溫度作用下巖石力學行為研究的現狀

張傳虎 徐小麗，2 張 燕 王小平

(1.南通大學建筑工程學院，南通226019;2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，徐州221008)

1 引言

人類工程建設已經無法滿足于地表或者淺基礎，包括能源的開采也已隨著淺層資源的逐漸減少甚至枯竭而不斷增大開采深度，隨之而來的一系列工程災害如巖爆、瓦斯爆炸、巖頂坍塌也日益嚴重。另外，隨著核能源的發展，核電站越來越多，其在運行過程中產生的核廢料的處理問題日益嚴峻。目前，國內外對核廢料的處理主要采用深層地質處理的方法，采用此種方法處理核廢料的過程中，由于核廢料衰變產生的熱量會導致儲存庫圍巖溫度不斷升高，要解決核廢料的安全與穩定問題，就必須對溫度作用下巖石的物理力學性能進行研究。本文主要從溫度作用下巖石的物理特性、力學特性、損傷以及本構理論等方面進行闡述。

2 溫度作用下巖石物理特性的研究現狀

2.1 溫度對巖石熱導率的影響

巖石熱導率表示巖石導熱能力的大小，即沿熱流傳遞的方向單位長度(L)上溫度(θ)降低一度時，單位時間(T)內通過單位面積(S)的熱量(Q)。隨著全球新能源開發的不斷深入，地熱作為一種清潔的可再生能源，已逐漸成為全球很多國家的選擇，為更好地對地熱進行開發和利用，巖石熱導率的研究勢在必行。趙永信等人[1-8]指出巖石的熱能傳輸基本依靠晶格震動，隨著溫度的升高，晶格振動幅度增大，造成更大的非諧震蕩減小了熱波的平均自由路程，巖石的熱導率由此降低，研究成果如表1和圖1所示。

表1 溫度與巖石熱導率K(W/m.k)的關系

由表1和圖1可以看出實驗結果與結論一致，即巖石熱導率隨溫度升高而逐漸降低。但是，我們還發現，實驗數據也有一定的起伏，這可能是由其他因素如巖石的結構、形成條件、含水率等因素的影響有關，各方面因素對巖石熱導率的影響以及各因素之間的相互影響還有待進一步研究。

圖1 溫度與巖石熱導率的關系

熱導率作為巖石最重要的熱物性參數，對煤、石油、地熱等地下資源的開發與利用有著非常重要的研究價值。影響巖石熱導率的因素很多，除本文談到的溫度之外，還包括巖石的組分、結構緊密度、孔隙填充度等?，F有的巖石熱導率的研究還不足以滿足人類地下工程建設及地下資源開發的要求，還有很多工作等待著國內外學者去完成。

2.2 溫度對巖石彈性波速的影響

溫度對巖石彈性波速的研究，至今已有半個多世紀的時間了，越來越多的學者參與其中。劉斌等人[9-10]重點研究了巖石波速各向異性及其與溫度的關系，發現大多數巖石的波速各向異性隨著溫度的升高而增加，同時他們也提出，這個結論并不是絕對的，通過進一步研究發現，對于不同的巖石，波速各向異性所受溫度的影響有所不同，這還與巖石的組構和礦物成分及其含量有關。

此外，劉永祥等人[11]1997年研究了橄欖石、斜長石和花崗巖在高溫高壓下的波速特征，并制作了壓力-溫度-速度等值線圖，得出了巖石波速與這三者的關系，發現巖石波速不僅受到溫度和壓力的影響，不同大地構造環境對巖石波速的影響也很明顯。馬麥寧等人[12]2002年在對青藏高原地殼巖石彈性波速特征的研究時，通過對六種不同地殼巖石進行高溫高壓縱波波速測量時也發現，在壓力相同時，絕大多數的地殼巖石的縱波波速隨著溫度的升高而降低，而不同的巖石波速降低的速率也快慢不同。

幾十年來，我國在高溫高壓實驗波速研究領域經歷了從無到有，迅速發展的過程，取得了可喜的成績，然而，一直以來在此領域的研究大多局限于巖石縱波，不僅如此，在實驗的溫壓條件以及儀器設備精密度等方面與國外相比仍存在較大差距。

3 溫度對巖石力學特性的研究現狀

影響巖石力學性質的因素很多，包括溫度、圍壓、孔隙、含水率等等。如今，隨著高溫環境下的巖石工程問題的突出，溫度對巖石力學性質影響的研究成為研究的重要方向。

3.1 高溫作用下巖石力學性質的變化規律

以劉泉聲，許錫昌為代表的國內學者[13-17]近年來研究并總結了溫度作用下巖石力學性質的變化規律，其中，以巖石彈性模量，單軸抗壓強度及泊松比隨溫度變化的研究最為突出。研究成果如表2、表3，圖2～4所示。

由表2、圖2和圖3可見，花崗巖的抗壓強度和彈性模量變化規律相似，溫度從室溫(25℃)升高到100℃的過程中，抗壓強度由191.90MPa降至110.10MPa，彈性模量也由 38.37GPa 降至 10.95GPa，分別有42.6%和71.5%的降幅，變化非常明顯。隨著溫度繼續升高，抗壓強度和彈性模量連續變化，大體呈降低趨勢。

