工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉李鹏郭奇峰蔡美峰任奋华张杰 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui.LI Peng,GUO Qi-feng,CAI Mei-feng.REN Fen-hua.ZHANG Jie 引用本文： 吴星辉，李鹏.郭奇峰.蔡美峰，任奋华，张杰.热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展.工程科学学报，优先发表.do: 10.13374j.issn2095-9389.2020.12.23.007 WU Xing-hui,LI Peng.GUO Qi-feng,CAI Mei-feng,REN Fen-hua,ZHANG Jie.Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.12.23.007 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.12.23.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报.2019,41(11)：1374htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.05.07.004 THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling 工程科学学报.2020,42(11)：1389htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.003 高温应变片的热输出耦合特性 Thermal output coupling characteristics of high-temperature strain gauges 工程科学学报.2018.40(9：外1131 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.09.015 煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型研究及应用 Study of the multi-index coupling forecasting model of coal and gas outburst and its application 工程科学学报.2018,40(11：1309htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.004 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报.2020,42(6：715 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.11.05.004 THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling 工程科学学报.2021,43(1)：47 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.005
热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉 李鹏 郭奇峰 蔡美峰 任奋华 张杰 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui, LI Peng, GUO Qi-feng, CAI Mei-feng, REN Fen-hua, ZHANG Jie 引用本文: 吴星辉, 李鹏, 郭奇峰, 蔡美峰, 任奋华, 张杰. 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007 WU Xing-hui, LI Peng, GUO Qi-feng, CAI Mei-feng, REN Fen-hua, ZHANG Jie. Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.12.23.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报. 2019, 41(11): 1374 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004 THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述 A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling 工程科学学报. 2020, 42(11): 1389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.003 高温应变片的热输出耦合特性 Thermal output coupling characteristics of high-temperature strain gauges 工程科学学报. 2018, 40(9): 1131 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.015 煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型研究及应用 Study of the multi-index coupling forecasting model of coal and gas outburst and its application 工程科学学报. 2018, 40(11): 1309 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.004 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报. 2020, 42(6): 715 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.004 THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling 工程科学学报. 2021, 43(1): 47 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005
