温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 孙浩苏楠金爱兵陈帅军韦立昌徐浩淳 Effects of temperature on Brazilian splitting characteristics of sandstone with different sizes SUN Hao.SU Nan.JIN Ai-bing,CHEN Shuai-jun,WEI Li-chang.XU Hao-chun 引用本文： 孙浩，苏楠.金爱兵，陈帅军，韦立昌，徐浩淳.温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响[U.工程科学学报，2022,44(1)：26-38 doi10.13374j.issn2095-9389.2021.07.26.001 SUN Hao,SU Nan,JIN Ai-bing,CHEN Shuai-jun,WEI Li-chang,XU Hao-chun.Effects of temperature on Brazilian splitting characteristics of sandstone with different sizes[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(1):26-38.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.07.26.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.07.26.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 砂岩【型断裂的尺寸效应试验研究 Experimental investigation for effect of size on sandstone Mode I fracture 工程科学学报.2017,39(10：1477 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.10.003 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions 工程科学学报.2020,42(8：988 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2019.08.12.004 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响 Deformation and permeability of sandstone at different cycling loading-unloading rates 工程科学学报.2017,391：133 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.01.017 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting 工程科学学报.2020,42(5：570 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.04.001 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报.2017,399%：1295htps:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.09.001 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 Meso-energy evolution and rock burst proneness of the stress thresholds of granite under triaxial cyclic loading and unloading test 工程科学学报.2019,41(7)：864 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.004

温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 孙浩 苏楠 金爱兵 陈帅军 韦立昌 徐浩淳 Effects of temperature on Brazilian splitting characteristics of sandstone with different sizes SUN Hao, SU Nan, JIN Ai-bing, CHEN Shuai-jun, WEI Li-chang, XU Hao-chun 引用本文: 孙浩, 苏楠, 金爱兵, 陈帅军, 韦立昌, 徐浩淳. 温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响[J]. 工程科学学报, 2022, 44(1): 26-38. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.26.001 SUN Hao, SU Nan, JIN Ai-bing, CHEN Shuai-jun, WEI Li-chang, XU Hao-chun. Effects of temperature on Brazilian splitting characteristics of sandstone with different sizes[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(1): 26-38. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.07.26.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.26.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究 Experimental investigation for effect of size on sandstone Mode I fracture 工程科学学报. 