張曉悟，徐金海，孫 壘，張皓文，王 琪

( 1. 中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116 )

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，礦業(yè)開采區(qū)域逐漸向深部延伸，溫度因素對巖石物理力學性質(zhì)的影響不可忽視[1-2]，尤其是對瓦斯爆炸和火災(zāi)等災(zāi)后圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行評價時，更應(yīng)當考慮巖石物理力學特性受溫度影響的因素[3-4]。加之相鄰區(qū)域的采掘活動使得圍巖體受到循環(huán)載荷作用[5-7]，進一步對巖石物理力學特性造成影響，因此研究循環(huán)加卸載作用下巖石力學特性的溫度效應(yīng)是非常必要的。

不少學者對高溫作用下巖石的物理力學特性進行了大量研究。尹光志[8]等對不同高溫下的粗砂巖進行了常規(guī)三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)圍壓一定時，溫度為25～300 ℃時，隨著溫度的升高，試樣的強度、平均模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角均逐漸增大，但增幅較小，均在6%以下，而變形模量有所降低；徐小麗[9]等對實時高溫作用后的花崗巖進行不同加載速率的單軸壓縮試驗，研究了溫度和加載速率對花崗巖力學性質(zhì)和破壞方式的影響，提出單軸壓縮狀態(tài)下，隨著溫度升高，花崗巖變形破壞形式由拉剪破裂向錐形破裂過渡，并伴隨著碎性流動，同時失穩(wěn)形式由突發(fā)失穩(wěn)向漸進破壞過渡；萬志軍[10]等對大尺寸花崗巖進行三軸壓縮試驗，研究了高溫三軸應(yīng)力下花崗巖熱變形和破壞特征及其熱學和力學參數(shù)隨溫度變化的特征；KUMARI W G P[11]通過對不同圍壓和溫度條件下花崗巖試件進行三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)巖石的強度和剪切參數(shù)隨著溫度的升高先增大后減?。籝ANG Shengqi[12]等進行了不同溫度條件下花崗巖單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)300 ℃時，花崗巖的強度和靜態(tài)彈性模量達到峰值，而靜態(tài)泊松比在600 ℃時最低。

循環(huán)加卸載條件下巖石物理力學特性及損傷變形演化規(guī)律的研究成果較多。其中，楊計先[13]等通過對花崗巖進行三軸循環(huán)加卸載試驗，發(fā)現(xiàn)載荷小于峰值應(yīng)力時，加載階段的彈性模量小于卸載階段的彈性模量，且隨著圍壓的增加，巖石彈性應(yīng)變能及耗散能增加；苗勝軍[14]等設(shè)計了粉砂巖循環(huán)加卸載試驗，發(fā)現(xiàn)試件彈性模量隨著循環(huán)上限荷載先增大后減小，同時提出了循環(huán)荷載的“薄弱結(jié)構(gòu)斷裂效應(yīng)”和“壓密嵌固效應(yīng)”；俞縉[15]等利用不同圍壓下大理石變幅值循環(huán)加卸載試驗，分析了其裂隙體積應(yīng)變和擴容特性，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增加，大理巖彈性模量先增大后減小，廣義泊松比先保持不變后大幅增加，且圍壓較大時，循環(huán)加卸載與單調(diào)加載作用下的擴容指數(shù)相差較大；趙博[16]等通過引入應(yīng)力腐蝕模型，模擬了循環(huán)作用下巖石疲勞損傷過程，發(fā)現(xiàn)循環(huán)載荷作用下，巖石的損傷破壞曲線中的滯回環(huán)呈“疏-密-疏”特征，當疲勞荷載的下限應(yīng)力水平一定時，上限應(yīng)力水平越大，巖石的循環(huán)次數(shù)越少，疲勞壽命越短。

基于以上分析，目前對于循環(huán)加卸載條件下，巖石力學特性的溫度效應(yīng)的研究并不深入，未進行溫度、圍壓和循環(huán)加卸載等3個因素的耦合影響研究，因此筆者設(shè)計了不同溫度梯度石灰?guī)r三軸循環(huán)加卸載試驗，分析了循環(huán)加卸載條件下，不同溫度、圍壓對巖石特征力學參數(shù)的影響，建立了巖石破壞形式和損傷的評價指標，為分析高溫條件下巖石穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試件制備

試驗所用石灰?guī)r取自陜西韓城地下300 m。取回巖樣嚴格按照國際巖石力學學會規(guī)范要求[17]，加工成尺寸為φ50 mm×100 mm的標準試件。

試驗前，采用GWD型高溫加熱箱，按照如圖1所示的加熱路線對石灰?guī)r試件進行高溫預處理，共設(shè)計5個溫度梯度，分別為20，200，400，600和800 ℃。

