温度循环作用下砂岩破裂过程的细观力学试验研究

张 坤 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引 言

众多的实际工程领域均涉及温度作用下岩石的力学及变形特性，因此研究温度作用下岩体工程问题已成为岩石力学研究的热点。一直以来，国内外众多学者针对温度作用下岩石的物理力学性质[1-3]、本构模型[4-5]、变形机制[6]以及破坏机理[7-8]等方面进行了不少的试验研究和理论分析，取得了大量的研究成果，为认识温度作用下岩体工程的稳定性提供了有益的参考。

由于温度季节性变化以及西部地区气温昼夜变化较大，岩体往往处于温度周期变化作用下，这种温度周期变化使得岩体产生热胀冷缩等效应，对岩体工程的长期稳定性有较大的影响[9-10]。朱珍德[11]等学者对大理岩石随高温周期性变化而产生的变形、破坏断裂损伤劣化以及相关强度特性的影响进行了深度的研究。

岩石是含有微裂隙、微孔洞等初始缺陷的天然材料，其破坏过程是一个裂纹动态演化的过程。近年来，研究人员对温度作用下岩石的细微观破裂机制开展了试验和理论研究，并取得了一定的研究成果[12-15]。

为了更为深入地分析岩石在温度循环作用下的细观裂纹扩展和演化过程，本文利用了岩石细观力学试验系统，对砂岩裂纹的萌生、扩展直至最终破坏的整个过程进行了实时观测。结合全程应力-应变曲线，分析并探讨温度循环作用后砂岩细观破坏过程。

1 试验准备及试验过程

1.1 试验材料

将长英质细砂岩作为此次试验材料，长石和石英是其主要成分。长石其特征为次棱角-次圆状，绢云母化、高岭石化；石英其特征则为次棱角状粒屑。

长石和石英的边缘多呈现为白云母片状；磷灰石、独居石、绿帘石和锆石其特征为次棱角状-次圆状；方解石其特征则为碎屑次棱角状；泥质孔隙式胶结。

此次试验试件形状为长方立体，尺寸为45×25×15mm(长×宽×高)，在试件上表面钻入一个圆形孔洞，直径为2mm，保证圆形孔洞与试件表面垂直，如图1所示。

图1 试验试件示意图

1.2 试验设备

岩石的单轴压缩试验采用中国科学院武汉岩土力学所研发生产的力学实验系统，该系统可进行应力-水流-化学耦合的岩石破裂全过程细致观察研究。

1.3 试验过程

将加工好的试件放入高温箱式电阻炉中加温至200℃，然后维持在该温度3h，之后自然冷却至50℃，此为一个温度循环过程，如图2所示。

图2 温度循环过程示意图

在室内对试件分别进行1次、3次、8次的温度循环作用，接着开始单轴压缩试验。通过控制位移的方式来进行轴向加载，施加荷载的速率为0.01mm/min。试件在试验过程中，应力和应变的实时变化数据由计算机自动控制记录。试件出现破裂直至完全失去稳定性被破坏全过程图像记录，由视频采集系统同步进行记录，可细致分析试件各个阶段形态特征。此外，还有显微镜和照相机等辅助设备对试件在试验中的实时变化过程进行记录。

2 试验结果及分析

2.1 细观破裂过程

对砂岩的裂纹扩展效应受温度影响进行研究，选取显微图像捕捉较为良好的sk7试件（温度循环8次），分析了试件的细观破裂的全部过程。试件的应力-应变的全程变化曲线于图3所示，在曲线上选取了6个应力状态特征点（a～f），对每个点所记录的显微图像开展精细研究分析，6个点的应力、应变值如表1所示。

图3 sk7试件应力-应变全程变化曲线

(a～f)点应力-应变参数 表1

①应力-应变曲线ob段：砂岩的矿物颗粒和泥质胶结物在温度循环作用下，泥质胶结物中的吸附水和层间水不断脱出，使得砂岩内部空隙变大，因此试件经历了明显的持续时间和较长的压密阶段（由图3所示）。应力状态特征点a处于该阶段的末段时期；观察图5(a)状态点显微图像和全景图，可以得到试件经历了弹性阶段ab段（应力值从0上升至15.326MPa），此时试件外观和尺寸上没有发生明显改变，基本保持初始状态。

