不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程_贺琦.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；岩土力学与工程国家重点实验室开放基金课题（）作者简介：贺 琦（），男，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事热力作用下花岗岩破裂方面的研究。：通信作者：陈世万（），男，四川达州人，副教授，博士，研究方向为高放废物地质处置中岩石力学问题。：，（）：不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程贺 琦，陈世万，杨福波，田云雷，（贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳；贵州大学 喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳；中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉）摘 要：对我国高放废物地质处置地下实验室场址的甘肃北山花岗岩分别进行不同温度下（、）的巴西劈裂试验，通过实时声发射监测、主断面分析以及颗粒流程序数值模拟，研究了岩样的裂隙扩展过程。结果表明：时温度对花岗岩存在显著强化效应，其他温度下花岗岩强度较常温下降低；声发射数据显示中等温度（）荷载下花岗岩产生的裂隙数量和尺度随着温度升高而增大，因此消耗更多的加载能量，使得花岗岩强度逐渐增大；受长石、石英和云母的热力学性质差异影响，在室温至 范围，花岗岩断面裂隙随着温度升高更趋于沿着长石颗粒的边界扩展，后非长石颗粒边界的裂隙占比开始上升；基于花岗岩表面矿物实际分布建立了 模型并进行模拟试验，可知温度能降低矿物颗粒间的粘结强度，使得岩石更易发生破裂。关键词：北山花岗岩；巴西劈裂试验；温度；裂隙；声发射；均值聚类法；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，；.，；.，）：（）（，）（），（）：），）（），（），（），第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ：；研究背景核工业的可持续发展以高放废物（，）长期安全处置为基础，其中深地质处置是国际上认可的主要方式之一，即将处理后的高放废物埋于地下 中的地质体中，以确保高放废物与生物圈间的稳定隔离。甘肃北山作为我国高放废物处置库预选场，场址内花岗岩体完整，岩体渗透性低、强度大，是高放废物处置的理想场址。高放废物处置过程中，放射性核素衰变将释放大量热量，可使处置库主岩温度最高达到 。同时受处置库工程开挖影响，围岩在热力作用下产生损伤，可能为核素的迁移提供潜在通道，降低处置库的封闭性。因此，研究热力作用下北山花岗岩的裂隙扩展过程具有重要意义。目前，学者们通过、扫描电子显微镜等直接观测方式对各种温度条件下的花岗岩裂纹演化进行了大量研究。赵阳升等采用自制高精度显微 试验系统，对 种温度条件的花岗岩进行了三维细观破裂显微观测，揭示了不同温度下微裂纹的空间特征及延伸规律；张志镇等、等通过电镜扫描观察不同温度处理后的花岗岩，对比了原始裂纹和热致裂纹的发育特征；等利用高速摄像机捕捉了高温下花岗岩巴西劈裂试验时裂纹的萌生和扩展过程。声发射也能够有效监测不同温度段花岗岩的裂隙发展，等运用声发射成功监测了在 时花岗岩由于 石英（低温石英）到石英（高温石英）的相变产生大量微裂纹和声发射现象；陈世万等从声发射、声波、裂纹密度以及数值模拟 个方面研究了花岗岩热破裂过程，认为热应力诱导的裂纹具有明显的分段性和独立性；等基于声发射并结合激光扫描共聚显微镜对比了应力诱导裂隙与温度诱导裂隙特征；等使用声发射监测系统研究了花岗岩的断裂行为，并使用电子显微镜扫描描述了裂纹扩展过程。因此直接观测或声发射监测都是研究不同温度下花岗岩破裂行为的重要手段。室内试验过程中对花岗岩岩样进行严格的细观监测是较困难的，数值模拟试验是一种有效的方法。