热损伤花岗岩三轴压缩蠕变破坏声发射及损伤演化特征

周露林 ，刘建锋 ，鲁功达 ，梁超 ，林浩

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都，610065；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都，610065)

清洁低碳的新型能源已成为全球能源变革的大势所趋，大力发展核能、地热能等新型能源对转型我国能源结构、实现能源安全保障的战略目标十分重要。在增强型地热系统运行中，干热岩储层温度通常在150～500 ℃；高放核废料封闭处置后仍会释放大量核衰变热，深部地质库围岩可能升温至100～300 ℃[1-2]，上述温度荷载的长期作用往往造成工程围岩稳定性降低。作为高强度、低渗透性的优良工程岩体，花岗岩已成为地热能源开发系统、高放废物地质处置库的重要围岩[3-4]，深入了解热损伤花岗岩的蠕变特性是保障深部地质库和能源工程安全稳定运行的关键。

高温将诱发矿物晶粒脱水、膨胀、相变、热开裂、热崩解以及矿物间的化学反应，进而造成岩石矿物组分和微观结构发生变化，最终导致其宏观物理力学性质发生改变。学者们开展了大量花岗岩的高温力学试验研究，YANG等[5]发现：在300 ℃处理后，花岗岩的裂纹损伤阈值、强度、弹性模量有所提高，而在继续升温至800 ℃过程中上述力学参数则持续降低；RAO等[6]认为适当的热裂纹网络会引起裂纹钝化，从而产生增韧效果，而过高的热处理温度会引发大量热裂纹贯通从而产生岩石热损伤；CHEN等[7]发现花岗岩热损伤阈值为300 ℃，石英在573 ℃产生的α-β 相变也将引起显著的热损伤；张玉良等[8]发现花岗岩热损伤过程中的结晶颗粒面-面接触以及含缺陷矿物颗粒导致了双重损伤；MIAO 等[9]发现北山花岗岩的脆-韧性转变临界温度为500～600 ℃，其破坏模式由纵向劈裂向单剪断裂，最终向多重共轭剪切断裂转变。岩石加热-冷却过程以及冷却方式同样关键，如WANG 等[10]发现实时高温下试样塑性增加、峰值应变更高，冷却期间部分微裂纹闭合、热损伤恢复，高温后试样的峰值应力、弹性模量较高；KUMARI 等[11]发现随温度升高，花岗岩破坏模式由脆性断裂转变为准脆性断裂，在较高热应力以及冷却速率下，强烈的热冲击会显著降低花岗岩强度。

声发射是岩石在破裂过程中释放的弹性波信号，可以反映岩石破坏过程的损伤演化特征，对于预测岩石材料失稳破坏以及分析破坏机制具有重要意义。声发射探测技术在岩石力学领域的应用极广，如ZHAO 等[12]通过建立红砂岩试件的声发射蠕变模型，研究了不同蠕变阶段的声发射b值和岩石微裂纹长度与声发射信号波形特征的内在联系；OHNO 等[13]基于声发射技术对混凝土破坏试验的微裂纹类型进行分类，发现RA-FA与矩张量分析这两类方法确定的剪切裂纹比例较为一致；储超群等[14]开展了深埋隧道花岗岩单轴压缩岩爆试验，基于矩张量和RA-FA分析发现岩爆过程以张拉破裂为主；李浩然等[15]研究了高温下大理岩三轴压缩破坏的声发射活动特征，发现温度越高，剪切破坏越强，且峰值频率和声发射b值可以较好地反映实时高温下岩石的裂纹发育与失稳破坏情况；董陇军等[16]综合多重指标分析花岗岩的破裂阶段的特征，构建了岩石裂纹不稳定扩展的识别模型；SALIBA等[17]研究了混凝土梁蠕变损伤过程的声发射特征，提出了基本蠕变过程和干燥蠕变过程的声发射信号聚类分析方法；曾寅等[18]研究了盐岩长期蠕变过程中的声发射特征、分形维数与变形规律，并利用声发射参数进行加速蠕变预测。