工程科学学报.第44卷，第X期：1-13.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-13,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007;http://cje.ustb.edu.cn 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉2，李鹏2，郭奇峰2)，蔡美峰1,2)四，任奋华12，张杰2) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)城市与地下空间工程北京市重点实验室（北京科技大学），北京100083 ☒通信作者，E-mail:caimeifeng@ustb.edu.cn 摘要为深入了解温度作用下岩石热损伤演化机制，对超深钻探、深地实验室、核废料处置库、地热资源开发等地下岩体 工程的安全性和稳定性做出合理性评价，本文通过分析整理国内外文献，系统综述了温度作用下岩体变形破坏方面的研究进 展与成果.简述了高温作用下岩石的物理力学特性，侧重总结了岩石物理力学参量随温度变化的演化规律.重点分析了深部 岩石材料在高温条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射(AE)、超声波(UT)、X射线分析 (XRD)、偏光显微镜(PM)、扫描电子显微镜(SEM)、核成像技术(NMR)以及CT扫描技术等先进的辅助试验设备在热破裂分 析中的应用.归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法及适用条件，简略阐述了温度作用下岩石力学参 量变异性特征.最后，指出了当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性，并从深部地下工程建设方面展望了未来的发展方 向，即多尺度、多场-相探究岩石热损伤机理，宏-细-微观角度系统分析岩石热损伤演化规律 关键词高温岩体；热损伤：破坏机制；耦合模型：热破裂 分类号TU452 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui2,LI Peng2),GUO Qi-feng2,CAl Mei-feng2,REN Fen-hua2,ZHANG Jie2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering(University of Science and Technology Beijing),Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:caimeifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT With the depletion of the earth's shallow resources,the exploration of deep rock engineering has become a research hotspot.The research mostly focuses on the influence of high temperature on the properties of deep rocks.This study aims to understand the thermal damage evolution mechanism in a rock under high temperature and make a reasonable evaluation on the safety and stability of underground rock engineering.such as ultra-deep well drilling,deep ground laboratory,nuclear waste disposal,and geothermal resource development.Based on the analysis and review of domestic and foreign literature,the authors systematically reviewed the research progress and development of deformation and failure of the high-temperature rock masses and temperature-varying rock masses under temperature effect.The physical and mechanical properties of rocks after being subjected to high temperature and under real-time high temperature were briefly described.The changes with temperature in the physical and mechanical parameters of deep rocks were summarized.The latest research on the deformation and failure mechanism under high temperature was analyzed,and the applications of advanced auxiliary test technologies,such as acoustic emission (AE),ultrasonic testing (UT),X-ray diffraction (XRD),polarizing microscope(PM),scanning electron microscope(SEM),nuclear magnetic resonance(NMR),and computed tomography(CT)scanning 收稿日期：2020-12-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52074020)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP20-041A1):国家重点研发计划 资助项目(2017YFC0804103)