梁源凯等、等基于 对比了花岗岩在不同温度下热致裂隙的分布特征；等人使用 模拟并观察了高温下花岗岩的损伤过程，结果表明热致裂隙形成于 左右；等采用了离散单元法（）开展了花岗岩加热后不同冷却方式对其力学性质的影响研究，对比了不同方式下生成的裂缝数量与种类。由此可见，许多研究都集中于高温下岩石力学性质、物理性质以及裂纹扩展。然而，从矿物角度出发并针对中等温度下岩石在拉伸状态的裂隙演化规律研究却少见。基于此，本文以我国高放废物预选处置库甘肃北山的花岗岩为研究对象，进行不同温度下的巴西劈裂试验，结合声发射系统、图像处理技术以及数值模拟，研究热力作用下花岗岩岩样裂隙扩展过程，对深部地下工程的开展具有一定的参考价值和理论支撑。试验材料及方法 样品准备及试验器材岩样均取自甘肃北山的同一块花岗岩，经切割打磨成直径 、高 的标准试样，如图（）所示。通过 衍射分析得到试件的矿物成分为长石、石英以及云母。样品加热设备采用定制 管式高温炉，通过设定加温程序进行加热，升温过程中用 型多路温度测试仪实时监测岩样温度。巴西劈裂试验采用的是 型微机控制电液伺服万能试验机，通过位移伺服控制开展试验，并辅以美国物理声学公司的 配套设备对声发射信号进行筛选与数据采集，如图（）所示。试验过程 加热处理高放废物处置库的设计围岩温度一般不超过，因此本次试验温度分别设定为、。将试件放入加热空腔中，用石棉进行封闭处理，防止热量散失，按照 速率进行加热，为保证整个岩样温度均匀，加热到指定温度后保温 。巴西劈裂试验对保温处理后的试件进行巴西劈裂试验。将处在保温阶段的高温炉移至试验机上，取走石棉，在保证圆盘试样居中（不接触炉壁）即无侧限应力条 长江科学院院报 年(a)样品照片(b)微机控制电液伺服万能试验机 试验机控制系统 声发射控制系统 GR.VTF60/12 管式高温炉图 试样及试验设备 件下，将钢柱置于试件上，并将声发射探头贴于钢柱侧面，进行声发射数据采集。此次试验采用位移控制，速率 ，压至试样破坏为止，如图 所示。012345(1 02 J)60.51.01.52.02.53.03.5051 01 52 02 5/1 02(1 02 J)/1 02(1 02 J)/1 02(1 02 J)/1 02(1 02 J)/1 02(1 02 J)/1 02051 01 52 02 5012(a)2 5 (b)6 0 (c)9 0 (d)1 2 0 (e)2 0 0 (f)3 0 0 34560.51.01.52.02.53.03.5051 01 52 02 501234501234560.51.01.52.02.53.03.5051 01 52 02 501234560 1 2 3 4 5 6 71.02.03.04.05.0051 01 52 02 5051 01 52 00 1 2 3 4 5 6 70.51.01.52.02.53.03.5051 01 52 02 5024681 00 1 2 3 4 5 6 70.51.01.52.02.53.0051 01 52 02 5051 01 52 02 53 0图 不同温度条件下北山花岗岩劈裂过程应力应变曲线及声发射演化特征 试验结果通过不同温度条件下的巴西劈裂试验，得到 个岩样的应力应变曲线以及声发射数据，如图 所示。试验机声发射探头进气装置温度传感器钢柱岩样排气装置岩样加热空腔图 巴西劈裂试验 抗拉强度每个温度下花岗岩劈裂过程应力应变曲线都大致分为 个阶段，见图（）：第一阶段时间较短，花岗岩受压后内部的原生孔隙被压密，表现出应变增长较快，而应力增长缓慢；第二阶段花岗岩内孔隙已被压密，圆盘岩样抵抗变形，应力快速增长，这一阶段占主要部分；第三阶段为破坏阶段，当应力大于花岗岩抗拉强度时，岩石被劈裂，应力跌落。对比不同温度下应力应变曲线可知，温度对花岗岩的抗拉强度不总是劣化作用，下，随着温度升高，花岗岩的抗拉强度及峰值应变总体呈现为先增加后急剧降低的特征，见图（）。