2017, 39(10): 1477 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.003 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions 工程科学学报. 2020, 42(8): 988 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响 Deformation and permeability of sandstone at different cycling loading-unloading rates 工程科学学报. 2017, 39(1): 133 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.017 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting 工程科学学报. 2020, 42(5): 570 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报. 2017, 39(9): 1295 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.001 循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性 Meso-energy evolution and rock burst proneness of the stress thresholds of granite under triaxial cyclic loading and unloading test 工程科学学报. 2019, 41(7): 864 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.004

工程科学学报.第44卷.第1期：26-38.2022年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.1:26-38,January 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.26.001;http://cje.ustb.edu.cn 温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 孙浩2)，苏楠2)，金爱兵12四，陈帅军12)，韦立昌2，徐浩淳2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室.北京1000832)北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jinaibing@ustb.edu.cn 摘要为研究高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩巴西劈裂特性，分别对经过25、200、400、600、800和1000℃高温处理后 的标准砂岩试件进行巴西劈裂室内试验，并基于颗粒流软件开展不同尺寸高温砂岩巴西劈裂数值模拟，研究砂岩巴西劈裂强 度及其劣化规律、孔隙率增加相对于裂纹扩展贯通的滞后性规律.研究结果表明：(1)在25~1000℃的温度范围和50-100mm 的直径范围内，温度与尺寸效应对砂岩巴西劈裂强度均有显著影响，且尺寸效应影响程度更大.在加热过程中，由于岩石内 部首先发生热膨胀，然后在热应力作用下产生损伤，因此砂岩劈裂强度先有所增大，在400℃之后持续降低，劈裂强度下降 约34.66%~35.10%：随着尺寸增大，岩石内部积聚的能量释放产生大量微裂隙，导致砂岩试样劈裂强度降低，下降约 55.61%~56.99%.(2)砂岩巴西劈裂强度劣化幅值与其直径之间满足负指数函数关系，可用于预测不同尺寸高温砂岩的巴西 劈裂强度.(3)砂岩在巴西劈裂过程中的孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通滞后的荷载差值随温度升高以及尺寸增大而增大： 考虑两因素的耦合作用，尺寸效应对荷载差值的影响程度随温度的升高而降低，温度对荷载差值的影响程度随砂岩尺寸的增 大而降低.研究成果对火灾后顶板维护，初步预测顶板强度具有一定参考意义，也可为核废料处理、地热资源开发和深井工 程等涉及高温和尺寸变化的岩体工程设计提供有益参考， 关键词砂岩：高温：尺寸效应；巴西劈裂特性：颗粒流模拟 分类号TU458 Effects of temperature on Brazilian splitting characteristics of sandstone with different sizes SUN Hao2).SU Nan2,JIN Ai-bing2.CHEN Shuai-jun 2),WEI Li-chang2,XU Hao-chun2 1)Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jinaibing@ustb.edu.cn ABSTRACT To study the Brazilian splitting characteristics of sandstone under the coupling effect of high temperature and sandstone's size,Brazilian splitting laboratory tests were carried out on standard sandstone specimens treated at 25,200,400,600,800,and 1000C, respectively.A Brazilian splitting numerical simulation of sandstone with different sizes under high temperature was carried out based on particle flow software to study the Brazilian splitting strength and deterioration law of sandstone.In addition,the hysteresis law of porosity rise relative to the crack propagation and penetration was also