圖1 試件高溫預處理路線Fig. 1 High temperature pretreatment route for specimens

處理步驟：按照10 ℃/min加溫至設(shè)計溫度，然后保持該溫度3 h，使得溫度能夠滲透至試件內(nèi)部，減小不均勻加熱對試件力學特性的影響[18-19]；當高溫預處理完畢后，關(guān)閉高溫加熱箱，使試件自然冷卻至常溫，完成不同溫度梯度條件下的試件準備。

1.2 試驗設(shè)計

采用MTS-4000巖石力學性能測試伺服系統(tǒng)對試件進行三軸壓縮試驗，該系統(tǒng)最大加載能力為1 000 kN，最大加載圍壓為60 MPa，并能夠?qū)崟r監(jiān)測軸向應(yīng)力和軸向變形。本試驗過程中，在試件徑向表面包裹軸線性可變差分傳感器( LVDT )用以實時監(jiān)測試件的徑向變形。設(shè)計試驗圍壓分別為1，5，10，15，20 MPa。試驗加卸載路線如圖2所示。

圖2 試驗加卸載路線Fig. 2 Test loading and unloading routes

試驗步驟如下：

步驟1：先將試塊放入伺服機試驗平臺，并施加1 kN軸向壓力以固定試塊；

步驟2：采用應(yīng)力控制法，按照0.05 MPa/s加載速率，將軸向應(yīng)力及圍壓加載至設(shè)計圍壓值，并保證在試驗過程中，圍壓值不變；

步驟3：采用位移控制法，按照0.003 mm/s速率對試件進行循環(huán)加卸載，每循環(huán)增加軸向位移0.1 mm，即第1次按照0.003 mm/s速率加載至試件軸向位移量為0.1 mm時，再按照0.003 mm/s卸載速率進行卸載，完成一次循環(huán)；第2次加載至軸向位移0.2 mm時，進行卸載，完成第2次循環(huán)；以此類推；

步驟4：重復步驟3的循環(huán)加卸載過程，直至試件破壞。

為減小試驗誤差對研究結(jié)果的影響，每組試驗選取3個試件，選擇具有代表性的試驗結(jié)果進行分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3～7給出了20，200，400，600，800 ℃溫度梯度條件下，三軸循環(huán)加卸載石灰?guī)r試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 20 ℃條件下循環(huán)加卸載三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Cyclic loading and unloading triaxial stress-strain curve at 20 ℃

圖4 200 ℃條件下循環(huán)加卸載三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Cyclic loading and unloading triaxial stress-strain curve at 200 ℃

圖5 400 ℃條件下循環(huán)加卸載三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Cyclic loading and unloading triaxial stress-strain curve at 400 ℃

圖6 600 ℃條件下循環(huán)加卸載三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Cyclic loading and unloading triaxial stress-strain curve at 600 ℃

圖7 800 ℃條件下循環(huán)加卸載三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Cyclic loading and unloading triaxial stress-strain curve at 800 ℃

由圖3～7可知，經(jīng)過高溫處理的石灰?guī)r試件在三軸循環(huán)加卸載過程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯回滯環(huán)現(xiàn)象，這是因為石灰?guī)r試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，存在著微裂隙、節(jié)理等缺陷，使得石灰?guī)r試件在變形期間表現(xiàn)出非線彈性應(yīng)變。具體表現(xiàn)為：① 在卸載期間，彈性應(yīng)變需要一定時間才能恢復，即試件表現(xiàn)出明顯彈性后效，在此期間，由試件內(nèi)部裂隙面、破壞面滑移或翻轉(zhuǎn)引起的滑動變形不能較快地恢復；② 在加卸載過程中，伴隨著溫度和圍壓增加，試件應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)數(shù)量同步增加。

此外，在加載期間，試件內(nèi)部的脆性結(jié)構(gòu)首先發(fā)生破壞，其后應(yīng)力再向更為堅硬的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，因此在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，表現(xiàn)為上循環(huán)加載曲線斜率會略大于下循環(huán)重新加載曲線斜率。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變外包絡(luò)線分析

圖8給出20，200，400，600，800 ℃溫度梯度條件下，三軸循環(huán)加卸載石灰?guī)r試件應(yīng)力-應(yīng)變外包絡(luò)線。

圖8 不同溫度條件下循環(huán)加卸載三軸應(yīng)力-應(yīng)變外包絡(luò)線Fig. 8 Cyclic loading and unloading triaxial stress-strain outer envelope under different temperature conditions

高溫處理后的三軸循環(huán)加卸載石灰?guī)r試件的應(yīng)力-應(yīng)變外包絡(luò)線可以分為壓縮階段、線彈性階段、塑性階段、峰后屈服階段以及殘余強度階段5個階段，如圖9所示。其中，石灰?guī)r試件體積應(yīng)變計算公式為

