,通过对砂岩波速的变化率进行归一化处理,得到该砂岩样的损伤变量关系式。闵明等[8]采用MTS815试验机开展了三轴压缩试验,探讨不同条件下热损伤粗粒花岗岩物理参数、力学参数和破坏特征的演化规律,分析各个试验条件下的声发射特征。马兵等[9]通过对高温处理后的花岗岩进行单轴压缩和声发射测试,分析了高温对花岗岩力学特性的影响。吴星辉等[10]基于多场-相探究岩石热损伤机理,从宏-细-微观角度系统多尺度分析岩石热损伤演化规律研究。李晓雪等[11]对花岗岩在热冲击作用下的细观破坏特征及孔隙率变化规律进行了研究。明杏芬等[12]对高温环境中砂岩的热力学性质的变化规律进行了研究。虽然国内外学者对花岗岩在高温作用下力学性能的研究成果较多,但对花岗岩在温度梯度的作用下力学性能的研究却较为少见。本次通过花岗岩的单轴压缩试验,系统研究花岗岩在常温～250 ℃等多个温度梯度作用下的应力-应变过程特征,探讨温度梯度对花岗岩的峰值应力、峰值应变、切线模量等的影响。

1 试验概况

1.1 试样及仪器设备

本次试验所采用的岩样是采自湖北大冶的芝麻白花岗岩,该岩石呈黑白色颗粒状,主要矿物成分为石英、长石、云母、角闪石以及少量胶结物质,花岗岩平均密度2.76 g/cm3,试样按照中华人民共和国地质矿产行业标准中的试验规程加工,制作为长50 mm、宽50 mm、高100 mm的长方体,其表面完整、致密,无宏观裂隙及气孔。

单轴压缩试验采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机。岩石加热采用DHG-9030A(上海飞越)电热恒温鼓风干燥箱以及不锈钢加热板。

1.2 试验过程

试验采取如下步骤:① 在试验开始前,所有试件将进行统一编号,同时对各试件尺寸进行精确测量;② 将试件不同加热条件进行分组;③ 对试件进行加热;④ 将常温(18 ℃)及不同温度的试件进行单轴压缩试验,试验加载速率为0.25 MPa/s;⑤ 记录试验过程及结果,并对其进行整理及分析。试验工况如表1所示。

表1 试验工况Table 1 Test conditions

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线

通过实验研究发现,从常温～250 ℃范围内,在未采取冷却措施的条件下,花岗岩应力-应变曲线在不同的温度下主要呈现为如下4个阶段(见图1):

图1 花岗岩在不同温度下的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of granite at different temperatures

(1)初始压密阶段。在这一阶段,随着应力的不断增加,花岗岩岩石内部的微裂隙不断地被压缩、闭合,岩石变形得比较快,表现为应力-应变曲线出现向下凸的趋势。

(2)近似弹性变形阶段。在这一阶段中,应变随着应力的增加为正比例关系,曲线几乎呈直线状态,岩石的平均切线弹性模量就是此直线段的斜率。

(3)微裂纹发育阶段。在这一阶段,岩石的应力-应变曲线随着轴向压力的增加开始出现折线,岩石内部裂纹的尖端应力不断增加,并且部分应力已达到岩石内部裂纹的尖端应力强度因子,从而导致岩石内部强度较低的微元体开始逐渐破坏,形成新的裂纹缺陷。整体上表现出岩石力学性能降低,内部损伤加速发展,造成部分能量瞬间释放。

(4)破坏阶段。在此阶段,应力达到最大值,岩石变现为明显的脆性破坏。

从图1中可看出,从常温～250 ℃范围内,温度的变化对花岗岩的应力应变曲线影响不大,花岗岩均呈现脆性破坏。但随着温度的升高花岗岩的微裂纹演化阶段越明显。

图2为不同温度不同冷却条件下的花岗岩应力-应变曲线。从图2中比较分析得知:① 除在100℃时不同冷却条件下的岩石的应力-应变曲线均表现不一样;② 在150 ℃、200 ℃、250 ℃时,小温度梯度条件下岩石的初始压密阶段相较于大温度梯度条件下经历时间长,不冷却条件下岩石相较于冷却至常温条件下经历时间较长,这可能是由于较高温度时产生的热膨胀作用使得岩石内部的微裂隙提前闭合所导致的;③在150℃、200℃、250℃时,小温度梯度条件下岩石的近似弹性变形阶段相较于大温度梯度条件下经历时间稍短,不冷却条件下相较于冷却至常温条件下经历时间稍短,这可能是由于温度梯度产生的热应力和压应力导致岩石内部微裂隙加速破坏所造成的。

图2 花岗岩在不同温度下不同冷却条件的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of granite under different cooling conditions at different temperatures

2.2 峰值应力

(1)不同温度条件下岩石峰值应力特征。不同温度条件下,岩石单轴压缩试验峰值应力与温度的关系如图3所示。从单轴压缩试验结果中可以看出,花岗岩在各个温度时峰值应力均具有一定的离散性质,但从总体上看,随着温度的升高岩石的峰值应力呈现出下降的趋势,在100 ℃时出现的最大峰值应力为143 MPa,是中等强度的岩石。总体而言:① 温度从17 ℃升高到100 ℃时平均峰值应力有一个上升的趋势,这可能是由于温度产生的热应力使岩石内部微裂隙闭合,一定程度上改善了岩石的强度性能所导致的;② 温度从100 ℃升高到250 ℃时平均峰值应力则呈下降的趋势,这可能是由于高温产生的热应力超过岩石微裂隙所能承受的最大应力值,使微裂隙扩大、增加,在一定程度上降低了岩石强度性能所导致的;③ 最小值出现在250 ℃时,最大值出现在100 ℃时,而从17 ℃升高到200 ℃平均峰值应力均大于17℃时,表明温度在200 ℃以内有一定程度上增加峰值应力的作用,使岩石强度性能得到了一定的改善。