热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 吴星辉1,2)，李 鹏1,2)，郭奇峰1,2)，蔡美峰1,2) 苣，任奋华1,2)，张 杰1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 城市与地下空间工程北京市重点实验室（北京科技大学），北京 100083 苣通信作者，E-mail：caimeifeng@ustb.edu.cn 摘 要 为深入了解温度作用下岩石热损伤演化机制，对超深钻探、深地实验室、核废料处置库、地热资源开发等地下岩体 工程的安全性和稳定性做出合理性评价，本文通过分析整理国内外文献，系统综述了温度作用下岩体变形破坏方面的研究进 展与成果. 简述了高温作用下岩石的物理力学特性，侧重总结了岩石物理力学参量随温度变化的演化规律. 重点分析了深部 岩石材料在高温条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射 (AE)、超声波 (UT)、X 射线分析 （XRD）、偏光显微镜 (PM)、扫描电子显微镜 (SEM)、核成像技术（NMR）以及 CT 扫描技术等先进的辅助试验设备在热破裂分 析中的应用. 归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法及适用条件，简略阐述了温度作用下岩石力学参 量变异性特征. 最后，指出了当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性，并从深部地下工程建设方面展望了未来的发展方 向，即多尺度、多场−相探究岩石热损伤机理，宏−细−微观角度系统分析岩石热损伤演化规律. 关键词 高温岩体；热损伤；破坏机制；耦合模型；热破裂 分类号 TU452 Research progress on the evolution of physical and mechanical properties of thermally damaged rock WU Xing-hui1,2) ，LI Peng1,2) ，GUO Qi-feng1,2) ，CAI Mei-feng1,2) 苣 ，REN Fen-hua1,2) ，ZHANG Jie1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering (University of Science and Technology Beijing), Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: caimeifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT With the depletion of the earth ’s shallow resources, the exploration of deep rock engineering has become a research hotspot. The research mostly focuses on the influence of high temperature on the properties of deep rocks. This study aims to understand the thermal damage evolution mechanism in a rock under high temperature and make a reasonable evaluation on the safety and stability of underground rock engineering, such as ultra-deep well drilling, deep ground laboratory, nuclear waste disposal, and geothermal resource development. Based on the analysis and review of domestic and foreign literature, the authors systematically reviewed the research progress and development of deformation and failure of the high-temperature rock masses and temperature-varying rock masses under temperature effect. The physical and mechanical properties of rocks after being subjected to high temperature and under real-time high temperature were briefly described. The changes with temperature in the physical and mechanical parameters of deep rocks were summarized. The latest research on the deformation and failure mechanism under high temperature was analyzed, and the applications of advanced auxiliary test technologies, such as acoustic emission (AE), ultrasonic testing (UT), X-ray diffraction (XRD), polarizing microscope (PM), scanning electron microscope (SEM), nuclear magnetic resonance (NMR), and computed tomography (CT) scanning 收稿日期: 2020−12−23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52074020）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-TP-20-041A1）；国家重点研发计划 资助项目（2017YFC0804103） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−13，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−13, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.23.007; http://cje.ustb.edu.cn
2 工程科学学报，第44卷，第X期 system,in the deformation and failure analysis were introduced.The advantages and disadvantages of the coupled thermal-stress model of the rock,the numerical analysis method,and the applicable conditions were summarized.The variation characteristics of the rock's mechanical parameters under high temperature were briefly described.Finally,the limitations of the current studies on high-temperature thermal damage in deep rocks were pointed out.The future prospects