圖9 試件應(yīng)力-應(yīng)變分布特征( T=20 ℃，3σ =20 MPa )Fig. 9 Stress-strain distribution characteristics of specimens( T=20 ℃，3σ =20 MPa )

式中，vε為體積應(yīng)變；1ε為軸向應(yīng)變；2ε為徑向應(yīng)變。

( 1 ) 壓縮階段：隨著軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力增加，試件內(nèi)部原生微裂隙和孔隙逐漸閉合，其體積應(yīng)變表現(xiàn)為壓縮；此外，隨著溫度梯度的增加，石灰?guī)r試件的壓縮階段越長，說明較高的溫度梯度會使石灰?guī)r內(nèi)部產(chǎn)生更多的微裂隙和孔隙。

( 2 ) 線彈性階段：試件內(nèi)部原生微裂隙和孔隙完全閉合，且未生成新的微裂隙和孔隙，因此該階段試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線，產(chǎn)生的變形能夠完全恢復；此外，隨著溫度的增加，該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加平緩。

( 3 ) 塑性階段：隨著軸向應(yīng)力增加，試件內(nèi)部產(chǎn)生新的裂隙并向四周不斷擴展、相互貫穿，使得試件發(fā)生非線性的、不可恢復的變形，其體積應(yīng)變壓縮量先增大后減?。淮送?，溫度越高，試件的塑性階段越長。

( 4 ) 峰后屈服階段：當軸向應(yīng)力超過試件的極限承載強度時，試件發(fā)生明顯破壞，其承載力大大降低，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；試件的體積應(yīng)變量表現(xiàn)為由壓縮向膨脹轉(zhuǎn)化；此外，當溫度增加時，峰后屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降趨勢減緩。

( 5 ) 殘余強度階段：發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象時，試件不會完全失去承載能力，而是在圍壓的作用下，由于破裂面之間的摩擦，試件承載力會降低到一個較低的值；此外，殘余應(yīng)力值會隨著圍壓的增加而增加，隨溫度的增加而減小。

3 討 論

3.1 力學參數(shù)演化規(guī)律

在變形過程中，巖石的強度主要表現(xiàn)為特殊狀態(tài)下的極限承載力，其中最關(guān)鍵的表征參數(shù)為極限應(yīng)力fσ和殘余應(yīng)力rσ。巖石的強度理論被用作研究巖石在不同應(yīng)力條件下的破壞機理和強度準則，其中較為經(jīng)典的強度準則為摩爾庫侖強度準則[20-22]，其表達式為

式中，,k b為巖石強度參數(shù)；φ為巖石的破壞面傾角。

圖10給出不同圍壓和溫度條件下，巖石試件特征力學參數(shù)演化規(guī)律。

圖10 巖石試件特征力學參數(shù)演化規(guī)律Fig. 10 Evolution law of characteristic mechanical parameters of rock specimens

由圖10( a )，( b )可知，巖石試件的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力隨圍壓的增加而增加，而隨溫度的增加而降低；同時當圍壓較大( 15，20 MPa )時，400 ℃以下溫度梯度變化條件下曲面較為平緩，說明此時溫度梯度對巖石試件的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響較?。幌喾矗攪鷫狠^小( 1，5 MPa )時，600，800 ℃溫度梯度條件下曲面較為陡峭，說明此時溫度梯度對巖石試件的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響較大。

由圖10( c )，( d )可知，隨著溫度的增加，巖石試件的峰值黏聚力、峰值內(nèi)摩擦角、殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角均減小，表明高溫對巖石力學特性產(chǎn)生惡化影響。從微、細觀角度分析，其原因為：① 高溫使得巖石試件內(nèi)部的礦物脫水重組和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生分解，導致原生微裂隙更容易相互貫通，致使試件整體結(jié)構(gòu)惡化，強度降低；② 巖石試件內(nèi)部各種類型顆粒的熱膨脹系數(shù)以及熱膨脹的擴張各向異性，使得巖石試件內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致顆粒間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在顆粒內(nèi)部和邊緣出現(xiàn)新的裂隙，更易生成新的裂隙。

3.2 脆度系數(shù)演化規(guī)律

巖石的破壞機理是外載荷超過巖石極限承載力之后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，其破壞的形式可以分為兩種：脆性破壞和延性破壞[23]。脆性巖石的破壞形式為脆性破壞，即當受載超過極限線彈性強度時，脆性巖石只能經(jīng)歷輕微變形，就發(fā)生破壞，無明顯塑性變形；相反，延性破壞則能通過較大的塑性變形來延緩破壞。為了確定循環(huán)加卸載條件下巖石的破壞形式，提出脆度系數(shù)sB指標，計算公式為