investigated.Results are as follows:(1)In the temperature range of 25-1000 C and in the diameter range of 50-100 mm,the temperature and size significantly affect the Brazilian splitting strength of sandstone,with size having a greater influence.During the heating process,due to the initial thermal expansion in the rock and 收稿日期：2021-07-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52174106.52004017)：中国博士后科学基金资助项目(2020M670138):中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目(FRF-TP.19-026A1,FRF-IDRY-20-021)

温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 孙    浩1,2)，苏    楠1,2)，金爱兵1,2) 苣，陈帅军1,2)，韦立昌1,2)，徐浩淳1,2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083    2) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: jinaibing@ustb.edu.cn 摘    要    为研究高温与尺寸效应耦合作用下的砂岩巴西劈裂特性，分别对经过 25、200、400、600、800 和 1000 ℃ 高温处理后 的标准砂岩试件进行巴西劈裂室内试验，并基于颗粒流软件开展不同尺寸高温砂岩巴西劈裂数值模拟，研究砂岩巴西劈裂强 度及其劣化规律、孔隙率增加相对于裂纹扩展贯通的滞后性规律. 研究结果表明：（1）在 25～1000 ℃ 的温度范围和 50～100 mm 的直径范围内，温度与尺寸效应对砂岩巴西劈裂强度均有显著影响，且尺寸效应影响程度更大. 在加热过程中，由于岩石内 部首先发生热膨胀，然后在热应力作用下产生损伤，因此砂岩劈裂强度先有所增大，在 400 ℃ 之后持续降低，劈裂强度下降 约 34.66%～35.10%；随着尺寸增大，岩石内部积聚的能量释放产生大量微裂隙，导致砂岩试样劈裂强度降低，下降约 55.61%～56.99%. （2）砂岩巴西劈裂强度劣化幅值与其直径之间满足负指数函数关系，可用于预测不同尺寸高温砂岩的巴西 劈裂强度. （3）砂岩在巴西劈裂过程中的孔隙率增加相对于裂隙扩展贯通滞后的荷载差值随温度升高以及尺寸增大而增大； 考虑两因素的耦合作用，尺寸效应对荷载差值的影响程度随温度的升高而降低，温度对荷载差值的影响程度随砂岩尺寸的增 大而降低. 研究成果对火灾后顶板维护，初步预测顶板强度具有一定参考意义，也可为核废料处理、地热资源开发和深井工 程等涉及高温和尺寸变化的岩体工程设计提供有益参考. 关键词    砂岩；高温；尺寸效应；巴西劈裂特性；颗粒流模拟 分类号    TU458 Effects of temperature on Brazilian splitting characteristics of sandstone with different sizes SUN Hao1,2) ，SU Nan1,2) ，JIN Ai-bing1,2) 苣 ，CHEN Shuai-jun1,2) ，WEI Li-chang1,2) ，XU Hao-chun1,2) 1) Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: jinaibing@ustb.edu.cn ABSTRACT    To study the Brazilian splitting characteristics of sandstone under the coupling effect of high temperature and sandstone’s size, Brazilian splitting laboratory tests were carried out on standard sandstone specimens treated at 25, 200, 400, 600, 800, and 1000 ℃, respectively. A Brazilian splitting numerical simulation of sandstone with different sizes under high temperature was carried out based on particle flow software to study the Brazilian splitting strength and deterioration law of sandstone. In addition, the hysteresis law of porosity rise relative to the crack propagation and penetration was also investigated. Results are as follows: (1) In the temperature range of 25−1000 ℃ and in the diameter range of 50–100 mm, the temperature and size significantly affect the Brazilian splitting strength of sandstone,  with  size  having  a  greater  influence.  During  the  heating  process,  due  to  the  initial  thermal  expansion  in  the  rock  and 收稿日期: 2021−07−26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52174106，52004017）；中国博士后科学基金资助项目（2020M670138）；中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目（FRF-TP-19-026A1，FRF-IDRY-20-021） 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期：26−38，2022 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 1: 26−38, January 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.07.26.001; http://cje.ustb.edu.cn

