吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 5 (a) (b) 花岗岩为研究对象，进行了压入硬度试验、摩擦磨 损试验和室内微钻试验，结果表明高温后快速冷 却可以提高花岗岩的可钻性.Zhang等2通过对 加热和快速冷却处理后的花岗岩样品进行超声波 脉冲速度试验、三轴压缩试验，结果表明，热处理 使花岗岩的物理力学性能明显恶化，快速冷却导 致试样产生大量的微裂纹，使矿物颗粒变弱.朱振 国4花岗岩破坏特征(600℃).(a)全貌：(b)局部 南等采用遇水冷却后的高温花岗岩为研究对 Fig.4 Failure features of the granite sample subjected to a temperature 象，结合力学试验和SEM电镜观察，得出单轴抗 of 600 C2:(a)whole;(b)part 压强度和弹性模量随温度升高而减小，岩石在温 岗岩力学性质变化的研究，综述了冷却方式不同 度超过300℃时变现出明显的塑性，同时出现宏 导致花岗岩力学参数变化规律不同.韩观胜等2] 观微裂纹萌发、扩展和贯通现象.郤保平等叨利 采用自然冷却和遇水冷却的高温砂岩进行物理力 用自制热冲击破裂试验台（图5）开展了不同高温 学性质试验，通过试验结果对比，发现采用遇水冷 状态花岗岩进行遇水冷却后的力学特性研究，结 却方式的岩石试样应力-应变曲线的压密阶段缩 果表明遇水冷却会导致岩石内部发生热破裂或者 短，峰值应变减小，岩石由脆性向塑性转变.随着 热冲击现象，剧烈的热冲击导致岩石力学性能出 处理温度升高，试样单轴抗压强度和弹性模量先 现劣化，波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模 降低后增大.喻勇等4以不同温度遇水冷却后的 量随热处理温度的升高逐渐减小 表1高温作用下岩石力学参数变化规律汇总表阔 Table I Summary of changes in the mechanical parameters of the rock subjected to high temperature Heating temperature/C Cooling method Uniaxial compressive strength Elastic modulus Peak strain Poisson ratio References 20-800 Cooling in furnace Decrease generally Decrease generally Increase generally Decrease generally Reference [29] 20-800 Cooling in furnace Decrease Decrease Reference [30] 20-800 Cooling in air Decrease Decrease Decrease Reference [31] 25-1300 Cooling in air Decrease Decrease Reference [32] 20-1000 Cooling in furnace Decrease Decrease Increase Reference [33] 23-800 Cooling in air/water Decrease generally Increase-decrease Decrease-Increase Reference [34] 25-500 (5℃min') Decrease Increase-decrease Reference [35] 25-800 Cooling in furnace Decrease Decrease Decrease generally Reference [36] 25-800 Cooling in air Increase-decrease Increase-decrease Increase Nearly constant Reference [37] 20-800 Cooling in furnace/water Decrease Decrease Increase generally Reference [38] 25-900 Cooling in water Increase-decrease Increase-decrease Increase generally Fluctuate Reference [39] 25-1000 Cooling in air/water Decrease generally Decrease generally Increase generally Increase generally Reference [40] 中矿物颗粒会发生一系列的脱水、相变以及膨胀变 形的变化，不协调的膨胀变形在矿物颗粒之间形成 热应力，热应力具有非线性演化特征.通过热力耦合 作用下的岩体力学特性演化规律研究，以期揭示热 损伤岩石的变形破坏机理，对温度作用下的地下深 图5岩石热冲击破裂试验台四 部岩体工程围岩强度及稳定分析具有重要意义. Fig.5 Rock thermal shock test benchz 2 岩石热破裂微观机理研究 基于上述试验研究，充分体现了温度荷载对岩 石宏观力学特性的重要影响.随着温度的升高，岩石 国内外学者通过宏观试验手段对高温下后岩石岗岩力学性质变化的研究，综述了冷却方式不同 导致花岗岩力学参数变化规律不同. 