②应力-应变曲线bc段：试件在试验的ob阶段过后，其应力-应变曲线开始进入弹塑性阶段，开始由线性曲线转变为非线性曲线。曲线到达b点后试件圆孔Ⅰ和Ⅰ＇开始萌生了2条的张性裂纹（如图4所示），与轴向加载方向一致，可使用显微镜进行辅助观察（如图3中曲线上的b应力状态特征点及其所对应的图像）。这主要由于试件在轴向压应力作用下，预制圆孔周围产生应力集中；Ⅰ和Ⅰ＇处产生拉应力，形成张裂纹。

图4 裂纹扩展示意图

根据图3的应力-应变全程曲线可以得到，应力-应变ob段曲线呈线性变化特征，曲线在b点后，曲线斜率表现为非线性变化特征。结合以上曲线变化规律可以得出：σ1=15.326MPa所对应的应力状态点，表明了应力-应变全程曲线开始由线性变化转向非线性变化，此时 σ1=80.1%σpeak(σpeak=19.142MPa, 为单轴抗压强度)。

③应力-应变曲线cf段：由图5(c)结合图3可见，当σ1从16.080MPa上升到19.142MPa时，应力状态达到了峰值，Ⅰ处的张性裂纹继续扩展，Ⅰ＇处的张性裂纹经历一个“扩展-闭合”的过程，同时在Ⅱ和Ⅱ＇处萌生新的剪切裂纹，与加载方向有较大的夹角。

图5 温度循环8次后试件sk7破裂过程

随着曲线通过峰值c点（σ1=19.142 MPa）后，试件的破坏过程并不像常温试件，而是渐进性破坏过程；首先，应力出现一个应力降，圆孔上下边缘处的两条剪裂纹开始扩展；随后试件出现一个明显的应力突降(σ1从19.142MPa下降到9.710MPa)，可以发现试件圆孔的形状已经改变，圆孔发生了错动，被挤成扁状（图3中应力-应变曲线上的d点及对应的图像）；由于此时破坏面上的剪应力已经超过了砂岩的抗剪强度，因此Ⅱ和Ⅱ＇处产生了宏观断裂面并产生了剪切滑移。

随着试件加载到后期，通过显微镜可以观察到裂纹的张开度增大，而在离圆孔较远的地方出现了很多分支裂纹。由图5（e）全景图并结合图3可见，经过d点后，应力-应变全程曲线出现一个小幅度的应力上升，裂纹进入一个相对稳定的扩展阶段，Ⅱ和Ⅱ＇处的剪切裂纹在不断扩展的同时还萌生新的裂纹，原有裂纹继续扩展且宽度不断增加；当σ1由9.710MPa下降到6.386MPa时，Ⅱ和Ⅱ＇处剪切裂纹在向两端扩展的过程中衍生了多条分支裂纹，其中一条贯穿整个试件（见图5中d、e点的全景图）。

试验曲线经过e点之后，试验到破裂后期，初始形成的Ⅱ和Ⅱ＇处的主裂纹继续扩展、贯通，当应力下降到1.991MPa后（图3曲线中f点位置），试件进入残余强度阶段。试件完全破坏后的全场图像如图6所示。

图6 sk7试件破裂后照片

2.2 温度循环对砂岩强度和变形特征的影响

根据单轴压缩试验的轴向荷载-位移曲线，分析得出经过不同的温度循环次数后部分试件的全过程应力-应变关系曲线，如图8所示；从图中可以看出，单轴加载情况下，无论是常温下还是经过若干次温度循环后的试件，都有明显的微裂隙压密阶段、弹性阶段和屈服阶段。随着温度循环次数的增加，应力-应变曲线中的压密段逐渐增长；经过不同次数温度循环作用后砂岩试样的峰值应变随着循环次数的增加而逐渐增大。达到峰值应力后，常温下岩样的曲线比较陡，应力迅速下降，很快失去承载力，表现了通常所见的岩石脆性特征；温度循环1次后试件的应力应变曲线也类似。经过多次温度循环后的砂岩在达到峰值强度后，曲线变化稍微缓慢，试件的破坏脆性变弱，破坏后试件只残余部分强度，造成岩石损伤原因在于温度循环作用。

图7 不同温度循环次数后砂岩单轴压缩试验曲线

经过不同温度循环次数作用后砂岩的单轴抗压强度也发生了较大的降低，如图8所示。砂岩单轴抗压强度随着循环次数的增加逐渐减低；相对于常温下试件，经过1次温度循环后试件的单轴抗压强度有较大幅度的降低；温度循环3次、8次后砂岩的强度差别很小。