式中，fσ為峰值應(yīng)力，MPa；nσ為每循環(huán)最大峰后應(yīng)力，MPa。

脆度系數(shù)sB指標反應(yīng)出巖石破壞后其承載力衰減至殘余強度的比率，其中脆度系數(shù)sB越小，巖石的延性越強，反之脆性越強，特別的，理想的塑性材料脆度系數(shù)Bs為0。當峰值應(yīng)力降低為殘余應(yīng)力時，此時巖石的脆度系數(shù)Bs表示為殘余脆度系數(shù)Br s。

圖11給出不同圍壓、溫度條件下巖石試件脆度系數(shù)演化規(guī)律。

圖11 不同圍壓、溫度條件下巖石試件脆度系數(shù)演化規(guī)律Fig. 11 Evolution of brittleness coefficient of rock specimens under different surrounding pressure and temperature conditions

由圖11可知：① 相同溫度條件下，巖石試件脆度系數(shù)隨循環(huán)加卸載次數(shù)的增加而增加，同時，相同循環(huán)加卸載次數(shù)條件下，圍壓越大，巖石試件脆度系數(shù)越大，這是因為圍壓能夠抑制巖石試件內(nèi)部的微裂隙滑移，增大其峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力，但峰值應(yīng)力增幅大于殘余應(yīng)力增幅，增加了峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力的差值，使得巖石試件的脆度系數(shù)增加。與此同時，試件能夠承受的循環(huán)加卸載次數(shù)減少，表現(xiàn)出更為明顯的脆性特征；② 當圍壓相同時，溫度越高，試件的塑性變形特性明顯，使得巖石試件能夠承受的循環(huán)加卸載次數(shù)增加；同時，相同循環(huán)加卸載次數(shù)條件下，溫度越高，巖石試件的脆度系數(shù)越小，說明溫度對巖石力學特性有明顯弱化作用，其峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力減小，但峰值應(yīng)力降幅大于殘余應(yīng)力降幅，峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力的差值和巖石試件的脆度系數(shù)減小，表現(xiàn)出更為明顯的延性特征；③ 總體而言，圍壓越大，巖石試件的脆度系數(shù)越大，表現(xiàn)出更為明顯的脆性特征；溫度越高，巖石試件的脆度系數(shù)越小，表現(xiàn)出更為明顯的延性特征。

3.3 損傷變量演化規(guī)律

根據(jù)文獻[24-25]，在載荷作用下，巖石內(nèi)部微裂隙不斷產(chǎn)生、擴展并貫穿，導致巖石微細觀結(jié)構(gòu)損傷，這是造成巖石破壞的主要因素。

為了研究巖石受載過程中，變形至破壞期間的損傷累計情況，提出損傷變量D，計算公式為

圖12給出不同溫度梯度、圍壓條件下，巖石試件的損傷變量演化規(guī)律。

圖12 不同溫度梯度、圍壓條件下，巖石試件的損傷變量演化規(guī)律Fig. 12 Evolution of damage variables of rock specimens under different temperature gradients and surrounding pressure conditions

由圖12可知：① 不同溫度梯度、圍壓條件下，巖石試件損傷變量演化規(guī)律基本相同。隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增加，巖石試件的損傷變量呈非線性增加，即峰前階段，巖石試件的損傷變量增加緩慢，峰后階段則大幅增加；② 峰前階段，在外載荷作用下，巖石試件主要發(fā)生可恢復的彈性變形，其內(nèi)部的損傷較小，因此曲線較為平緩；③ 隨著熱損傷溫度增加，峰后階段的巖石試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線由“斷崖”式下降逐漸趨于平緩，表明巖石試件的塑性特征逐漸明顯，且破壞后，巖石試件損傷積累迅速。

4 結(jié) 論

( 1 ) 溫度和圍壓越大，巖石的峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降速率越緩慢，即應(yīng)力衰減越遲緩，而巖石所能承受的循環(huán)加卸載次數(shù)則增多，同時巖石的塑性變形量增大，此時巖石的破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化。

( 2 ) 巖石的力學特性受圍壓與溫度影響明顯，表現(xiàn)為圍壓強化和溫度惡化效應(yīng)，即圍壓較小，溫度較高時，巖石的力學特性較差。

( 3 ) 脆度系數(shù)能夠很好地表征巖石的破壞形式，其中脆度系數(shù)越小，巖石的延性越強，反之脆性越強。圍壓越大，巖石試件脆度系數(shù)越大，表現(xiàn)出更為明顯的脆性特征；溫度越高，巖石試件的脆度系數(shù)越小，表現(xiàn)出更為明顯的延性特征。

( 4 ) 建立損傷變量指標，研究巖石受載過程中，變形至破壞期間的損傷累計情況。隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增加，損傷變量呈現(xiàn)非線性增加趨勢，且峰前階段損傷變量增加緩慢，峰后階段損傷變量大幅增加。

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