虽然目前对实时高温以及高温后的岩石力学研究已较为广泛，但对于脆性岩石的时效特征研究很少，同时对热损伤岩石在长期荷载作用下的力学响应理解还不够深入；此外，已有试验研究多为单轴条件下，通常未考虑围压效应对热损伤岩石蠕变性能的影响。为补充此前研究的不足，本文模拟深部应力和温度条件，探讨了围压约束下热损伤花岗岩的蠕变声发射特征以及随应力、时间的损伤演化过程，研究成果可以为分析和预测工程围岩的高温蠕变行为提供参考，为我国能源系统的运行和维护提供一定理论依据。

1 试验准备及方案

1.1 试样制备以及试验设备

本次试验研究的花岗岩岩心均取自我国甘肃省北山，平均密度为2.61 g/cm3，标准试样单轴抗压强度约为109 MPa，主要组成矿物及比例如下：斜长石质量分数为35%、石英质量分数为28%、钾长石质量分数为25%、白云母质量分数为14%和黑云母质量分数为1%。按照《工程岩体试验方法标准》[19]及《水利水电工程岩石试验规程》[20]规定，将试样打磨加工成直径×高度为50 mm×100 mm 的圆柱体标准试件，直径允许偏差小于0.2 mm，两端面的不平整度允许偏差小于0.05 mm，端面与轴线的垂直偏差不超过±0.25。试样在蠕变试验前热处理温度为25(常温)、150、300和600 ℃，热处理设备选用马弗炉，将温度精确控制在±1 ℃以内。以2 ℃/min的升温速率将试样加热到预定温度，保持恒温2 h后在炉膛内缓慢冷却至环境温度。

试验在四川大学MTS815岩石力学试验系统进行，并配以美国声学物理公司(PAC)的PCI-Ⅱ声发射(AE)三维定位实时监测系统。该试验设备支持最大轴向加载力为4 600 kN、最大围压σ3为140 MPa，同时温度可最高加载至200 ℃，试样的轴向位移通过轴向引伸计和LVDT测量，环向位移通过横向引伸计测量，各测试传感器精度为当前同比标定量程的0.5%；声发射系统前置放大器增益为40 dB，门槛值设为30 dB，声发射信号由8 个Micro30 声发射传感器实时监测并定位。

1.2 试验方案

考虑到工程围岩所处的地应力水平，试验围压设置为5 MPa和25 MPa，按C-围压(MPa)-热处理温度(℃)的形式对试样进行编号。以3 MPa/min的速率加载围压至预设值后再以30 kN/min的速率施加轴向应力。

为减小样品差异以及高温处理引起的不确定性，本次试验以每个试样的损伤应力σcd为基准，制定蠕变分级加载方案。蠕变试验以损伤应力σcd的不同比例进行分级加载，每级稳载1 h直至试样发生破坏，若提前进入加速蠕变阶段则结束试验。应力比β定义为：

式中：(σ1-σ3)为偏应力；σcd为岩石内部裂纹开始不稳定扩展的临界应力。在初始应力加载阶段，以体积应变εV-偏应力(σ1-σ3)曲线拐点对应的应力确定损伤应力σcd。本文分级加载蠕变试验的应力比β=1.20、1.35、1.50、1.65和1.80。

2 声发射振铃计数与能量特征

2.1 分级蠕变加载过程中的声发射演化特征

声发射振铃计数和能量特征反映了声发射事件的强度与频度，是分析岩石内部损伤演化与破坏进程的重要参数。图1 和图2 所示分别为C-5-25试样在分级蠕变和蠕变全过程的轴向应变-声发射振铃计数率-累计振铃计数(能量)曲线，本节以此为例分析花岗岩蠕变全过程的声发射演化特征。

图1 不同加载阶段声发射振铃(能量)计数-轴向应变与时间关系(C-5-25)Fig.1 Ringing count(energy) rate-axial strain-time curves of C-5-25 sample with time at different test stages