韩观胜等[23] 采用自然冷却和遇水冷却的高温砂岩进行物理力 学性质试验，通过试验结果对比，发现采用遇水冷 却方式的岩石试样应力−应变曲线的压密阶段缩 短，峰值应变减小，岩石由脆性向塑性转变. 随着 处理温度升高，试样单轴抗压强度和弹性模量先 降低后增大. 喻勇等[24] 以不同温度遇水冷却后的 花岗岩为研究对象，进行了压入硬度试验、摩擦磨 损试验和室内微钻试验，结果表明高温后快速冷 却可以提高花岗岩的可钻性. Zhang 等[25] 通过对 加热和快速冷却处理后的花岗岩样品进行超声波 脉冲速度试验、三轴压缩试验，结果表明，热处理 使花岗岩的物理力学性能明显恶化，快速冷却导 致试样产生大量的微裂纹，使矿物颗粒变弱. 朱振 南等[26] 采用遇水冷却后的高温花岗岩为研究对 象，结合力学试验和 SEM 电镜观察，得出单轴抗 压强度和弹性模量随温度升高而减小，岩石在温 度超过 300 ℃ 时变现出明显的塑性，同时出现宏 观微裂纹萌发、扩展和贯通现象. 郤保平等[27] 利 用自制热冲击破裂试验台（图 5）开展了不同高温 状态花岗岩进行遇水冷却后的力学特性研究，结 果表明遇水冷却会导致岩石内部发生热破裂或者 热冲击现象，剧烈的热冲击导致岩石力学性能出 现劣化，波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模 量随热处理温度的升高逐渐减小. 表 1 高温作用下岩石力学参数变化规律汇总表[28] Table 1   Summary of changes in the mechanical parameters of the rock subjected to high temperature[28] Heating temperature/℃ Cooling method Uniaxial compressive strength Elastic modulus Peak strain Poisson ratio References 20-800 Cooling in furnace Decrease generally Decrease generally Increase generally Decrease generallyReference [29] 20−800 Cooling in furnace Decrease Decrease Reference [30] 20−800 Cooling in air Decrease Decrease Decrease Reference [31] 25−1300 Cooling in air Decrease Decrease Reference [32] 20−1000 Cooling in furnace Decrease Decrease Increase Reference [33] 23−800 Cooling in air/water Decrease generally Increase-decrease Decrease - Increase Reference [34] 25−500 （5 ℃·min−1） Decrease Increase-decrease Reference [35] 25−800 Cooling in furnace Decrease Decrease Decrease generally Reference [36] 25−800 Cooling in air Increase-decrease Increase-decrease Increase Nearly constant Reference [37] 20−800 Cooling in furnace/water Decrease Decrease Increase generally Reference [38] 25−900 Cooling in water Increase-decrease Increase-decrease Increase generally Fluctuate Reference [39] 25−1000 Cooling in air/water Decrease generally Decrease generally Increase generally Increase generally Reference [40] 图 5    岩石热冲击破裂试验台[27] Fig.5    Rock thermal shock test bench[27] 基于上述试验研究，充分体现了温度荷载对岩 石宏观力学特性的重要影响. 随着温度的升高，岩石 中矿物颗粒会发生一系列的脱水、相变以及膨胀变 形的变化，不协调的膨胀变形在矿物颗粒之间形成 热应力，热应力具有非线性演化特征. 通过热力耦合 作用下的岩体力学特性演化规律研究，以期揭示热 损伤岩石的变形破坏机理，对温度作用下的地下深 部岩体工程围岩强度及稳定分析具有重要意义. 2    岩石热破裂微观机理研究 国内外学者通过宏观试验手段对高温下/后岩石 (a) (b) 图 4    花岗岩破坏特征（600 ℃）[22] . （a）全貌；（b）局部 Fig.4    Failure features of the granite sample subjected to a temperature of 600 ℃[22] : (a) whole; (b) part 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 5 ·