孙浩等：温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 27 subsequent damage under the action of thermal stress,the splitting strength of sandstone first increases and then decreases by approximately 34.66%-35.10%after 400 C.With the increase in the size,the energy accumulated in the rock is released,and a large number of microfractures are produced,resulting in decreasing the splitting strength of sandstone samples by approximately 55.61%-56.99%.(2)The relationship between the degradation amplitude of the Brazilian splitting strength of sandstone and its diameter satisfies a negative exponential function,which can predict the Brazilian splitting strength of sandstone with different sizes at high temperatures.(3)The porosity of sandstone increases during Brazilian fracturing,and the load difference relative to fracture propagation and penetration increases with increasing temperature and size.Considering the coupling effect of the two factors,the influence of size and temperature on the load difference decreases with increasing temperature and sandstone's size.This study is of high significance for roof maintenance and preliminary prediction of the roof strength after a fire.In addition,it can also provide a useful reference for rock engineering design involving high temperatures and size changes,such as nuclear waste treatment,geothermal resource development, and deep well engineering KEY WORDS sandstone;high temperature;size effect;Brazilian splitting characteristics;particle flow simulation 核废料处理、地热开发和煤炭地下气化等工 理岩试件的抗压强度变化规律，提出了考虑试件 程领域均涉及高温和热应力的作用，高温易使 尺寸和温度综合影响的幂函数模型，可以捕捉归 脆性岩体产生热损伤从而导致岩体破坏.在核 一化单轴抗压强度随试样尺寸和处理温度的变 废料地质封存过程中，释放的热能将导致岩体产 化.Zhai等图研究了石灰岩与人造岩石的尺寸效 生裂隙，核废料可能通过这些热致裂隙进入生物 应，建立了关于尺寸效应定律的数学模型，可以较 圈，从而造成污染山，且为更好地开发地热资源，将 好地预测岩石抗拉强度，在国内，张明等9推导了 深部能源开发与深部矿产资源开采相结合，开拓 准脆性材料在单轴压缩情况下的毁坏概率和强度 深部采矿经济性的新途径四，需要深入研究高温岩 尺寸效应的一般表达式，发现准脆性材料破坏时 体的力学性质，并对其进行安全评估.因此，研究 的强度与体积有关：随着材料体积增大，其破坏概 高温热处理对岩石力学性质的影响具有重要工程 率增大、强度逐渐减小.邓华锋等和喻勇四针 意义 对不同高径比砂岩开展劈裂抗拉试验和三维有限 目前基于高温条件下一定尺寸岩石试样的相 元数值模拟研究，结果表明：砂岩试件抗拉强度随 关室内力学试验研究成果已广泛应用于实际工程 高径比增大而减小，且其端面中部的拉应力相对 设计与实践)大量研究证明：高温和尺寸对岩石 较大.苏海健等！对高温处理后的不同高径比红 抗拉和抗压强度均有较大影响，但室内试验条件 砂岩试件开展巴西劈裂试验研究，结果表明：随着 相比于工程实践具有一定局限性.在研究尺寸效 试件温度升高，红砂岩圆盘的抗拉强度逐渐增大 应时，室内试验常用的岩石试件尺寸较小，而在实 且与尺寸相比温度对砂岩强度劣化的影响更为显 际工程中，岩体是主要的赋存形式因此，室内 著.彭剑文等)在保持跨度-高度比不变的条件 试验结果并不完全适用于实际工程，若将室内试 下，对不同尺寸的砂岩试件进行三点弯曲试验并 验结果直接用于工程设计，则相当于将岩石视作 建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型，发现砂 完全均匀问，显然与工程常识相违背，很可能出现 岩的尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料 不同程度偏差，进而在实际应用时产生不必要的 之间.