were discussed from several aspects,i.e.,to explore the mechanism of rock thermal damage in a multi-scale and multi-field-phase,and the evolution law of rock thermal damage was systematically analyzed from macro,meso,and micro aspects. KEY WORDS high temperature rock mass;thermal damage;failure mechanism:coupling model;thermal cracking 资源和能源是国民经济发展的两个重要支 生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时， 柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时 岩石处于收缩状态且产生拉应力.岩石拉应力过 代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至 大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹.裂 关重要.随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采 纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石 必须向地球深部进军山习近平总书记在全国科 自身的强度和性质.在超深钻探时可以利用岩石 技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决 的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热 的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探 应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造 索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的 成井壁塌孔和破裂.此外，在地热开发过程中，将 需求 循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热 近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、 交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲 深部资源开采等深部工程日渐兴盛.俄罗斯科拉 击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、 超深钻孔深度为12262m,库页岛的Odoptu-11油 三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发 井深度为12345m(世界最深).中国锦屏地下实验 的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率.同 室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达 时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程 2400m,是目前世界岩石覆盖最深的实验室.中国 中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破 甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为560m 裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采 左右的高放废物处置地下实验室.目前，开采深度 本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过 最大的矿山在南非，开采深度已达4350m,已探明 综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物 矿体延到6000m以下.我国三分之一以上的地下 理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂 金属矿山未来十年内开采深度将超过1000m,最 机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数 大的开采深度可达到2000~3000m.超深井钻探 值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤 过程中需要用冷水对钻头进行降温处理：地下储 研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损 气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气 伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的 库进行低温处理：核废料具有高放射性，释放的热 研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障 量会使岩体温度升高.深部矿山开采过程中通常 超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使 采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通 其能够安全高效运行 常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进 1高温岩石物理力学特性试验研究 行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石 内部在此过程中会产生一定的热应力.美国加利 深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质 福尼亚理工学院四通过对加利福尼亚Brawley和 的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通 C0S0地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱 的演化进程.国内外的众多学者开展了一系列的 发地震活动的影响.结果发现，在地热开采过程 岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度 中，注入冷流体引起的热应力在触发地震活动中 的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩 起着重要作用.深部地下空间建设过程中都涉及 石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身 到温度的变化，在研究深部地下空间建设的同时. 强度时则形成微裂纹造成损伤的研究 岩体热损伤问题仍是研究的热点 1.1岩石热损伤物理特性变化 岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产 在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的
