牛傳星，付厚利，秦 哲，馮佰研

(1.山東科技大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院；b.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地； d.礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.臨沂大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 臨沂 276000)

溫度周期循環(huán)作用下巖石損傷特性的試驗(yàn)研究

牛傳星1a,1b，付厚利2，秦 哲1c,1d，馮佰研1a,1b

(1.山東科技大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院；b.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地； d.礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.臨沂大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 臨沂 276000)

選取蝕變巖為試驗(yàn)對象進(jìn)行了不同溫度周期循環(huán)次數(shù)條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，對溫度周期循環(huán)作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的損傷規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：溫度周期作用對蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)有明顯的弱化現(xiàn)象，隨著溫度周期循環(huán)次數(shù)的增多，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均減小，且二者與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系服從指數(shù)分布；不同巖石對溫度周期作用敏感性不同，蝕變風(fēng)化程度越高的巖石敏感性越強(qiáng)；單軸抗壓強(qiáng)度比彈性模量更易受溫度作用的影響，溫度周期循環(huán)20次后，單軸抗壓強(qiáng)度累積損傷值達(dá)35.69%，彈性模量累積損傷值為29.57%，且?guī)r石力學(xué)參數(shù)損傷值與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系同樣符合指數(shù)分布；通過電鏡掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn)在溫度周期循環(huán)作用下巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋裂隙，礦物成分及內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，晶格間連接力減弱，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

蝕變巖；溫度周期循環(huán)作用；力學(xué)試驗(yàn)；損傷特性；電鏡掃描

1 研究背景

在高溫高壓條件下，地殼內(nèi)部液體涌入巖石內(nèi)部后與其發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)改變了巖石性質(zhì)而產(chǎn)生的新巖石稱為蝕變巖[1]。蝕變巖受地質(zhì)作用后力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，其力學(xué)特性的好壞將直接影響到工程的穩(wěn)定性。有關(guān)蝕變巖力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究很多，楊燕等[2]、魏偉等[3]、牛傳星等[4]、秦哲等[5]通過三軸壓縮試驗(yàn)分析了蝕變巖力學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合工程實(shí)例分析說明了其危害性。蝕變巖所處的地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜，由于受成巖因素的限制，其面臨多變的溫度場，尤其常常受溫度升降循環(huán)作用的影響，該作用改變了蝕變巖的工程力學(xué)性質(zhì)，給蝕變巖巖體的穩(wěn)定性帶來了很多不確定因素。因此有必要對溫度周期作用下蝕變巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，以便為此類巖石工程的穩(wěn)定性評價(jià)提供一定的參考。

目前，學(xué)術(shù)界對溫度作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了很多研究并取得了大量的成果。Park等[6]以典型巖石為試驗(yàn)對象探究了溫度作用對其熱物理參數(shù)的影響；Inada等[7]進(jìn)行了干燥飽和條件下巖石的力學(xué)試驗(yàn)，研究了不同溫度、不同圍壓狀況下，其力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖石力學(xué)參數(shù)隨著溫度的升高而減??；Hajpál[8]通過電鏡掃描技術(shù)對經(jīng)歷溫度變化前后的巖石的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了各參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律；Rocchi等[9]對火山巖進(jìn)行了高溫高壓條件下的巖石力學(xué)試驗(yàn)，測試了該條件下巖石的力學(xué)性能；徐光苗等[10]選取2種典型巖石為試驗(yàn)對象，探究了巖石在不同溫度、含水率條件下巖石力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖石的力學(xué)參數(shù)隨溫度的升高而減小，且不同巖石受溫度影響的程度不同；劉石等[11]通過巖石的單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)峰值強(qiáng)度在100 ℃及400 ℃時(shí)得以強(qiáng)化，超過800 ℃時(shí)巖石的峰值強(qiáng)度急劇下降，到1 000 ℃時(shí)基本失去承載力；劉均榮等[12]從微觀角度研究了高溫對巖石性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)高溫條件下巖石礦物成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化，裂紋裂隙增多，巖石力學(xué)性質(zhì)弱化。