孟庆彬等4对6种不同尺寸红砂岩开展不 经济损失和人员伤亡等.国内外研究人员从工程 同应变速率下的单轴压缩试验，发现砂岩的抗压 经验、岩体力学理论、室内模型试验和数值模拟 强度和峰值应变与尺寸呈正相关，而岩石弹性模 等角度研究了复杂岩体的力学性质，但仍无法准 量与尺寸无明显相关性.靖洪文等]利用颗粒流 确把握工程岩体的力学特性.综上，研究高温岩石 程序(Particle flow code,PFC)计算不同高径比损伤 在不同尺寸下的力学特性具有重要的工程意义. 岩样的单轴抗压强度，发现随着高径比增加，岩样 针对岩石的尺寸效应，在国外，Quinones等 抗压强度随之下降，且下降趋势逐渐减弱 对不同尺寸的花岗岩进行单轴压缩试验，结果表 针对高温岩石力学，在国外，Li等利用加热 明，杨氏模量和样品尺寸之间有明显相关性：对于 后的花岗岩进行巴西圆盘拉伸试验，记录分析微 直径小于54mm的花岗岩试件而言，其强度随尺 裂隙长度分布和取向，发现微裂隙的产生量与加 寸的增大而增大.Rong等研究不同尺寸高温大 热温度成正比.Sun等)通过热损伤研究解释了

subsequent  damage  under  the  action  of  thermal  stress,  the  splitting  strength  of  sandstone  first  increases  and  then  decreases  by approximately 34.66%–35.10% after 400 ℃. With the increase in the size, the energy accumulated in the rock is released, and a large number  of  microfractures  are  produced,  resulting  in  decreasing  the  splitting  strength  of  sandstone  samples  by  approximately 55.61%–56.99%. (2) The relationship between the degradation amplitude of the Brazilian splitting strength of sandstone and its diameter satisfies  a  negative  exponential  function,  which  can  predict  the  Brazilian  splitting  strength  of  sandstone  with  different  sizes  at  high temperatures. (3) The porosity of sandstone increases during Brazilian fracturing, and the load difference relative to fracture propagation and penetration increases with increasing temperature and size. Considering the coupling effect of the two factors, the influence of size and temperature on the load difference decreases with increasing temperature and sandstone’s size. This study is of high significance for roof maintenance and preliminary prediction of the roof strength after a fire. In addition, it can also provide a useful reference for rock engineering design involving high temperatures and size changes, such as nuclear waste treatment, geothermal resource development, and deep well engineering. KEY WORDS    sandstone；high temperature；size effect；Brazilian splitting characteristics；particle flow simulation 核废料处理、地热开发和煤炭地下气化等工 程领域均涉及高温和热应力的作用，高温易使 脆性岩体产生热损伤从而导致岩体破坏. 在核 废料地质封存过程中，释放的热能将导致岩体产 生裂隙，核废料可能通过这些热致裂隙进入生物 圈，从而造成污染[1] ，且为更好地开发地热资源，将 深部能源开发与深部矿产资源开采相结合，开拓 深部采矿经济性的新途径[2] ，需要深入研究高温岩 体的力学性质，并对其进行安全评估. 因此，研究 高温热处理对岩石力学性质的影响具有重要工程 意义. 目前基于高温条件下一定尺寸岩石试样的相 关室内力学试验研究成果已广泛应用于实际工程 设计与实践[3] . 大量研究证明：高温和尺寸对岩石 抗拉和抗压强度均有较大影响，但室内试验条件 相比于工程实践具有一定局限性. 在研究尺寸效 应时，室内试验常用的岩石试件尺寸较小，而在实 际工程中，岩体是主要的赋存形式[4] . 因此，室内 试验结果并不完全适用于实际工程，若将室内试 验结果直接用于工程设计，则相当于将岩石视作 完全均匀[5] ，显然与工程常识相违背，很可能出现 不同程度偏差，进而在实际应用时产生不必要的 经济损失和人员伤亡等. 国内外研究人员从工程 经验、岩体力学理论、室内模型试验和数值模拟 等角度研究了复杂岩体的力学性质，但仍无法准 确把握工程岩体的力学特性. 综上，研究高温岩石 在不同尺寸下的力学特性具有重要的工程意义. 针对岩石的尺寸效应，在国外，Quiñones 等[6] 对不同尺寸的花岗岩进行单轴压缩试验，结果表 明，杨氏模量和样品尺寸之间有明显相关性：对于 直径小于 54 mm 的花岗岩试件而言，其强度随尺 寸的增大而增大. Rong 等[7] 研究不同尺寸高温大 理岩试件的抗压强度变化规律，提出了考虑试件 尺寸和温度综合影响的幂函数模型，可以捕捉归 一化单轴抗压强度随试样尺寸和处理温度的变 化. Zhai 等[8] 研究了石灰岩与人造岩石的尺寸效 应，建立了关于尺寸效应定律的数学模型，可以较 好地预测岩石抗拉强度. 