system, in the deformation and failure analysis were introduced. The advantages and disadvantages of the coupled thermal-stress model of the rock, the numerical analysis method, and the applicable conditions were summarized. The variation characteristics of the rock’s mechanical parameters under high temperature were briefly described. Finally, the limitations of the current studies on high-temperature thermal damage in deep rocks were pointed out. The future prospects were discussed from several aspects, i.e., to explore the mechanism of rock thermal damage in a multi-scale and multi-field-phase, and the evolution law of rock thermal damage was systematically analyzed from macro, meso, and micro aspects. KEY WORDS high temperature rock mass；thermal damage；failure mechanism；coupling model；thermal cracking 资源和能源是国民经济发展的两个重要支 柱，对保证我国国民经济可持续健康发展和新时 代社会主义现代化世界强国建设目标的实现至 关重要. 随着地球浅部资源的枯竭，资源的开采 必须向地球深部进军[1] . 习近平总书记在全国科 技大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决 的战略科技问题”，把深部资源开发作为人类探 索的需求、国家发展战略的需求和经济发展的 需求. 近年来，超深钻探、深地实验室、核废料处置、 深部资源开采等深部工程日渐兴盛. 俄罗斯科拉 超深钻孔深度为 12262 m，库页岛的 Odoptu-11 油 井深度为 12345 m（世界最深）. 中国锦屏地下实验 室是我国首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达 2400 m，是目前世界岩石覆盖最深的实验室. 中国 甘肃北山的核废料处置库是我国首座深度为 560 m 左右的高放废物处置地下实验室. 目前，开采深度 最大的矿山在南非，开采深度已达 4350 m，已探明 矿体延到 6000 m 以下. 我国三分之一以上的地下 金属矿山未来十年内开采深度将超过 1000 m，最 大的开采深度可达到 2000～3000 m. 超深井钻探 过程中需要用冷水对钻头进行降温处理；地下储 气库为保证天然气等的液态储存状态，会对储气 库进行低温处理；核废料具有高放射性，释放的热 量会使岩体温度升高. 深部矿山开采过程中通常 采用通风系统对岩体进行降温；对于地热开采，通 常采用换热不换水的方式，将冷水注入干热岩进 行热量交换，通过冷热水循环将热能采出，但岩石 内部在此过程中会产生一定的热应力. 美国加利 福尼亚理工学院[2] 通过对加利福尼亚 Brawley 和 Coso 地热工程的地表变形研究，分析热应力对诱 发地震活动的影响. 结果发现，在地热开采过程 中，注入冷流体引起的热应力在触发地震活动中 起着重要作用. 深部地下空间建设过程中都涉及 到温度的变化，在研究深部地下空间建设的同时， 岩体热损伤问题仍是研究的热点. 岩体热损伤问题主要是岩石温度发生变化产 生的热应力所致，当高温岩石受到急冷却作用时， 岩石处于收缩状态且产生拉应力. 岩石拉应力过 大超过岩石本身抗拉强度时，岩石产生微裂纹. 裂 纹从萌生、发育到贯通的过程，就会大大劣化岩石 自身的强度和性质. 在超深钻探时可以利用岩石 的这种性质进行破岩，提高破岩效率，但是由于热 应力引起的岩体损伤也会降低井壁的稳定性，造 成井壁塌孔和破裂. 此外，在地热开发过程中，将 循环水注入地热储层中，冷水与高温岩体进行热 交换的同时，也会对高温岩体产生强烈的温度冲 击，岩层中的原生裂隙由于温度降低会发生二次、 三次或更多次的破裂，形成网状裂隙系统，所诱发 的裂缝有助于增加换热通道，提高采热效率. 同 时，冷水也会对地热储层产生冲击，温度冲击过程 中岩层裂隙萌生、扩展到贯通，造成储热层岩体破 裂、失稳等灾害，影响地热的安全开采. 本文针对地下高温岩体的热损伤问题，通过 综述国内外研究成果，总结归纳了热损伤岩石物 理力学参数演化特征、岩石热损伤微观结构破裂 机理、热损伤岩石本构模型研究以及热力耦合数 值分析四个方面，指出了温度作用下岩石热损伤 研究目前存在的局限性，提出温度冲击对岩石损 伤分析的重要性，展望了未来岩石热损伤问题的 研究趋势，以期更好地服务于地下空间工程，保障 超深钻探、高放废物处置库、地热开采等工程，使 其能够安全高效运行. 1 高温岩石物理力学特性试验研究 深部高温岩体受热应力作用后物理力学性质 的变化本质上是微裂纹从无到有、从萌发到贯通 的演化进程. 国内外的众多学者开展了一系列的 岩石高温试验来探索岩石的物理力学性质随温度 的演化特征，目前的研究成果，多数是先热处理岩 石进而使其产生热应力，当热应力超过岩石自身 强度时则形成微裂纹造成损伤的研究. 1.1 岩石热损伤物理特性变化 在过去的几十年里，国内外学者投入了大量的 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 3 精力来研究高温对岩石性质的影响.早在1979年， 隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现 Bauer和Johnson!)