图3 花岗岩在不同温度条件下峰值应力Fig.3 Peak stress of granite under different temperature conditions

(2)不同温度梯度下岩石峰值应力特征。不同温度梯度条件下,岩石单轴压缩试验峰值应力与温度的关系如图4所示。由岩石单轴压缩试验结果可知,花岗岩在各个温度时峰值应力均具有一定的离散性质,但从总体上看,随着温度梯度的增大岩石的峰值应力呈现出先下降、后上升的趋势。根据图4分析可知:① 小温度梯度条件下岩石的平均峰值应力比高温条件下有不同程度的减少;② 大温度梯度条件下岩石的平均峰值应力比小温度梯度条件下均呈现不同程度的增加,却比高温条件下稍小;③ 岩石的温度由冷却至常温情况下的平均峰值应力比存在较大温度梯度情况下的平均峰值应力均呈现不同程度的上升,并比不做降温处理的情况下稍大;④ 随着温度梯度的增大岩石的平均峰值应力有先下降后上升的趋势。初步推测,从高温到小温度梯度再到大温度梯度然后冷却至常温,随着温度与温度梯度的变化热胀冷缩作用使岩石内部微裂隙不断增加,使岩石强度性能有所降低,而增加到一定程度时,可以改善岩石强度性能。

图4 花岗岩在不同温度不同冷却条件下的峰值应力Fig.4 Peak stress of granite under different temperature and cooling conditions

2.3 峰值应变

(1)不同温度条件下岩石峰值应变特征。不同温度条件下,岩石单轴压缩试验峰值应变与温度的关系如图5所示。从单轴压缩试验结果中可以看出,花岗岩在各个温度时峰值应变均具有一定的离散性质,但从总体上看,随着温度的升高岩石的峰值应变呈现出上升的趋势。

图5 花岗岩在不同温度条件下峰值应变Fig.5 Peak strain of granite under different temperature conditions

(2)不同温度梯度下岩石峰值应变特征。不同温度梯度条件下,岩石单轴压缩试验峰值应变与温度的关系如图6所示。由岩石单轴压缩试验结果可知,除在100 ℃时有所不同,可知花岗岩的峰值应变随着温度梯度的增大总体上表现出先上升、后下降的变化趋势。由图6分析可知:① 在100 ℃时,花岗岩的平均峰值应变随温度梯度的增大而减小,这可能是由于在100 ℃时,温度梯度产生的热应力使得岩石内部的微裂隙提前闭合,在一定程度上改善了岩石强度性能所导致的;② 在150 ℃、200 ℃、250 ℃时,花岗岩的平均峰值应变随着温度梯度的增大而增加,这可能是由于在150 ℃、200 ℃、250 ℃时,温度梯度产生的热应力大于岩石内部的微裂隙所能承受的最大应力,导致岩石微裂隙破坏,使得微裂隙增长、增多所导致的。

图6 花岗岩在不同温度不同冷却条件下的峰值应变Fig.6 Peak strain of granite under different temperature and cooling conditions

2.4 切线模量

(1)不同温度下岩石切线模量特征。不同温度条件下,岩石单轴压缩试验切线模量与温度的关系如图7所示。从单轴压缩试验结果中可以看出,花岗岩在各个温度时切线模量均具有一定的离散性质,但从总体上看,随着温度的升高岩石的切线模量呈现出下降的趋势,在100 ℃时出现的最大值为16.545 GPa。由图7分析可知:① 温度从17 ℃升高到100 ℃时岩石的平均切线模量有一个上升的趋势,这可能是由于温度产生的热应力使岩石内部微裂隙闭合,一定程度上改善了岩石的强度性能所导致的;② 温度从100℃升高到250 ℃时岩石的平均切线模量则呈下降的趋势。这可能是由于高温产生的热应力超过岩石微裂隙所能承受的最大应力值,使得岩石的微裂隙扩大、增加,降低了岩石强度性能所导致的。

图7 花岗岩在不同温度条件下切线模量Fig.7 Tangent modulus of granite under different temperature conditions

(2)不同温度梯度下岩石切线模量特征。不同温度梯度条件下,岩石单轴压缩试验切线模量与温度的关系如图8所示。由岩石单轴压缩试验结果可知,从总体上来说,花岗岩在存在温度梯度的条件下,其弹性模量随着温度梯度的增大有一个先下降后增加的过程。

图8 花岗岩在不同温度不同冷却条件下的切线模量Fig.8 Tangent modulus of granite under different temperature and cooling conditions

3 结 论

通过对不同温度、不同温度梯度条件下花岗岩的单轴压缩试验研究,可以得到以下几点结论:

(1)在单轴压缩试验过程中,花岗岩的破坏可以分为初始压密阶段、近似弹性变形阶段、微裂隙演化阶段以及破坏阶段。

(2)岩石的峰值应力:① 在不进行冷却处理时,温度小于100 ℃时,峰值应力随着温度的升高而增大,温度大于100 ℃时,峰值应力却随着温度升高而减小;② 在进行了冷却处理后,随着温度梯度的增大表现为先减小后增大的特征。

(3)岩石的峰值应变:① 在不进行冷却处理时,随着温度的升高表现为上升的特征;② 在进行了冷却处理后,在100 ℃时随着温度梯度的增大表现为先减小后增加的特征,在150 ℃、200 ℃、250 ℃时随着温度梯度的增大表现为先增加后减小的特征。

(4)岩石的切线模量:① 在不进行冷却处理时,随着温度变化表现出与岩石的峰值应力一致的特征;② 在进行了冷却处理后,随着温度梯度的增大表现为先减小后增大的特征。