自研究溫度對巖石泊松比的影響問題至今，不同學者也有不同觀點，大致有兩種傾向，一是認為巖石泊松比與溫度無關，另一種則認為巖石泊松比與溫度有關，泊松比隨溫度升高而減小。然而，由表3和圖4中的實驗數據可以發現，花崗巖泊松比隨著溫度的升高，雖然會出現上下波動，但總體還是呈現增大趨勢，這可能與巖石微觀裂隙[18]有關，由于巖石裂隙發育程度越高泊松比越大，而裂隙發育程度又隨著溫度的升高而增強，從而間接影響到巖石的泊松比。

表2 實時高溫作用下花崗巖的抗壓強度和彈性模量

圖2 溫度與花崗巖抗壓強度的關系

圖3 溫度與花崗巖彈性模量的關系

表3 不同溫度下泊松比

圖4 溫度與花崗巖泊松比的關系

對于溫度對巖石泊松比的影響，多年來，研究結果存在較大分歧，究竟是由什么原因造成此種現象的發生，還沒有一個具有足夠說服力的結論，但是，通過對巖石力學研究方法和結論的對比和總結，我們可以發現，無論是研究溫度、圍壓還是其他外部因素對巖石物理力學特性的影響，都會涉及到這些因素對巖石微觀組構影響的研究，這也許可以為巖石泊松比的研究提供一定的思路。

3.2 高溫作用后巖石力學性質的變化規律

吳剛等[19-21]研究了高溫下及高溫后大理巖的力學性質，得出結論:高溫下的大理巖的峰值應力及峰值應變高于高溫后，而彈性模量低于高溫后。研究成果如圖5～7所示。

圖5 溫度與大理巖峰值應力的關系

邢愛國等人[22]在對焦作砂巖在常溫及經歷100℃-1200℃溫度作用后的力學特性進行實驗研究是發現，溫度低于400℃時，砂巖的力學性能變化不大，隨著溫度的升高，砂巖的某些力學性能會有一定的增強;一旦溫度超過400℃，砂巖的力學性能就會隨著溫度的升高而發生劣化，如圖8所示。不僅如此，經歷高溫后，砂巖的表觀形態也會發生變化，如表4所示。

圖6 溫度與大理巖彈性模量的關系

圖7 溫度與大理巖峰值應變的關系

圖8 溫度與砂巖單軸抗壓強度的關系

高峰等人[14，23]在進行溫度對花崗巖影響的研究時，也進行了高溫前和高溫后巖石力學性質的不同表現展開了討論，通過利用日本理學D/Max 3B型X射線和晶體學理論對高溫后巖石的物相特征進行分析時發現，經高溫處理后的巖石，結晶狀態變差，結構發生化學反應，得出了巖石組份改變以及結晶態相變是導致高溫下巖石力學性質突變的重要原因的結論。

隨著科學技術的發展，先進的觀測手段與高溫高壓實驗相結合已經成為巖石力學研究的主要趨勢，也促進了實驗結果在實際工程中的應用的實現。就目前情況而言，雖然我國高溫高壓實驗研究已經取得了較好的發展，也有了較高的發展平臺，但是，在實驗理論和實驗技術等方面較之國際水平還有很大差距，實驗結果很難得到國外的認可。

表4 經歷不同溫度后焦作砂巖的表現形態

4 巖石損傷理論及本構模型的研究現狀

自從巖石形成以來，歷經漫長的地質歷史變遷，經受了數次構造運動，造就了巖石的結構特征和力學特性的復雜性，巖石損傷理論的研究著眼于巖石內部存在的缺陷，力求尋找這些缺陷的形成、發展及回合的過程，進而解決因為這些缺陷給人類工程帶來的各種問題。劉石等人[24]通過單軸試驗的方法，研究了以大理石為代表的巖石經歷不同溫度(25-1000℃)后的損傷特性隨溫度的變化規律，并引入損傷因子D的概念，用以描述溫度對巖石內部損傷特性的影響。

其中:VPT表示大理巖試樣經過溫度T作用后的縱波的波速，VP表示大理巖25℃時縱波的波速。

巖石損傷的描述以及演化規律，主要是通過損傷變量進行體現，而損傷的力學行為則需通過損傷變量和本構方程來表現。1993年，何文生等人[25]根據巖石材料破壞特性，首次提出采用兩個損傷變量來描述各向同性材料的損傷變化規律，這比用單個損傷變量描述更符合實際，并提出用內時標度衡量損傷變量變化規律關鏈;曹文貴等人[26]在2006年1月針對前人幾何損傷統計理論的不足，對巖石損傷定義進行了該進并建立了反映不同圍壓條件下的巖石損傷統計本構模型。2011年，徐燕萍等人[27]提出宏觀的損傷變量和塑性變形是同時出現的假設，在只引入塑性變形的屈服準則而不引入損傷準則的情況下也推導出了處于塑性損傷狀態下的熱力耦合本構方程;高瑋等人[28]于2011年采用最小耗能原理，以應變等效原理為前提，提出一種從能量角度進行描述的巖石損傷演變模型。