开展了高温作用下的花岗岩物 三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处 理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风 理温度的增大而孔隙度增大，如图1所示，孔隙度 花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度 先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石 对两种花岗岩物理特性的影响.Trice和Warren! 热损伤温度阈值.而Zhang等发现高温处理后 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透 的Carrara大理岩渗透率在327~427℃之间显著 率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关 增大，但是连通性轻微减弱，认为在327~427℃ 系.张卫强阿开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔 之间存在一个温度阈值 3.5 10.0 4.5 (a) (b) 3.0 4.0 (c) Rapid 9.5 Rapid 3.5 2.5 ■ 、2.0 9.0 25 1.5 Rapid 1.0 Slow Slow ■ 1.5 Slow 8.0 1.0 0.5 ◆ ◆ 0.5 ■ 0.0 7.5 0.0 100200300400500 600 0 100200300400500600 200400600800 1000 Temperature/℃ Temperature/C Temperature/C 图1岩石孔隙度随温度的变化特征(a)灰岩：(b)砂岩：(c)花岗岩 Fig.1 Variation characteristics of rock porosity with temperaturelsl:(a)limestone;(b)sandstone;(c)granite 岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方 产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生， 式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化.靳 而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩 佩桦等开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化 石部分熔融.而在1998年，席道瑛等选择大理 研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行 岩、花岗岩和砂岩进行高温(60~600℃)试验，高 测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增 温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速 加后急剧增加.在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于 随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因 相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协 除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系 调导致岩石热破裂：在急剧冷却阶段，花岗岩再次 数和孔隙度的增大.胡建军o不仅发现灰岩波速 受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产 在100~500℃逐渐下降，而且发现波速下降与加 生，从而使花岗岩的渗透性再次增加 热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化 1996年，赵志丹等8剧开展高温高压作用后的 率增大.此外，在循环次数相同情况下，随着处理 花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存 温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图2 在波速降低现象，并对该现象进行了分析.他认为 所示 a (b) 4 --Cycle time 0 Cycle time I -100℃ A-Cycle time 2 ◆200℃ Cycle time 3 Cvcle time 4 ◆一 8 Cycle time 5 500℃ 100 200 300 400 500 0 3 Temperature/C Cycle time 国2高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化()，以及随循环次数的变化(b)侧 Fig.2 Changes in the P-wave velocity with (a)temperature and (b)cycle time of limestone after high-temperature heat treatment
精力来研究高温对岩石性质的影响. 早在 1979 年， Bauer 和 Johnson[3] 开展了高温作用下的花岗岩物 理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风 花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度 对两种花岗岩物理特性的影响. Trice 和 Warren[4] 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透 率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关 系. 张卫强[5] 开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔 隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现 三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处 理温度的增大而孔隙度增大，如图 1 所示，孔隙度 先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石 热损伤温度阈值. 而 Zhang 等[6] 发现高温处理后 的 Carrara 大理岩渗透率在 327～427 ℃ 之间显著 增大，但是连通性轻微减弱，认为在 327～427 ℃ 之间存在一个温度阈值. 