图2 蠕变全过程声发射振铃(能量)计数-轴向应变与时间关系(C-5-25)Fig.2 Ringing count(energy) rate-axial strain with time curves of C-5-25 sample during creep test

1) 当轴向应力以稳定速率加载至β=1.20(图1(a)时，声发射累计振铃计数、累计能量呈指数增长。轴向应力达到σcd=101.88 MPa(t=400 s)后，声发射振铃计数率与能量率陡增，表明试样进入了裂纹不稳定扩展阶段，损伤演化加速、声发射活动进入活跃期。

2) 在恒定应力的蠕变阶段(图1(b)～(c))，声发射活动呈现阶段性特征。应力加载后短时间内花岗岩处于减速蠕变阶段，试样矿物间摩擦、位错运动以及晶粒接触状态变化频繁，声发射活动进入活跃期，但由于结构未发生显著破坏、损伤演化趋于稳定，蠕变率、振铃计数率不断减小；在稳态蠕变阶段，蠕变损伤作用与压密、闭合作用基本平衡，蠕变率及振铃计数率平稳维持在低值，声发射活动进入平静期。

3) 在加速蠕变阶段(图1(d))，蠕变过程累积的裂纹大范围扩展、贯通并形成宏观裂纹，损伤急速发展并在极短时间发生剧烈破坏，蠕变率、振铃计数率持续增大至峰值。

在应力比β=1.20、1.35、1.50和1.65的蠕变加载阶段中，累计振铃计数分别为4.95×104、8.50×104、15.11×104和46.74×104次，最大振铃计数率分别为575、671、687和745 Hz。低应力下，蠕变速率较低，声发射振铃计数、能量率普遍较低；随着应力增大与蠕变损伤累积，试样的蠕变速率加快，声发射信号逐渐增强，其主要规律如下：

1) 在低应力下(β＜1.50)，花岗岩试样蠕变损伤缓慢累积，声发射信号主要由矿物晶粒位移、摩擦或裂纹闭合产生。

2) 在较高应力下(β=1.5～1.65)，试样蠕变损伤加快，声发射信号主要由裂纹的萌生、扩展以及微破裂产生，试样开始在稳态蠕变阶段也产生密集的高振铃计数率(能量率)事件。

3) 在加速蠕变阶段(β=1.80)，试样发生宏观破坏，伴随着应变能急剧耗散，该过程产生更高能量的声发射事件，破坏前最大振铃计数率达到了2 245 次/s。

图3所示为C-5-25试样在β=1.80的累计振铃计数-应变-蠕变速率与时间关系的曲线，减速蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段的蠕变速率呈“U”形，声发射“活跃—平静—活跃”的阶段性特征与蠕变速率曲线对应关系良好。

图3 累计振铃计数-轴向应变-蠕变速率与时间的关系(C-5-25，β=1.80)Fig.3 Relationship of ringing counts-axial strain-creep rate with time (C-5-25, β=1.80)

以上分析表明，声发射振铃计数与能量特征较好地反映了花岗岩试样的蠕变破坏过程，即在分级加载蠕变过程中“原生裂纹闭合—新的微裂纹缓慢产生、积聚—原生、次生裂纹迅速贯通、破坏并释放大量应变能”的过程。

2.2 不同热损伤花岗岩的声发射特征

图4所示为不同热损伤花岗岩的声发射累计振铃计数与时间的关系，具体参数见表1。本节省略了声发射累计能量曲线，因为两者变化规律一致。在β≤1.65 的无加速蠕变阶段，累积振铃计数随热处理温度升高而降低；在加速蠕变阶段(β=1.65、1.80)，累计振铃计数随温度升高而增大，最大振铃计数率也有所增大(600 ℃热处理试样加速蠕变更迅速，导致累计振铃计数偏低)。

表1 不同热损伤花岗岩的声发射参数Table 1 AE parameters of granite under different thermal damage

图4 不同热损伤花岗岩声发射振铃累计数与时间关系Fig.4 Ringing counts-time relationship of granite under different thermal damage