本文利用電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對分別經(jīng)歷了0，5，10，15，20次溫度周期循環(huán)的蝕變巖進(jìn)行了巖石的單軸壓縮試驗(yàn)，對經(jīng)歷溫度周期循環(huán)后蝕變巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、軸向應(yīng)變以及損傷值隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

表1 巖石工程地質(zhì)特征Table 1 Engineering geological characteristics of rocks

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用TAW-2000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)。為了模擬溫度升降循環(huán)條件，將進(jìn)行試驗(yàn)的每種巖樣分5組，每組3個(gè)試樣，并對每個(gè)試樣進(jìn)行編號，分別模擬0(自然狀態(tài))，5，10，15，20次的循環(huán)條件。一次升溫降溫循環(huán)具體設(shè)計(jì)為：首先將箱式電阻爐溫度設(shè)置為20 ℃，放入試樣進(jìn)行升溫至200 ℃，升溫速率為0.02 ℃/min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定設(shè)置溫度后繼續(xù)保持恒溫2 h后再降至20 ℃，降溫速率仍為0.02 ℃/min，達(dá)到20 ℃后保持恒溫2 h，與此同時(shí)試驗(yàn)機(jī)加壓室溫度保持為20 ℃，壓力室的溫度通過熱浴循環(huán)裝置對壓力機(jī)內(nèi)的液壓油進(jìn)行溫度控制，并且在壓力室內(nèi)埋設(shè)溫度傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化。在進(jìn)行試驗(yàn)前對巖樣進(jìn)行烘干處理，且整個(gè)試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室空氣濕度保持恒定。對準(zhǔn)備好的每組巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，對試樣的軸向進(jìn)行緩慢加載直到巖塊發(fā)生破壞，記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變變化，對破壞狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)描述，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度周期循環(huán)作用對蝕變巖力學(xué)性質(zhì)的影響

通過試驗(yàn)可以得到2種巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。2種巖石的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由圖1、表2可知，經(jīng)過溫度周期循環(huán)作用后蝕變巖的抗壓強(qiáng)度有所降低，且循環(huán)次數(shù)越多，抗壓強(qiáng)度越小，極限抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變越大。

圖1 蝕變巖溫度周期循環(huán)作用下 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Curves of axial stress vs. axial strain of altered rocks under cyclic temperatures

表2 溫度周期循環(huán)作用下單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of uniaxial compression tests under cyclic temperatures

為了分析力學(xué)參數(shù)隨溫度周期循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，分別以峰值強(qiáng)度和彈性模量為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)n為橫坐標(biāo)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 力學(xué)參數(shù)隨溫度周期循環(huán)次數(shù)的變化Fig.2 Variations of mechanical parameters with the change of temperature cycles

由圖2可知，在溫度周期循環(huán)作用下巖石的力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生了不同程度的弱化現(xiàn)象，2種蝕變巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著溫度周期循環(huán)次數(shù)的增多而減?。?種巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系符合指數(shù)分布。

3.2 蝕變巖損傷值與溫度周期循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

在目前臨床中,艾司唑侖屬于較為常用的抗失眠藥物,屬于苯二氮卓類藥物。其鎮(zhèn)靜、催眠以及抗焦慮作用可觀,但存在一定的副作用。本研究結(jié)果中,兩組患者的治療總有效率差異并不顯著,表示中醫(yī)綜合治療可改善患者的睡眠治療。綜合組SAS、SDS評分均優(yōu)于單純組,P<0.05。表示,兩組患者在改善失眠的效果上大同小異,然而在改善患者抑郁焦慮狀態(tài)方面,中醫(yī)綜合治療更勝一籌,存在明顯優(yōu)勢。

通過對上述試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出2種巖石在溫度周期循環(huán)作用下力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了不同程度的損傷。為分析溫度作用對力學(xué)參數(shù)損傷變化的規(guī)律，分別建立以不同指標(biāo)(單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量)進(jìn)行量化的損傷演化規(guī)律，其計(jì)算式為：

(1)