在国内，张明等[9] 推导了 准脆性材料在单轴压缩情况下的毁坏概率和强度 尺寸效应的一般表达式，发现准脆性材料破坏时 的强度与体积有关：随着材料体积增大，其破坏概 率增大、强度逐渐减小. 邓华锋等[10] 和喻勇[11] 针 对不同高径比砂岩开展劈裂抗拉试验和三维有限 元数值模拟研究，结果表明：砂岩试件抗拉强度随 高径比增大而减小，且其端面中部的拉应力相对 较大. 苏海健等[12] 对高温处理后的不同高径比红 砂岩试件开展巴西劈裂试验研究，结果表明：随着 试件温度升高，红砂岩圆盘的抗拉强度逐渐增大， 且与尺寸相比温度对砂岩强度劣化的影响更为显 著. 彭剑文等[13] 在保持跨度−高度比不变的条件 下，对不同尺寸的砂岩试件进行三点弯曲试验并 建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型，发现砂 岩的尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料 之间. 孟庆彬等[14] 对 6 种不同尺寸红砂岩开展不 同应变速率下的单轴压缩试验，发现砂岩的抗压 强度和峰值应变与尺寸呈正相关，而岩石弹性模 量与尺寸无明显相关性. 靖洪文等[15] 利用颗粒流 程序 (Particle flow code, PFC) 计算不同高径比损伤 岩样的单轴抗压强度，发现随着高径比增加，岩样 抗压强度随之下降，且下降趋势逐渐减弱. 针对高温岩石力学，在国外，Li 等[16] 利用加热 后的花岗岩进行巴西圆盘拉伸试验，记录分析微 裂隙长度分布和取向，发现微裂隙的产生量与加 热温度成正比. Sun 等[17] 通过热损伤研究解释了 孙    浩等： 温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 · 27 ·

28 工程科学学报，第44卷，第1期 砂岩在加热过程中孔隙率与波速的变化规律及其 值模型.为此，利用室内巴西劈裂试验获得砂岩应 机理.Wanne和Youngs利用PFC对高温岩石热 力、应变等力学参数，并通过宏-细观参数匹配构建 模拟计算进行了研究，发现模拟中岩石微裂隙的 与室内试验结果相近的数值模型，为不同尺寸下高 位置与物理试验中微裂隙位置在性质上是相似 温砂岩巴西劈裂数值模拟的研究奠定模型基础 的.Zhao利用PFC从微裂纹角度研究了数值模 1.1室内巴西劈裂试验 拟过程中裂纹的演化过程，结果表明高温对岩石 大量研究表明2262，砂岩试件强度在25~ 强度的劣化首先是因为热应力增加，其次是因为 1000℃温度范围内下降较大，且温度阈值主要为 拉伸微裂纹的产生.在国内，秦本东等0研究了 400、600或800℃.因此，为研究砂岩巴西劈裂特 石灰岩和砂岩两种岩石在加热过程中膨胀应力与 性，以200℃为温度梯度进行高温处理，开展 温度的相关性，其相关性系数达0.94以上.张伯虎 25~1000℃温度范围内的巴西劈裂室内试验.所 等通过声发射分析在间接拉伸条件下花岗岩的 用试件为陕西汉中地区取得的质地均匀的黄砂 内部损伤演化，结果表明：当加载应力达到抗拉强 岩，试件是高度为25mm,直径为50mm的标准圆 度时，花岗岩样品会发生瞬间破坏，声发射事件数 盘试件（图1(b)) 量急剧增加，反映了岩石的明显脆性特征.吴顺川 (a) 等2和方新宇等21对25~800℃处理后的花岗 岩试件进行巴西劈裂试验，结果表明：随着温度的 升高，花岗岩的抗拉强度降低，其抗拉强度平均值 为常温条件下抗拉强度的86.25%~22.68%.刘红21 研究了引入温度效应后颗粒流三轴模拟的准确性， 得出用P℉C模拟轴向热应变和体积热变形是可行 的.梁源凯等利用P℉C研究了花岗岩的热破裂 特征，发现裂纹主要在颗粒边缘处产生.孙文进等2 YAW-600 生其制型时网下京件 通过数字图像相关技术(Digital image correlation,. DIC)分析高温砂岩在巴西劈裂过程中两端和中部 图1巴西劈裂室内试验.(a)YAW-600电液压同服岩石压力试验 的应变差，发现随着温度升高，圆盘两端与中部应 机：(b)巴西圆盘试件 Fig.I Laboratory test of Brazilian splitting:(a)YAW-600 electro 变差逐渐减小.Sun等利用PFC研究了不同粒 hydraulic servo rock pressure testing machine,(b)Brazilian disk 度高温花岗岩的力学性能和声发射特性，发现粒 specimen 度对花岗岩热应力和力学特性有重要影响，且声 室内试验步骤如下：(1)利用高温电阻炉将试 发射b值与温度之间存在明显相关性. 件分别进行25、200、400、600、800和1000℃的 目前，国内外学者分别针对温度和试件尺寸 高温处理，为防止砂岩在加热过程中因升降温速 两因素影响下的砂岩巴西劈裂强度特性研究较 率过快产生热冲击，且使试件内外充分受热四2， 多，而对两种因素耦合作用下的砂岩劈裂力学特 高温炉采用的升温速率为5℃·min,到达目标温 性研究尚浅.因此，本文在室内高温砂岩巴西劈裂 度后恒温2h,以充分加热试件使其劣化，再置于 试验的基础上，开展了X射线衍射试验(X-ray 炉内自然冷却至常温；(2)利用康科瑞NM-4B非 diffraction,XRD)和电镜扫描试验，分析了砂岩在 金属超声检测分析仪（图2(a))测量砂岩试件纵波 加热过程中化学物质相变和微细观裂纹发展，并 波速：(3)利用YAW-600电液压伺服岩石压力试 基于颗粒流软件开展不同尺寸高温砂岩的数值模 验机（图1(a))对不同温度处理后的试件进行巴西 拟研究，研究砂岩巴西劈裂强度及其劣化规律、孔 劈裂试验. 隙率增加相对于裂纹扩展贯通的滞后性规律，为 (1)纵波波速是评价岩石物理力学性质，研究 放射性物质深地处理、矿产资源超深开采和煤炭 岩石损伤特征的重要指标，岩石在高温下发生化 地下气化等深部工程开发提供有益参考 学物质相变、颗粒膨胀和裂隙扩展等现象均会导 1 室内试验及数值模型构建 致岩石波速改变测量砂岩纵波波速，可以间接 反映出砂岩内部损伤程度.砂岩试件加热前试件 对不同尺寸下的高温砂岩进行颗粒流模拟，首 平均纵波波速为2.976kms,加热后各温度下试 先需获得一组与岩石试件力学性质相近的砂岩数 件的平均纵波波速与波速变化率如图2(b)所示