其中在低温情况下（）温度对花岗岩的影响有限，情况下岩石的抗拉强度为 ，相较于 （）略微降低；中等温度条件下（）岩样抗拉强度与温度呈显著的正相关，在 时花岗岩的抗拉强度明显高于其他温度，这种中温区间花岗岩得到强化的现象与一些研究具有相似之处，考虑到花岗岩的主要组成矿物，其中石英 第 期贺 琦 等 不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程和云母受热后的体积膨胀大约为长石的 倍，因此富含石英、云母的岩石更有可能通过热膨胀填充内部原生缺陷，获得更紧密的结构，从而获得更高的强度，但同时需考虑花岗岩强度的变化也取决于矿物本身的热膨胀各向异性程度，石英和云母的热膨胀具有明显的各向异性，而长石热膨胀的影响可近似为各向同性，这种对比可能会在加温过程中产生较大的热应力和微裂纹，最终影响岩石强度。对于中等温度下岩石强度强化现象，等总结了 种机制：微裂隙闭合的强化效应、热致微裂隙的双重效应、与水相关的双重效应；但更高温度条件下（），温度对岩石抗拉性弱化作用明显，时岩石拉伸强度相对于 下降了约。高温对花岗岩的脆性特征同样具有弱化作用，在温度低于 时岩石破坏时的应变随温度逐渐增大，岩石峰后阶段仍具有明显的脆性破坏特征，当到达 岩石产生了脆性延性转变，发生破坏后并没有迅速丧失强度而发生应力跌落。(a)-(b)-0 1 2 3 4 5 6 712345 2 5 6 0 9 0 1 2 0 2 0 0 3 0 0 2 56 09 01 2 02 0 0 3 0 02.02.53.03.54.04.5/C4.05.06.07.08.0图 不同温度条件下花岗岩强度参数对比 声发射特征声发射撞击数能够直观反映岩石内裂隙数量变化，能量则可以表征破裂强度的大小，图 为不同温度条件下巴西劈裂试验声发射撞击总数及累计能量。/2 5 6 0 9 0 1 2 02 0 03 0 003 0 0 0 06 0 0 0 09 0 0 0 01 2 0 0 0 01 5 0 0 0 0 03 0 0 06 0 0 09 0 0 01 2 0 0 01 5 0 0 0/J 图 花岗岩破坏前的声发射总撞击数及累计能量 由图 可知，时花岗岩试样的声发射特征明显，试验前期岩石内偶尔发生小尺度破裂，表现出声发射撞击数较少且分布均匀，能量稳步上升，随着加载应力接近岩样的抗拉强度时，花岗岩内破裂加剧，声发射撞击数和能量快速升高，直至岩样发生破坏；而 下花岗岩声发射事件集中期和能量快速上升期较常温下提前，表明温度改变了花岗岩内部结构，使得其更易发生破裂或发育大尺度裂纹；时花岗岩内矿物颗粒开始软化，导致试验过程中声发射数量明显减少。结合图 进一步分析可得，下随着温度增加，花岗岩破坏前声发射总撞击数及累计能量的演化规律一致，且与岩样抗拉强度随温度的演化规律类似。其中在中温条件（）下，声发射总撞击数和累计能量随着温度升高而增加，试样在 时相较于 时声发射总撞击数增加了，累计能量增加了，同时花岗岩的抗拉强度在 也得到了明显增强，这可能是因为声发射实际上是裂纹扩展过程中释放的弹性波，在中温荷载下花岗岩的声发射事件越多也就表明了岩样内抵抗破坏的裂纹发展越多，即可消耗更多的加载能量，使得强度增大。而当温度进一步升高（），声发射总撞击数和累计能量开始下降，但仍明显高于常温状态的声发射数，值得注意的是，的下降幅度明显小于 的下降幅度，表明当 后温度对岩样的影响明显降低。同时，在到达 时花岗岩破坏前的声发射总撞击数较 时只略微下降了，累计能量明显下降了，表明荷载条件下裂隙数量不变，尺度减小。断面特征在不同温度下，各类矿物间的胶结强度有差异，受力情况下岩石产生的裂隙总是沿着强度较低的方向延伸。对比岩样断面两侧细观组分的实际分布，统计各类矿物间产出裂隙情况。首先对试验后的样品左右断面进行拍照，并对校正后的照片灰度化处理，如图 所示。将灰度图中每一个像素的灰度值输出，再采用 均值聚类算法：先从数据集中随机选择 个初始聚类中心，而后，根据式（）得到每个样本点 与各个中心 的欧式距离并分配到最近的类别中。()；，；，。（）长江科学院院报 年 5 04 54 03 53 02 52 52 02 0(a)2 5 1 51 51 01 0/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m/m m5505 04 54 03 53 02 52 52 02 01 51 51 01 0/m m5505 04 54 03 53 02