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