图8 不同温度循环次数后砂岩单轴抗压强度

表2为经过不同温度循环作用次数后砂岩的起裂应力与峰值应力。结合表2及图4、7可以看出，常温下试件在应力达到峰值应力（A点）时，在Ⅱ和Ⅱ＇点周边反对称形成剪裂纹，伴随着轴向位移荷载增加，裂纹呈扩展趋势，并贯通至最终失稳破坏；对于经过温度循环作用后的砂岩试件，其起裂时应力均未达到峰值应力即在圆孔周围萌生张性裂纹，如温度循环8次后试件在应力-应变曲线由线性向非线性过渡时萌生裂纹；随着温度循环次数的增加，初始裂纹出现时间逐步提前（见图7中B、C、D点所处的位置）。这主要是由于砂岩内部各种矿物颗粒的热膨胀系数不同及内部热膨胀各向异性的影响，使得砂岩内部产生温度应力；从而温度循环过程犹如温度应力的“加载-卸载”疲劳加载过程。加温过程中砂岩试件内部产生热裂纹并扩展，扩展后的空隙在冷却过程中未发生变动，当再次进行加温，其内部热裂纹持续扩展、增加。经过温度循环作用后砂岩在加载试验前已经产生热裂纹，热裂纹随着轴向荷载位移的增大而经历“扩展-闭合-扩展”过程。因此，温度循环作用对砂岩产生的损伤使得砂岩初始裂纹出现的时间提前。

不同温度循环次数后试件的起裂和峰值应力 表2

2.3 破裂模式

在试件的破坏过程中，无论是常温试件还是经过不同温度循环次数后的试件，其破裂的大体过程：首先在圆孔周围开始萌生裂纹，接着初始裂纹的扩展方向可能会出现变动。随着试验的进行，裂纹逐步扩展延伸到试件两侧端部位置，同时在延伸过程中，剪切裂纹也出现分叉，衍生出多条新的裂纹。

由于篇幅限制本文不对所有的试验试件做单一介绍，试件破裂主要是在圆孔所在面内发生裂纹扩展，其他侧面局部地方虽有微裂纹萌生扩展，但对试件整体失稳破坏影响较小；图9给出了经过不同温度循环次数后砂岩试件的最终破裂形态。从图9可以看出，在200℃温度范围内，温度循环作用对试件破坏形态有很大的影响；常温下试件破裂时裂纹数量较少，温度循环作用后试件破裂时分支裂纹较多，且分支裂纹数随温度循环次数的增加而增加，分支裂纹的走向大多平行于加载方向，温度循环8次后试件表现得尤为明显。

这主要是由温度循环作用对砂岩产生热损伤所致。损伤作用主要来源于：①在200℃温度作用下，砂岩矿物颗粒基本保持不变，而泥质胶结物中含有的少量水分及砂岩内部吸附水与层间水在加温过程中不断脱出，使得泥质胶结物结构发生变化；②在温度循环作用下，试样各处的温度不等及内部材料的非均质性，从而产生温度应力，温度循环过程犹如温度应力的“加载-卸载”疲劳加载过程；每次温度循环过程都造成砂岩试件的损伤，这种损伤作用是随着循环次数的增加而不断累积的。

图9 试件的最终破坏形态

3 结论

本文进行了不同温度循环作用次数后砂岩的单轴压缩细观破裂试验，研究了不同温度循环次数后砂岩的细观力学特性和破裂过程。主要结论如下：

①在200℃温度范围内，温度循环作用对岩石的破裂形态有较大的影响，主要表现为破裂时分支裂纹数增多、起裂点时间逐步提前；

②试件过峰值强度后，对于常温和1次循环后试件，试件很快失去承载力，表现出明显的脆性特征，而经过多次温度循环后试件，其破坏过程表现出渐进性破坏，破坏后仍具有一定的残余强度，压密段随温度循环次数的增加逐渐增长；

③经过若干次温度循环作用后的砂岩试件，其峰值应变随之不断增大；其抗压强度相对于常温试件，在第1次温度循环后，岩石强度降低幅度最大，伴随循环次数的增加，岩石强度降低的幅度减小。

④本文的裂纹是在放大倍数50倍情况下观察到的，对更小尺度的裂纹演化过程尚需要进一步的研究。