0 100 200 300 400 500 600 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid (a) (b) 0 100 200 300 400 500 600 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid (c) 0 200 400 600 800 1000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid 图 1 岩石孔隙度随温度的变化特征[5] . （a）灰岩；（b）砂岩；（c）花岗岩 Fig.1 Variation characteristics of rock porosity with temperature[5] : (a) limestone; (b) sandstone; (c) granite 岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方 式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化. 靳 佩桦等[7] 开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化 研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行 测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增 加后急剧增加. 在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于 相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协 调导致岩石热破裂；在急剧冷却阶段，花岗岩再次 受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产 生，从而使花岗岩的渗透性再次增加. 1996 年，赵志丹等[8] 开展高温高压作用后的 花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存 在波速降低现象，并对该现象进行了分析. 他认为 产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生， 而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩 石部分熔融. 而在 1998 年，席道瑛等[9] 选择大理 岩、花岗岩和砂岩进行高温（60～600 ℃）试验，高 温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速 随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因 除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系 数和孔隙度的增大. 胡建军[10] 不仅发现灰岩波速 在 100～500 ℃ 逐渐下降，而且发现波速下降与加 热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化 率增大. 此外，在循环次数相同情况下，随着处理 温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图 2 所示. 100 200 300 400 500 1 2 3 4 5 Temperature/℃ Cycle time 0 Cycle time 1 Cycle time 2 Cycle time 3 Cycle time 4 Cycle time 5 P-wave velocity/(km·s−1 ) (a) 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Cycle time 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ P-wave velocity/(km·s−1 ) (b) 图 2 高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化（a），以及随循环次数的变化（b） [10] Fig.2 Changes in the P-wave velocity with (a) temperature and (b) cycle time of limestone after high-temperature heat treatment[10] 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 除了对岩石热损伤后的渗透率和波速随温度 随着试验设备的革新，关于热损伤对岩石力 变化特性研究以外，Aurangzeb等山开展岩石热损 学特性的研究，国内外学者根据加热方式的不同 伤理论研究，提出不同温度作用下的岩石导热系 又分为实时高温和高温作用后的岩石力学性质研 数、比热容和热扩散系数预测模型，然后通过瞬态 究.Oda采用实时加热方式，研究了不同温度作 平面热源法对灰岩进行导热系数、比热容和热扩 用下岩石的杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度、单 散系数测试，结果表明预测模型与实测数据基本 轴抗拉强度和断裂韧性等力学性质，并对力学参 符合，误差在8%以内.对岩石导热系数的准确评 数随温度变化规律进行分析，揭示岩石热损伤破 估对于高放废物处置库的设计和规划是很有必要 坏机理.许锡昌啊同样采用实时加热的方式，对 的.同时，由于持续的热荷载，围岩体热交换界面 三峡花岗岩力学参数进行测试，测试结果显示花岗 可能会发生热损伤，这样会降低围岩的导热系数 岩弹性模量和单轴抗压强度随温度(20~600℃) 因此，弄清楚高温下围岩体的导热系数对于设计 的增加而减少，并且在75℃和200℃发生大幅度 高放废物处置库至关重要 变化，认为75℃和200℃为岩石试样的温度阈 国内外学者普遍认为，对于深部地下岩石热 值.Yang等161开展了室温~800℃高温处理的砂 损伤问题，主要是由微裂纹的生长驱动的，这进一 岩物理力学特性研究，结果表明砂岩的温度阈值 步导致岩石在宏观尺度上的物理性质的退化.综 在400~500℃.而砂岩在300℃时峰值强度和弹 合分析以上试验结果，可以看出岩石热损伤后形 性模量最大，泊松比随温度升高的变化曲线在 成的微裂纹是如何改变岩石质量、体积、孔隙率、 600℃时出现转折，呈现先降低后增加的趋势.苏 渗透率和纵波波速的，这些研究为热损伤岩石的 承东等7-11分别对高温作用(100~900℃)后粗砂 物理特性演化提供了有意义的结论， 岩和细砂岩进行力学特性测试，结果表明对于粗 1.2岩石热损伤力学特性变化 砂岩来讲，500℃为拐点会出现力学参数的突变， 1970年以来，国内外学者通过理论和试验的 在细砂岩力学实验研究中，600℃为细砂岩力学 方法研究了岩石热损伤对岩石自身力学性质的影 性能改变的阈值温度.力学参数是从宏观角度表 响.目前已有一些学者在此方面取得了一定成果 征岩石破裂情况，而声发射监测以岩石破裂事件 温度变化主要通过对岩石弹性模量、泊松比和抗 数为依据进行统计，二者相辅相成.