矿物颗粒受热不均匀膨胀会产生局部热应力集中，诱发热裂纹并加速岩石的变形破坏；同时相邻矿物颗粒膨胀并相互挤压将导致裂隙闭合，对岩石产生一定强化作用[21]。由表1可见，热损伤对岩石的强化作用大于其造成的损伤作用，围压和轴向应力共同作用使热致裂纹闭合并形成稳定结构，岩石内部破裂不易发生[6]；然而，在加速蠕变阶段热损伤效应显现，大量热裂纹将加剧蠕变损伤演化，并释放高能量声发射信号。因此，在深地工程设计运营中应考虑剧烈温度变化造成的围岩长期稳定性劣化效应。

围压效应对热损伤花岗岩的蠕变性能影响显著，围压将闭合大部分热致裂纹、增强晶粒间接触摩擦并重塑岩石内部裂纹网络结构，使得热损伤花岗岩的蠕变性能得到一定程度恢复甚至增强，因此，三轴应力下热损伤试样往往表现出较高的承载能力，热损伤效应有所减弱。对比σ3=5 MPa和σ3=25 MPa 工况，在β≤1.65 的无加速蠕变阶段，累计振铃计数随围压增大而有所降低。在加速蠕变阶段(β=1.65、1.80)，累计振铃计数随围压增大而增大。在稳态蠕变阶段，围压对裂纹产生、扩展具有约束作用，声发射活动减弱。在加速蠕变阶段，高围压工况下试样变形量增大、塑性增强，破坏过程释放大量应变能，声发射活动增强。

3 损伤变量

为定量地分析热损伤花岗岩蠕变过程的损伤演化规律，基于声发射振铃计数引入损伤变量D。基于声发射振铃计数的损伤变量D1的归一化方程为[22]：

式中：N为试验某一时刻的累计声发射振铃计数；Nm为试验全过程的累计声发射振铃计数。

试样在蠕变加载前已经过一定热损伤的作用，故定义初始损伤变量D0，其计算方法为：

式中：σcd为热损伤试样的损伤应力；σcd0为无热损伤试样的损伤应力。

耦合初始热损伤的损伤变量D的计算公式为[23]：

按上式计算得到不同热损伤花岗岩蠕变全过程的损伤变量D随时间变化趋势，如图5 所示。25、150、300 和600 ℃热处理试样的初始损伤变量D0分别为0、-0.016 7、-0.065 6 和0.230 8。150 ℃和300 ℃热处理试样出现了负的初始损伤变量D0，说明低于300 ℃热处理对花岗岩产生强化作用，而600 ℃热处理初始损伤变量D0为0.230 8，此时试样的热损伤已经较为明显。

图5 不同热损伤花岗岩蠕变过程损伤变量D与时间的关系Fig.5 Relationship of damage variable with time of granite under different thermal damage

从图5(a)可见：花岗岩蠕变过程的损伤演化呈加速发展趋势，β＜1.65 时损伤变量D变化相对缓慢，而当β≥1.65 时损伤变量D急剧增加，表明在该应力水平下蠕变损伤加剧。对比无热损伤试样，150 ℃和300 ℃热处理试样在蠕变前期的损伤演化较慢，D接近于0，而在临近破坏阶段快速增长，说明热处理温度不超过300 ℃时，花岗岩损伤发展减缓，大量声发射事件集中在破坏阶段发生。这与岩石的强度变化有关，在150 ℃和300 ℃下，热应力未达到岩石起裂强度，热致裂纹较少[7]；矿物晶粒间的热膨胀差异致使原生孔隙或裂缝闭合，花岗岩形成致密稳定的承载结构并抑制损伤发展，直到加速蠕变阶段(β=1.65～1.80)热损伤效应才开始显现；600 ℃热处理试样损伤变量最高，且在破坏阶段上升最快，这主要是因为随着温度进一步升高至超过石英α-β 相变温度(573 ℃)，显著的热膨胀差异及热应力足以使试样内部产生大量微裂纹，这些热致裂纹与原生裂纹已经开始合并、贯通，导致花岗岩强度减弱、变形量增大，蠕变损伤在稳态蠕变阶段就开始快速发展。可见，600 ℃热处理显著加剧了花岗岩的蠕变损伤演化。