式中：Hc，He分別為循環(huán)n次的單軸抗壓強(qiáng)度累積損傷值、彈性模量累積損傷值；σc0，σcn分別為蝕變巖初始狀態(tài)、循環(huán)n次的單軸抗壓強(qiáng)度；E0，En分別為蝕變巖初始狀態(tài)、循環(huán)n次的彈性模量。

根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，利用式(1)計(jì)算出了2種巖石在不同次數(shù)溫度周期循環(huán)作用下巖石的累積損傷值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。通過分析表3中數(shù)據(jù)可以得到蝕變巖1在經(jīng)過20次循環(huán)后，單軸抗壓強(qiáng)度累積損傷值為34.69%，彈性模量累積損傷值為29.57%；當(dāng)循環(huán)相同5次、10次和15次時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度累積損傷值都大于彈性模量累積損傷值。對于蝕變巖2也有此規(guī)律，說明采用單軸抗壓強(qiáng)度量化的損傷值要比采用彈性模量量化的損傷值大，因此可以得出溫度周期循環(huán)作用對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響大于對彈性模量的影響。2種巖石損傷值增加幅度減緩，即初期進(jìn)行溫度周期循環(huán)試驗(yàn)時(shí)其損傷發(fā)展較快，越往后發(fā)展越慢。

表3 巖石力學(xué)性質(zhì)損傷值Table 3 Damage values of mechanical properties of rocks

3.3 巖石力學(xué)性質(zhì)損傷變化分析

為了分析溫度周期循環(huán)作用對巖石的損傷效應(yīng)，以循環(huán)次數(shù)n為橫坐標(biāo)，以累積損傷值為縱坐標(biāo)進(jìn)行擬合分析，擬合曲線如圖3所示。

圖3 力學(xué)參數(shù)損傷值隨溫度周期循環(huán)次數(shù)的變化Fig.3 Variations of damage values of mechanical parameters with the change of temperature cycles

在經(jīng)歷不同次數(shù)的溫度周期循環(huán)作用后，2種巖石累積損傷值均增加，開始時(shí)累積損傷值隨著循環(huán)次數(shù)的增多增幅較大，后期增幅減小，趨于穩(wěn)定；累積損傷值與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系符合指數(shù)分布；蝕變巖1在循環(huán)5，10,15，20次時(shí)的力學(xué)參數(shù)損傷值均大于蝕變巖2，說明不同蝕變程度的巖石對于溫度作用的敏感性有所差別，蝕變、破碎程度越大，受溫度循環(huán)周期作用的影響越大。

3.4 溫度周期循環(huán)作用對蝕變巖力學(xué)特性的影響機(jī)理

在蝕變作用下巖石的礦物成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化進(jìn)而弱化其力學(xué)性質(zhì)，尤其在溫度周期循環(huán)作用下這種弱化現(xiàn)象更為明顯。在溫度的升降循環(huán)作用下，巖石內(nèi)部的礦物性質(zhì)、成分及結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生變化，晶格構(gòu)造產(chǎn)生破壞。 為了更進(jìn)一步探究溫度對蝕變巖的損傷機(jī)理，對蝕變程度大的蝕變巖1在不同溫度周期循環(huán)次數(shù)作用下單軸試驗(yàn)后的破裂斷口的微觀形貌進(jìn)行電鏡掃描，掃描結(jié)果簡圖見圖4。

圖4 不同溫度周期循環(huán)次數(shù)下蝕變巖1細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Mesoscopic structures of altered rock 1 under different temperature cycles

由圖4可以看出，不同溫度周期循環(huán)作用下蝕變巖1單軸壓縮破壞后其斷裂口處表現(xiàn)出不同的微觀形態(tài)：自然狀態(tài)(循環(huán)0次)下斷裂面光滑平整，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，無裂縫，顆粒間充滿膠結(jié)物；隨循環(huán)次數(shù)的增多，斷裂面整體性減弱，結(jié)構(gòu)連接力減小，破裂面產(chǎn)生很多裂隙，循環(huán)5，10次后裂縫擴(kuò)展發(fā)育，晶格間連接力減弱，裂縫以一條裂縫為中心，逐步向四周的顆粒邊界或顆粒內(nèi)部延伸，形成比較好的裂縫網(wǎng)絡(luò)；循環(huán)次數(shù)達(dá)到20次后，晶格內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋裂隙，結(jié)構(gòu)遭到破壞變得松散，說明溫度周期循環(huán)作用對蝕變巖具有明顯的損傷作用。

