吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 9 境发生变化的高温岩石破坏过程进行模拟，熊贵 题，在物理力学特性、微观结构破裂、变形破坏机 明等四基于传热学原理，以水、液态二氧化碳和 理及数值分析等方面开展了大量的研究，取得了 液氨为冷却介质，应用COMSOL Multiphysics对不 丰富的科研成果.岩石热损伤机制是深部地球开 同温度的花岗岩进行热冲击试验模拟，得到热冲 发领域研究的热点，也是深部地热资源开采工程 击过程中岩石温度场分布规律.另外，Yang等四 的难点，需要科研工作者在前人的研究基础上不 采用全耦合近场动力学对热循环处理后的花岗岩 断探索 热-力破裂行为进行模拟，通过瞬态热传导和裂纹 基于以上四个方面的研究成果，在岩石热力 扩展检验了数值收敛性和校准了模拟参数， 耦合损伤机制和破裂模式研究中仍存在以下几点 目前，离散元数值分析方法多采用颗粒流程序 局限性：(1)在岩石热损伤研究领域，多集中在高 (Partical flow code,.PFC),PFC可以构建不同概率分 温岩石强度和变形特性研究，而岩石力学行为损 布的岩石颗粒模型，可以解决岩石不均质和不连续 伤机理的解释尚不清楚，尤其缺乏利用宏观物理 面问题.岩石材料是由微观颗粒组成，微观颗粒的 力学演化规律-细观裂隙发育路径一微观矿物结构 变形和颗粒之间的接触界面变化可以影响岩石的 变化的研究手段进行多尺度、系统地揭示岩石热 宏观物理力学行为.李雪1依靠离散元数值分析方 损伤机制研究.(2)对岩石热损伤力学行为的研究 法将裂隙花岗岩在温度和应力共同作用下的岩石 多以温度为变量，仅考虑不同温度产生的热膨胀 试样局部应变强化带应力分布和微裂隙扩展路径 现象，未能全面考虑冷却过程引起的多物理场特 进行模拟，揭示了微裂纹萌发一扩展一贯通形成断 性变化，对高温花岗岩在不同冷却条件下的强度 裂的机理.李玮枢4基于P℉C离散元数值模拟方 与破裂模式尚不能很好的阐述.(3)热损伤岩石在 法，对高温花岗岩遇水冷却过程中岩石温度场变 应力-应变关系上表现出非线性特征，经典的破坏 化、颗粒接触力变化和裂纹演化规律进行监测，探 准则难以描述其变化规律，尤其是当温度发生急 讨了高温花岗岩遇水冷却的损伤机制.Xu等阿利 剧变化时引起的力学性质劣化，目前缺乏适用于 用P℉C数值模拟方法研究在热力耦合作用下岩体 温度冲击下的非线性岩石损伤本构模型，影响了 强度和微裂纹的发展，结果表明，在一定温度范围 数值分析的准确性和可靠性.(4)现有的岩石热损 内(40~90℃)，温度的升高会加剧花岗岩的脆性破 伤数值分析多以岩石试样为研究对象进行不同温 坏，当温度为130℃时有热裂纹出现，峰值强度和 度条件下的微裂纹演化规律研究，对考虑温度影 应变开始明显变小.Zhao%采用PFC模拟热损伤 响下的地热开采岩体微裂纹诱发微地震行为的研 花岗岩的微裂纹演化为宏观裂纹的过程，阐明了高 究较少，热应力诱发地震作用的研究有待深入 温会降低岩石抗压和抗拉强度的机制.热损伤岩石 6 结论与展望 强度降低的主要原因是热应力的增加和拉伸微裂 纹的产生，而微裂纹的产生是由温度梯度的存在所 针对温度作用下岩石热损伤问题，通过系统 致，温度梯度越大微裂纹越明显.由此可见，冷却方 梳理国内外相关研究成果，从高温岩石物理力学 式对于高温岩石物理力学特性的变化是有影响的， 特性、热力耦合损伤模型、热破裂细观机理及岩 目前对于这方面的研究还待补充 石热损伤数值分析四个方面进行了分析和总结， 上述数值分析方法和模拟软件在岩石热损伤 并指出了现有研究存在的一些局限性，获得了一 研究中可以得到比较接近岩石在热力耦合作用下 些新的认识.为了突破当前研究存在的局限性并 的实际结果，但这些方法和软件并不具有普适性. 适应未来深部地下工程的发展，岩石热损伤研究 针对不同的岩石热损伤工程问题，他们仍具有一 需要进一步深入，从而能够建立较为完善的理论 定的局限性.但通过综合每种软件的优点，可以达 体系，指导工程实践. 到分析不同的热损伤问题的目的.对于岩石微观 (1)从热力耦合作用下岩石热损伤的物理力 结构的分析可以采用离散元数值分析方法，而大 学特性、微观结构变化、变形破坏机制及数值分 尺寸的工程岩体失稳模拟需要采用连续介质的有 析等方面综述了热力耦合热损伤岩石研究的现 限元分析方法 状，系统地总结了高温处理和温变条件下岩石变 形、强度及微观结构的演化规律.重点分析了深 5存在的局限性 部岩石材料在热力耦合条件下岩体结构及相关物 国内外学者们围绕热力耦合岩石热损伤问 理场探测技术的最新研究成果，梳理了声发射境发生变化的高温岩石破坏过程进行模拟，熊贵 明等[71] 基于传热学原理，以水、液态二氧化碳和 液氮为冷却介质，应用 COMSOL Multiphysics 对不 同温度的花岗岩进行热冲击试验模拟，得到热冲 击过程中岩石温度场分布规律. 