很多年以來，不少學者都做了這方面的實驗與研究，并建立了相應的本構方程。

5 結語

如今，國內外學者對巖石的研究已經越來越深入，但是溫度對巖石物理力學性質的影響的研究仍處于不成熟階段，很多巖石工程問題尚未從理論或實驗上得到真正解決，還需更多的研究來推進巖石力學的發展。

[1]龍江，趙永信，楊淑貞，張文仁等.巖石熱導率的溫壓實驗及分析[J]，地球物理學進展，1995，10(1):104-113.

[2]陳儒慶，袁奎榮.巖石的熱導率對巖石熱變質的影響[J]，桂林冶金地質學院學報，1992，12(3):304-308.

[3]賀玉龍，趙文，張光明.溫度對花崗巖和砂巖導熱系數影響的實驗研究[J]，中國測試，2013，39(1):114-116.

[4]李大心.國外巖石熱導率的研究動向[J]，武漢地質學院《地質科技情報》，1985，4(2):12-20.

[5]周昀涵，谷麗朋，李浪等.巖石熱導率及煤的熱物性研究[J]，能源技術與管理，2011(5):134-135.

[6]王思雯，呂士輝，胡克等.巖石特性對導熱系數影響的探究[J]，實驗技術與管理，2012，29(5):39-41.

[7]張延軍，于子望，黃芮等.巖土熱導率測量和溫度影響研究[J]，巖土工程學報，2009，31(2):213-217.

[8]許模，王迪，蔣良文等.巖土體導熱系數研究進展[J]，地球科學與環境學報，2011，33(4):421-433.

[9]劉斌.不同溫壓下巖石彈性波速度、衰減及各向異性與組構的關系[J]，地學前緣(中國地質大學，北京)，2000，7(1):247-257.

[10]劉永祥，吳福元，張世紅.高溫高壓下巖石彈性波速特征及其在深部地質研究中的意義[J]，地球物理學進展，1995，10(3):82-94.

[11]劉永祥，伍旭光.高壓下巖石波速與地殼深部的物質組成[J]，地球物理學報，1997，40(2):211-220.

[12] 馬麥寧，白武明，伍向陽.10.6～ 1.5GPa、室溫 ～1200 e條件下青藏高原地殼巖石彈性波速特征[J]，地球物理學進展，2002，17(4):684-689.

[13]許錫昌，劉泉聲.高溫下花崗巖基本力學性質初步研究[J]，巖土工程學報，2000，22(3):332-335.

[14]徐小麗，高峰，張志鎮.高溫作用對花崗巖強度及變形特性的影響[J]，廣西大學學報:自然科學版，2013，38(4):912-917.

[15]張永清，張陽，趙小龍等.深層巖石力學性質的影響因素分析[J]，西部探礦工程，2011(11):174-176.

[16]許錫昌.花崗巖熱損傷特性研究[J]，巖土力學，2003，24(增):188-191.

[17]吳剛，翟松韜，李玉壽等.高溫下大理巖受壓破壞的細觀結構分析[J]，巖石力學與工程學報，2012，31(增2):3579-3585.

[18]郭志.實用巖體力學[M].北京:地震出版社，1996.18-19.

[19]吳剛，王德詠，翟松韜等.高溫下大理巖力學性質的實驗研究[J]，巖石力學與工程學報，2012，31(6):1237-1244.

[20]夏小和，陸雅萍，黃醒春等.高溫后大理巖在不同應力水平下超聲波特性的實驗研究[J]，上海交通大學學報，2004，38(7):1225-1228.

[21]王艷梅，劉寶林，王瑜等.溫度變化對花崗巖井壁穩定性的影響[J]，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(9):14-19.

[22]吳剛，邢愛國，張磊.砂巖高溫后的力學特性[J]，巖石力學與工程學報，2007，26(10):2110-2116.

[23]徐小麗，高峰，高亞楠等.高溫后花崗巖力學性質變化及結構效應研究[J]，中國礦業大學學報，2008，37(3):402-406.

[24]劉石，許金余，劉志群等.溫度對巖石強度及損傷特性的影響研究[J]，采礦與安全工程學報，2013，30(4):583-588.

[25]何文生，李長春，袁建新.溫度對巖石損傷影響的研究[J]，華中理工大學學報，1993，21(3):109-113.

[26]曹文貴，張升，趙明華.基于新型損傷定義的巖石損傷統計本構模型探討[J]，巖石力學，2006，27(1):41-46.

[27]徐燕萍，劉泉聲，許錫昌.溫度作用下的巖石熱彈塑性本構方程的研究[J]，遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2001，20(4):527-529.

[28]高瑋，汪磊，楊大勇.巖石損傷演化的能量方法研究[J]，巖 石 力 學 與 工 程 學 報，2011，30(增 2):4087-4092.