與其他巖石相比較，蝕變巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接力較弱，導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出不均勻性，更容易受溫度作用的影響。在溫度周期循環(huán)作用下，巖石內(nèi)部的膠結(jié)物和黏土填充物的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，礦物在溫度降低時(shí)受熱脹冷縮的影響發(fā)生收縮現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)趨于弱化；在溫度升高的過程中由于熱應(yīng)力的作用發(fā)生膨脹而使弱化的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙，在反復(fù)溫度升降作用下，晶格間及其內(nèi)部裂隙寬度不斷增大，隨著裂隙的發(fā)育、延伸和貫通，巖石的力學(xué)參數(shù)損傷現(xiàn)象愈加明顯。

4 結(jié) 論

本文以蝕變巖為試驗(yàn)對象進(jìn)行了不同溫度周期循環(huán)作用下的巖石的單軸壓縮試驗(yàn)，探究了溫度升降循環(huán)作用對巖石的損傷規(guī)律，所得結(jié)論如下：

(1) 隨著溫度作用循環(huán)次數(shù)增多，抗壓強(qiáng)度減小，極限抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變增大；不同力學(xué)性質(zhì)對溫度周期循環(huán)作用的敏感性不同，彈性模量的敏感性低于單軸抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系均服從指數(shù)分布。

(2) 當(dāng)溫度周期循環(huán)作用增加時(shí)，蝕變巖力學(xué)參數(shù)累積損傷值均增加，且前期增長迅速而后期增長幅度減小，累積損傷值與循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系符合指數(shù)分布。

(3) 溫度升降對蝕變巖力學(xué)性質(zhì)的影響主要是通過改變巖石內(nèi)部礦物成分、 結(jié)構(gòu)構(gòu)造而發(fā)揮作用， 溫度的周期循環(huán)作用使得晶格間及其內(nèi)部發(fā)生裂紋擴(kuò)展， 導(dǎo)致裂隙發(fā)育更加完全； 巖石內(nèi)部礦物成分的改變、 裂紋裂隙的發(fā)展影響了巖石宏觀的力學(xué)性質(zhì)。

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(編輯：羅 娟)

Damage Characteristics of Rock under Cyclic Temperatures

NIU Chuan-xing1,2，F(xiàn)U Hou-li3，QIN Zhe4,5， FENG Bai-yan1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.Key Laboratory of Civil Engineering and Disaster Prevention and Mitigation of Shandong Province, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 3.School of Civil Engineering and Architecture, Linyi University, Linyi 276000, China； 4.State Key Laboratory of Mining disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 5.College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Uniaxial compression tests were carried out on altered rocks under different temperature cycles to investigate the damage patterns of mechanical properties under cyclic temperatures. Results show that the mechanical properties of the altered rocks are obviously weakened by effects of temperature cycles. With the increase of temperature cycle times, uniaxial compressive strength and elastic modulus decreased and the relationships between them and temperature cycles obeyed exponential distribution. The sensitivity of different rocks to the temperature cycles is different, and the higher the degree of alteration of weathering is, the stronger the sensitivity is. Uniaxial compressive strength is more vulnerable to temperature than elastic modulus does. The cumulative damage values of uniaxial compressive strength reached 35.69% and elastic modulus 29.57% after 20 times of temperature cycles. The relationships between damage values of mechanical properties and the temperature cycles also obeyed exponential distribution. Results of electron microscope scanning revealed that cracks were generated in rocks under cyclic temperatures, mineral composition and internal structure changed, connection force between the lattice was weakened and mechanical properties were changed.

altered rock；cyclic temperature； mechanical test；damage characteristics；scanning electron microscope

2016-01-18；

2016-02-29

牛傳星(1990-)，男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事巖土工程理論方面的研究，(電話)17854284783(電子信箱)1205165230@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160053

2017,34(4):78-82

TU458

A

1001-5485(2017)04-0078-05