另外，Yang 等[72] 采用全耦合近场动力学对热循环处理后的花岗岩 热−力破裂行为进行模拟，通过瞬态热传导和裂纹 扩展检验了数值收敛性和校准了模拟参数. 目前，离散元数值分析方法多采用颗粒流程序 （Partical flow code, PFC），PFC 可以构建不同概率分 布的岩石颗粒模型，可以解决岩石不均质和不连续 面问题. 岩石材料是由微观颗粒组成，微观颗粒的 变形和颗粒之间的接触界面变化可以影响岩石的 宏观物理力学行为. 李雪[73] 依靠离散元数值分析方 法将裂隙花岗岩在温度和应力共同作用下的岩石 试样局部应变强化带应力分布和微裂隙扩展路径 进行模拟，揭示了微裂纹萌发—扩展—贯通形成断 裂的机理. 李玮枢[74] 基于 PFC 离散元数值模拟方 法，对高温花岗岩遇水冷却过程中岩石温度场变 化、颗粒接触力变化和裂纹演化规律进行监测，探 讨了高温花岗岩遇水冷却的损伤机制. Xu 等[75] 利 用 PFC 数值模拟方法研究在热力耦合作用下岩体 强度和微裂纹的发展，结果表明，在一定温度范围 内 (40～90 ℃)，温度的升高会加剧花岗岩的脆性破 坏，当温度为 130 ℃ 时有热裂纹出现，峰值强度和 应变开始明显变小. Zhao[76] 采用 PFC 模拟热损伤 花岗岩的微裂纹演化为宏观裂纹的过程，阐明了高 温会降低岩石抗压和抗拉强度的机制. 热损伤岩石 强度降低的主要原因是热应力的增加和拉伸微裂 纹的产生，而微裂纹的产生是由温度梯度的存在所 致，温度梯度越大微裂纹越明显. 由此可见，冷却方 式对于高温岩石物理力学特性的变化是有影响的， 目前对于这方面的研究还待补充. 上述数值分析方法和模拟软件在岩石热损伤 研究中可以得到比较接近岩石在热力耦合作用下 的实际结果，但这些方法和软件并不具有普适性. 针对不同的岩石热损伤工程问题，他们仍具有一 定的局限性. 但通过综合每种软件的优点，可以达 到分析不同的热损伤问题的目的. 对于岩石微观 结构的分析可以采用离散元数值分析方法，而大 尺寸的工程岩体失稳模拟需要采用连续介质的有 限元分析方法. 5    存在的局限性 国内外学者们围绕热力耦合岩石热损伤问 题，在物理力学特性、微观结构破裂、变形破坏机 理及数值分析等方面开展了大量的研究，取得了 丰富的科研成果. 岩石热损伤机制是深部地球开 发领域研究的热点，也是深部地热资源开采工程 的难点，需要科研工作者在前人的研究基础上不 断探索. 基于以上四个方面的研究成果，在岩石热力 耦合损伤机制和破裂模式研究中仍存在以下几点 局限性：（1）在岩石热损伤研究领域，多集中在高 温岩石强度和变形特性研究，而岩石力学行为损 伤机理的解释尚不清楚，尤其缺乏利用宏观物理 力学演化规律−细观裂隙发育路径−微观矿物结构 变化的研究手段进行多尺度、系统地揭示岩石热 损伤机制研究. （2）对岩石热损伤力学行为的研究 多以温度为变量，仅考虑不同温度产生的热膨胀 现象，未能全面考虑冷却过程引起的多物理场特 性变化，对高温花岗岩在不同冷却条件下的强度 与破裂模式尚不能很好的阐述. （3）热损伤岩石在 应力−应变关系上表现出非线性特征，经典的破坏 准则难以描述其变化规律，尤其是当温度发生急 剧变化时引起的力学性质劣化，目前缺乏适用于 温度冲击下的非线性岩石损伤本构模型，影响了 数值分析的准确性和可靠性. （4）现有的岩石热损 伤数值分析多以岩石试样为研究对象进行不同温 度条件下的微裂纹演化规律研究，对考虑温度影 响下的地热开采岩体微裂纹诱发微地震行为的研 究较少，热应力诱发地震作用的研究有待深入. 6    结论与展望 针对温度作用下岩石热损伤问题，通过系统 梳理国内外相关研究成果，从高温岩石物理力学 特性、热力耦合损伤模型、热破裂细观机理及岩 石热损伤数值分析四个方面进行了分析和总结， 并指出了现有研究存在的一些局限性，获得了一 些新的认识. 为了突破当前研究存在的局限性并 适应未来深部地下工程的发展，岩石热损伤研究 需要进一步深入，从而能够建立较为完善的理论 体系，指导工程实践. （1）从热力耦合作用下岩石热损伤的物理力 学特性、微观结构变化、变形破坏机制及数值分 析等方面综述了热力耦合热损伤岩石研究的现 状，系统地总结了高温处理和温变条件下岩石变 形、强度及微观结构的演化规律. 重点分析了深 部岩石材料在热力耦合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 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 9 ·