从图5(b)可见：花岗岩在σ3=25 MPa 下的损伤演化呈现相似规律，但试样在蠕变前期的损伤演化相对减缓，这是由于围压闭合了大部分原始裂纹，并限制裂纹损伤的发展；σ3=25 MPa下，所有试样都在β=1.65 时进入加速蠕变，这是高围压下试样塑性变形增大所致。

4 基于RA-FA的裂纹类型判别

不同裂纹类型的声发射波形明显不同，张拉裂纹波形短、频率高，而剪切裂纹与之相反。因此，声发射波形特征可用于判定岩石内部微裂纹类型[24]。RA的定义为声发射信号上升时间与电压幅值之比，单位为ms/V；FA为AE振铃计数与持续时间之比，单位为kHz。为探究不同温度处理后花岗岩蠕变的微裂纹形式，对试验声发射波形的RA、FA进行分析。当声发射信号RA较大、FA较小时，产生剪切裂纹，反之则产生张拉裂纹。基于文献[25]将RA-FA分布图分割线作为拉伸-剪切裂纹分界线，如图6 所示。剪切裂纹判别标准为FA/RA＜C0，C0的取值与材料特性有关[26]。

图6 基于RA/FA的裂纹类型判别[25]Fig.6 Classification of microcrack type based on RA/FA[25]

从图6 可知：随C0增大，剪切裂纹占比增大，通过统计发现，C0对分析剪切裂纹占比的变化规律影响不大，因此本文没有列出不同C0的计算结果，在计算结果相对稳定的区域内取C0=90来分析应力和热损伤对花岗岩蠕变破坏微裂纹模式的影响。定义剪切裂纹占比θ为特定蠕变时段内FA/RA＜90的声发射事件数与该时段内事件总数之比。

图7(a)所示为C-5-25试样在不同应力比β下的RA-FA的分布范围。总体上AE 数据点靠坐标轴密集分布，随加载过程逐渐向剪切裂纹区域扩张，计算得到C-5-25 试样在β=1.20、1.35、1.50、1.65和1.80 的剪切裂纹占比θ分别为40.75%、43.64%、48.57%、48.39%和58.39%，θ随轴向应力增大而近似呈线性增大。

图7 不同蠕变阶段RA-FA分布散点图Fig.7 Scatter diagram of RA-FA of different creep stage

不同蠕变加载阶段的RA与FA特征(C-5-25)如表2 所示。由表2 可见：β＜1.50 时，RA、FA变化范围不大，RA＜15 ms/V，FA＜600 kHz，这时岩石尚在微裂隙挤密、小范围扩展的阶段，声发射活动较为稳定，RA、FA都处于较低水平；当β≥1.50 时，声发射事件数大量增多且分布范围开始扩散，RA、FA都有不同程度升高，尤其在β=1.80 时出现了较多RA大而FA小的信号点，RA峰值约200 ms/V，FA范围在2～1 000 kHz。随着轴向应力以及蠕变损伤增长，微裂纹开始大范围扩展、连通，出现了更大尺度的损伤破坏，RA、FA波动范围变大；同时，RA迅速增长而低FA事件大幅增多，部分张拉型裂纹有向剪切型转化的趋势，加速蠕变阶段θ超过50%。分析表明，分级蠕变过程中FA先上升后下降、RA平稳上升，对应了不同蠕变阶段下原生裂纹压密、小范围扩展直至裂纹贯通、产生宏观剪切破坏的过程，整个过程剪切裂纹占比稳步增多。

表2 不同蠕变加载阶段的RA与FA值特征(C-5-25)Table 2 RA and FA characteristics of granite at different test stages(C-5-25)

