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