武晋文等 压强度的影响从而改变岩石的力学性质.热损伤 在力学试验的同时采用声发射设备进行监测岩石 的温度阈值不仅体现在岩石物理特性，温度阈值 破坏过程，通过声发射数据发现330℃是花岗岩 同样存在于其他力学参数，张静华等通过花岗 热破裂性质转变的温度阈值，依据声发射得出的 岩断裂试验和单轴压缩试验，发现断裂韧度在随 温度阈值要低于力学参数拐点处温度阈值.花岗 温度升高过程中存在门槛温度200℃.张连英等] 岩的失稳形式受温度的影响，通过对高温花岗岩 开展室温到800℃的石灰岩基本力学参数试验，发 单轴压缩试验，得出温度较低时岩石试样突变失 现弹性模量和峰值应力在600℃时会快速下降，认 稳，高温导致的岩石失稳存在一个渐进过程.岩石 为600℃是灰岩力学参数的温度阈值，如图3所示 赋存深度不同，受到的围岩影响也不尽相同， 150 Kumari等2o]开展高温、高压共同作用下的花岗岩 力学特性测试，二者对岩石力学性质均有影响，并 120 且围压对岩石力学性质的影响要大于温度效应 万志军等2四开展了花岗岩在高温三轴应力下的变 形和破坏特征研究，通过试验发现花岗岩在高温 高压下的变形分为低温缓慢变形段、中高温快速 变形段和高温平缓变形段.在高温条件下，破坏形 式为典型的剪切破坏：而在高温和高压条件下，破 --Elastic modulus ●-Peak stress 坏形式向延性转化，如图4所示.高温高压条件 0100200300400500600700800 下，砂岩在围压为20MPa、温度为400℃时杨氏 Temperature/C 模量和峰值强度变化特征存在拐点，超过该点杨 图3石灰岩弹性模量和峰值应力随温度变化闯 Fig.3 Variation of the elastic modulus and peak stress of limestone with 氏模量和峰值强度会降低四 temperaturels 此外，表1总结了前人在不同冷却方式下高温花
除了对岩石热损伤后的渗透率和波速随温度 变化特性研究以外，Aurangzeb 等[11] 开展岩石热损 伤理论研究，提出不同温度作用下的岩石导热系 数、比热容和热扩散系数预测模型，然后通过瞬态 平面热源法对灰岩进行导热系数、比热容和热扩 散系数测试，结果表明预测模型与实测数据基本 符合，误差在 8% 以内. 对岩石导热系数的准确评 估对于高放废物处置库的设计和规划是很有必要 的. 同时，由于持续的热荷载，围岩体热交换界面 可能会发生热损伤，这样会降低围岩的导热系数. 因此，弄清楚高温下围岩体的导热系数对于设计 高放废物处置库至关重要. 国内外学者普遍认为，对于深部地下岩石热 损伤问题，主要是由微裂纹的生长驱动的，这进一 步导致岩石在宏观尺度上的物理性质的退化. 综 合分析以上试验结果，可以看出岩石热损伤后形 成的微裂纹是如何改变岩石质量、体积、孔隙率、 渗透率和纵波波速的，这些研究为热损伤岩石的 物理特性演化提供了有意义的结论. 1.2 岩石热损伤力学特性变化 1970 年以来，国内外学者通过理论和试验的 方法研究了岩石热损伤对岩石自身力学性质的影 响. 目前已有一些学者在此方面取得了一定成果. 温度变化主要通过对岩石弹性模量、泊松比和抗 压强度的影响从而改变岩石的力学性质. 热损伤 的温度阈值不仅体现在岩石物理特性，温度阈值 同样存在于其他力学参数，张静华等[12] 通过花岗 岩断裂试验和单轴压缩试验，发现断裂韧度在随 温度升高过程中存在门槛温度 200 ℃. 张连英等[13] 开展室温到 800 ℃ 的石灰岩基本力学参数试验，发 现弹性模量和峰值应力在 600 ℃ 时会快速下降，认 为 600 ℃ 是灰岩力学参数的温度阈值，如图 3 所示. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 4 8 12 16 20 Elastic modulus/GPa Temperature/℃ Elastic modulus 0 30 60 90 120 150 Peak stress Peak stress/MPa 图 3 石灰岩弹性模量和峰值应力随温度变化[13] Fig.3 Variation of the elastic modulus and peak stress of limestone with temperature[13] 随着试验设备的革新，关于热损伤对岩石力 学特性的研究，国内外学者根据加热方式的不同 又分为实时高温和高温作用后的岩石力学性质研 究. Oda[14] 采用实时加热方式，研究了不同温度作 用下岩石的杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度、单 轴抗拉强度和断裂韧性等力学性质，并对力学参 数随温度变化规律进行分析，揭示岩石热损伤破 坏机理. 许锡昌[15] 同样采用实时加热的方式，对 三峡花岗岩力学参数进行测试，测试结果显示花岗 岩弹性模量和单轴抗压强度随温度 (20～600 ℃) 的增加而减少，并且在 75 ℃ 和 200 ℃ 发生大幅度 变化，认为 75 ℃ 和 200 ℃ 为岩石试样的温度阈 值. Yang 等[16] 开展了室温～800 ℃ 高温处理的砂 岩物理力学特性研究，结果表明砂岩的温度阈值 在 400～500 ℃. 而砂岩在 300 ℃ 时峰值强度和弹 性模量最大，泊松比随温度升高的变化曲线在 600 ℃ 时出现转折，呈现先降低后增加的趋势. 苏 承东等[17−18] 分别对高温作用（100～900 ℃）后粗砂 岩和细砂岩进行力学特性测试，结果表明对于粗 砂岩来讲，500 ℃ 为拐点会出现力学参数的突变， 在细砂岩力学实验研究中，600 ℃ 为细砂岩力学 性能改变的阈值温度. 力学参数是从宏观角度表 征岩石破裂情况，而声发射监测以岩石破裂事件 数为依据进行统计，二者相辅相成. 武晋文等[19] 在力学试验的同时采用声发射设备进行监测岩石 破坏过程，通过声发射数据发现 330 ℃ 是花岗岩 热破裂性质转变的温度阈值，依据声发射得出的 温度阈值要低于力学参数拐点处温度阈值. 花岗 岩的失稳形式受温度的影响，通过对高温花岗岩 单轴压缩试验，得出温度较低时岩石试样突变失 稳，高温导致的岩石失稳存在一个渐进过程. 岩石 赋存深度不同 ，受到的围岩影响也不尽相同 ， Kumari 等[20] 开展高温、高压共同作用下的花岗岩 力学特性测试，二者对岩石力学性质均有影响，并 且围压对岩石力学性质的影响要大于温度效应. 万志军等[21] 开展了花岗岩在高温三轴应力下的变 形和破坏特征研究，通过试验发现花岗岩在高温 高压下的变形分为低温缓慢变形段、中高温快速 变形段和高温平缓变形段. 在高温条件下，破坏形 式为典型的剪切破坏；而在高温和高压条件下，破 坏形式向延性转化，如图 4 所示. 高温高压条件 下，砂岩在围压为 20 MPa、温度为 400 ℃ 时杨氏 模量和峰值强度变化特征存在拐点，超过该点杨 氏模量和峰值强度会降低[22] . 此外，表 1 总结了前人在不同冷却方式下高温花 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期