图7(b)所示为σ3=5 MPa 下不同热损伤试样在加速蠕变阶段的RA-FA分布，随热处理温度升高，FA分布范围先增大后减小，而RA与之相反，可以推断不同程度热损伤对岩石蠕变破坏的形式产生了不同的影响。较低的热损伤程度下，岩石更容易产生张拉型裂纹，而温度超过特定值后剪切型裂纹开始增多。

为进一步分析此现象，计算了σ3=5 MPa 下花岗岩试样在各蠕变阶段的剪切裂纹占比，结果如图8所示。由图8(a)可见，所有试样θ范围在35%～60%，θ随应力比增大而增大，临近蠕变破坏阶段时各试样θ为50%～60%。已有研究表明，岩石在各种破坏模式下(包含张拉型为主的破坏)临近破坏前都有剪切裂纹占比增大的现象[27]，本文印证了花岗岩的蠕变破坏过程具有同样的规律。

图8 剪切裂纹占比随应力比和温度变化关系(σ3=5 MPa)Fig.8 Variation of proportion of shear cracks with stress ratio and temperature(σ3=5 MPa)

由图8(b)可见，随热处理温度上升，θ先下降后上升，在蠕变破坏阶段差异不大。C-5-150 试样剪切裂纹占比最低，C-5-600 试样整体最高且全程集中在50%～60%波动，即使在较低应力下也发生以剪切裂纹为主的破坏。分析其原因，一方面，热应力使花岗岩的矿物晶粒发生位错运动，晶界间隙附近位错滑移受阻、变形不协调，导致了相当高的应力集中效应[28]；另一方面，当热应力足以使矿物晶粒内裂纹开始发展，晶内和晶界容易共同激发裂纹核，导致穿晶剪切裂纹增多[7]。当温度较低(25～300 ℃)时，晶粒运动导致位错塞积现象增多[29]，从而在较低应力下容易形成局部应力集中，产生拉裂，此时剪切裂纹占比较低，应力比对θ影响显著；当温度达到600 ℃，石英发生αβ相变并挤压周围矿物、产生较高内部应力，晶内裂纹开始发展且结构已有显著热损伤，较小的应力比足以引发晶粒断裂，穿晶剪切裂纹维持在较高水平且近似不变。这个特性受应力比影响不大，而受热应力及热致裂纹发育程度影响较大，故C-5-600 试样蠕变全过程以剪切型裂纹为主且应力比对θ影响较小。

5 结论

1) 热损伤花岗岩试样经历了减速、稳态以及加速蠕变阶段，对应的声发射振铃计数(能量)率呈现“活跃—平静—活跃”的阶段性特征。当应力比β=1.50～1.65 时，花岗岩损伤演化加快，声发射振铃计数(能量)率明显增大；当β=1.65～1.80 时，发生加速蠕变破坏。

2) 围压效应可以减弱热损伤对花岗岩蠕变特性的影响；围压与热损伤综合作用重塑了花岗岩的裂纹网络结构，抑制减速蠕变和稳态蠕变阶段的裂纹扩展，但热裂纹会加剧加速蠕变阶段的损伤演化，表现为在无加速蠕变阶段(β＜1.65)，累积振铃计数随热处理温度升高而降低；而在加速蠕变阶段(β=1.65～1.80)，累计振铃计数随温度升高而增大。

3) 蠕变损伤演化趋势随热处理温度升高而先减缓后加快，其中600 ℃热处理试样损伤发展最快，常温试样次之，150 ℃和300 ℃热处理试样最慢。

4) 随蠕变分级加载的应力比增大，剪切型微裂纹占比增加，且在加速蠕变阶段接近或超过50%；不同程度热损伤花岗岩的矿物晶粒内及晶间裂纹有不同程度的发育，引起蠕变微裂纹类型的差异，表现为随热处理温度升高，剪切裂纹占比先减小后增大，600 ℃热处理试样最高且蠕变全程以剪切型裂纹为主。