砂岩在加热过程中孔隙率与波速的变化规律及其 机理. Wanne 和 Young[18] 利用 PFC 对高温岩石热 模拟计算进行了研究，发现模拟中岩石微裂隙的 位置与物理试验中微裂隙位置在性质上是相似 的. Zhao[19] 利用 PFC 从微裂纹角度研究了数值模 拟过程中裂纹的演化过程，结果表明高温对岩石 强度的劣化首先是因为热应力增加，其次是因为 拉伸微裂纹的产生. 在国内，秦本东等[20] 研究了 石灰岩和砂岩两种岩石在加热过程中膨胀应力与 温度的相关性，其相关性系数达 0.94 以上. 张伯虎 等[21] 通过声发射分析在间接拉伸条件下花岗岩的 内部损伤演化，结果表明：当加载应力达到抗拉强 度时，花岗岩样品会发生瞬间破坏，声发射事件数 量急剧增加，反映了岩石的明显脆性特征. 吴顺川 等[22] 和方新宇等[23] 对 25～800 ℃ 处理后的花岗 岩试件进行巴西劈裂试验，结果表明：随着温度的 升高，花岗岩的抗拉强度降低，其抗拉强度平均值 为常温条件下抗拉强度的 86.25%～22.68%. 刘红[24] 研究了引入温度效应后颗粒流三轴模拟的准确性， 得出用 PFC 模拟轴向热应变和体积热变形是可行 的. 梁源凯等[25] 利用 PFC 研究了花岗岩的热破裂 特征，发现裂纹主要在颗粒边缘处产生. 孙文进等[26] 通过数字图像相关技术 (Digital image correlation, DIC) 分析高温砂岩在巴西劈裂过程中两端和中部 的应变差，发现随着温度升高，圆盘两端与中部应 变差逐渐减小. Sun 等[27] 利用 PFC 研究了不同粒 度高温花岗岩的力学性能和声发射特性，发现粒 度对花岗岩热应力和力学特性有重要影响，且声 发射 b 值与温度之间存在明显相关性. 目前，国内外学者分别针对温度和试件尺寸 两因素影响下的砂岩巴西劈裂强度特性研究较 多，而对两种因素耦合作用下的砂岩劈裂力学特 性研究尚浅. 因此，本文在室内高温砂岩巴西劈裂 试验的基础上 ，开展 了 X 射线衍射试 验 (X-ray diffraction, XRD) 和电镜扫描试验，分析了砂岩在 加热过程中化学物质相变和微细观裂纹发展，并 基于颗粒流软件开展不同尺寸高温砂岩的数值模 拟研究，研究砂岩巴西劈裂强度及其劣化规律、孔 隙率增加相对于裂纹扩展贯通的滞后性规律，为 放射性物质深地处理、矿产资源超深开采和煤炭 地下气化等深部工程开发提供有益参考. 1    室内试验及数值模型构建 对不同尺寸下的高温砂岩进行颗粒流模拟，首 先需获得一组与岩石试件力学性质相近的砂岩数 值模型. 为此，利用室内巴西劈裂试验获得砂岩应 力、应变等力学参数，并通过宏−细观参数匹配构建 与室内试验结果相近的数值模型，为不同尺寸下高 温砂岩巴西劈裂数值模拟的研究奠定模型基础. 1.1    室内巴西劈裂试验 大量研究表明[12, 26, 28] ，砂岩试件强度在 25～ 1000 ℃ 温度范围内下降较大，且温度阈值主要为 400、600 或 800 ℃. 因此，为研究砂岩巴西劈裂特 性 ， 以 200 ℃ 为温度梯度进行高温处理 ，开 展 25～1000 ℃ 温度范围内的巴西劈裂室内试验. 所 用试件为陕西汉中地区取得的质地均匀的黄砂 岩，试件是高度为 25 mm，直径为 50 mm 的标准圆 盘试件（图 1（b））. (a) (b) 图 1    巴西劈裂室内试验. （a）YAW−600 电液压伺服岩石压力试验 机；（b）巴西圆盘试件 Fig.1     Laboratory  test  of  Brazilian  splitting:  (a)  YAW−600  electro hydraulic  servo  rock  pressure  testing  machine;  (b)  Brazilian  disk specimen 室内试验步骤如下：（1）利用高温电阻炉将试 件分别进行 25、200、400、600、800 和 1000 ℃ 的 高温处理，为防止砂岩在加热过程中因升降温速 率过快产生热冲击，且使试件内外充分受热[22, 26] ， 高温炉采用的升温速率为 5 ℃·min−1，到达目标温 度后恒温 2 h，以充分加热试件使其劣化，再置于 炉内自然冷却至常温；（2）利用康科瑞 NM−4B 非 金属超声检测分析仪（图 2（a））测量砂岩试件纵波 波速；（3）利用 YAW−600 电液压伺服岩石压力试 验机（图 1（a））对不同温度处理后的试件进行巴西 劈裂试验. （1）纵波波速是评价岩石物理力学性质，研究 岩石损伤特征的重要指标，岩石在高温下发生化 学物质相变、颗粒膨胀和裂隙扩展等现象均会导 致岩石波速改变[29] . 测量砂岩纵波波速，可以间接 反映出砂岩内部损伤程度. 砂岩试件加热前试件 平均纵波波速为 2.976 km·s−1，加热后各温度下试 件的平均纵波波速与波速变化率如图 2（b）所示. · 28 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期

孙浩等：温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 29· (a (b) 2.8 21.41% 2.4 2 2.0 19.97% 1.6 25 200400600 8001000 Temperature/℃ 图2不同温度下砂岩平均纵波波速.(a)康科瑞NM-4B非金属超声检测分析仪：(b)纵波波速曲线 Fig.2 P-wave velocity of sandstone at different temperatures:(a)concrete NM-4B metalloid ultrasonic testing analyzer,(b)P-wave velocity curve 波速变化率计算公式如下： 砂岩纵波波速在800~1000℃之间下降较 Av=Yo-v ×100% (1) 大的主要原因是在高温下岩石内部产生较多微 Vo 裂隙，导致岩石完整性下降，图4为800℃和 其中，△v为波速变化率；o为高温作用前砂岩试样 1000℃时的砂岩电镜扫描结果.从图4中可以看 的纵波波速，kms;v为高温作用后砂岩试样的纵 出：800℃时砂岩晶体表面较粗糙，微裂纹初步贯 波波速，kms 通形成孔洞，完整性较差；1000℃时砂岩晶体表 如图2(b)所示，砂岩纵波波速在25~400℃ 面破碎，出现大量孔洞，晶体完整性进一步降低， 之间变化不大，温度大于400℃后波速迅速下降， 使砂岩强度迅速降低.在不同温度下砂岩产生了 且在400~600℃与800~1000℃之间下降最大， 不同损伤，对后续巴西劈裂试验结果产生了不同 分别下降了21.41%和19.97%.说明温度在达到 影响 400℃之前，砂岩没有明显的裂隙产生和扩展，波 速略有下降的主要原因可能是在高温下砂岩内部 (a) 孔隙膨胀.在400~600℃之间波速迅速下降的主 要原因可能是砂岩在该温度范围内化学物质发生 Pores 相变.图3为砂岩矿物成分衍射强度随温度变化 曲线，可以发现，砂岩在400~600℃间石英和高 Pores 岭石的衍射强度迅速降低，而云母的衍射强度基 10m 10 um 本不变，即说明在该温度范围内石英与高岭石发 图4砂岩电镜扫描图像.(a)800℃时扫描电镜图像：(b)1000℃时 生相变.由傅国飞和徐洪武30的研究可知：石英 扫描电镜图像 在573℃时发生由a相到β相的转变，且高岭石 Fig.4 SEM images of sandstone at:(a)800℃，(b)1000℃ (A12O32SiO22HO)在温度超过470℃时发生分解 (2)不同温度下标准砂岩试件的巴西劈裂试 反应，脱水形成偏高岭石(A12O32SiO2)别 验结果如表1所示.砂岩试件巴西劈裂强度在 5000 25~400℃之间变化较小，且呈增大趋势，其原因 4000 士ga流e 是砂岩在较低温度下主要发生热膨胀，岩石内部 ▲-Mica 损伤小，且没有明显的化学物质相变.400℃之后 三3000 砂岩强度降低，损伤增大，且在800~1000℃之间 2000 砂岩强度降低最大，说明砂岩在800℃后发生较 Temperature range of mineral phase 大损伤，产生大量微裂隙，使岩石强度迅速降低 砂岩劈裂强度与纵波波速变化规律基本一致，说 明二者均与岩石内部损伤有密切关系.由上述分 0 200 400600 800 1000 析可知，400℃和800℃可以视作砂岩的两个温 Temperature/℃ 度阈值，400℃为砂岩强度开始劣化的阈值，800℃ 图3砂岩矿物成分衍射强度随温度变化曲线 Fig.3 Variation curves of the mineral composition diffraction intensity 为砂岩强度迅速劣化的阈值 of sandstone with temperature (3)不同岩石中所含矿物成分不同，而岩石力

波速变化率计算公式如下： ∆v = v0 −v v0 ×100% （1） 其中，Δv 为波速变化率；v0 为高温作用前砂岩试样 的纵波波速，km·s−1 ；v 为高温作用后砂岩试样的纵 波波速，km·s−1 . 如图 2（b）所示，砂岩纵波波速在 25～400 ℃ 之间变化不大，温度大于 400 ℃ 后波速迅速下降， 且在 400～600 ℃ 与 800～1000 ℃ 之间下降最大， 分别下降了 21.41% 和 19.97%. 说明温度在达到 400 ℃ 之前，砂岩没有明显的裂隙产生和扩展，波 速略有下降的主要原因可能是在高温下砂岩内部 孔隙膨胀. 在 400～600 ℃ 之间波速迅速下降的主 要原因可能是砂岩在该温度范围内化学物质发生 相变. 图 3 为砂岩矿物成分衍射强度随温度变化 曲线，可以发现，砂岩在 400～600 ℃ 间石英和高 岭石的衍射强度迅速降低，而云母的衍射强度基 本不变，即说明在该温度范围内石英与高岭石发 生相变. 由傅国飞和徐洪武[30] 的研究可知：石英 在 573 ℃ 时发生由 α 相到 β 相的转变，且高岭石 (Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O) 在温度超过 470 ℃ 时发生分解 反应，脱水形成偏高岭石 (Al2O3 ·2SiO2 ) [31] . Diffraction intensity (counts) 5000 4000 3000 2000 1000 0 Temperature range of mineral phase Temperature/℃ 0 200 400 600 800 1000 Mica Kaolinite Quartz 图 3    砂岩矿物成分衍射强度随温度变化曲线 Fig.3    Variation curves of the mineral composition diffraction intensity of sandstone with temperature 砂岩纵波波速在 800～1000 ℃ 之间下降较 大的主要原因是在高温下岩石内部产生较多微 裂隙 ，导致岩石完整性下降 . 图 4 为 800 ℃ 和 1000 ℃ 时的砂岩电镜扫描结果. 从图 4 中可以看 出：800 ℃ 时砂岩晶体表面较粗糙，微裂纹初步贯 通形成孔洞，完整性较差；1000 ℃ 时砂岩晶体表 面破碎，出现大量孔洞，晶体完整性进一步降低， 使砂岩强度迅速降低. 在不同温度下砂岩产生了 不同损伤，对后续巴西劈裂试验结果产生了不同 影响. 10 μm 10 μm (a) (b) Pores Pores 图 4    砂岩电镜扫描图像. （a）800 ℃ 时扫描电镜图像；（b）1000 ℃ 时 扫描电镜图像 Fig.4    SEM images of sandstone at: (a) 800 ℃; (b) 1000 ℃ （2）不同温度下标准砂岩试件的巴西劈裂试 验结果如表 1 所示. 砂岩试件巴西劈裂强度在 25～400 ℃ 之间变化较小，且呈增大趋势，其原因 是砂岩在较低温度下主要发生热膨胀，岩石内部 损伤小，且没有明显的化学物质相变. 400 ℃ 之后 砂岩强度降低，损伤增大，且在 800～1000 ℃ 之间 砂岩强度降低最大，说明砂岩在 800 ℃ 后发生较 大损伤，产生大量微裂隙，使岩石强度迅速降低. 砂岩劈裂强度与纵波波速变化规律基本一致，说 明二者均与岩石内部损伤有密切关系. 由上述分 析可知，400 ℃ 和 800 ℃ 可以视作砂岩的两个温 度阈值，400 ℃ 为砂岩强度开始劣化的阈值，800 ℃ 为砂岩强度迅速劣化的阈值. （3）不同岩石中所含矿物成分不同，而岩石力 25 1.2 2.8 2.4 2.0 1.6 200 (b) 19.97% 21.41% 400 600 800 1000 Temperature/℃ Average P-wave velocity/(km·s−1 ) (a) 图 2    不同温度下砂岩平均纵波波速. （a）康科瑞 NM−4B 非金属超声检测分析仪；（b）纵波波速曲线 Fig.2    P-wave velocity of sandstone at different temperatures: (a) concrete NM−4B metalloid ultrasonic testing analyzer; (b) P-wave velocity curve 孙    浩等： 温度对不同尺寸砂岩巴西劈裂特性影响 · 29 ·