热损伤诱导晶体岩石负泊松比转变的微观机制及其对微破裂与声发射的影响研究

本研究针对热损伤后晶体岩石出现负泊松比(NPR)转变的微观机制及其对微破裂和声发射(AE)影响不清的问题，通过开展随州花岗岩的原位与热损伤试样无侧限压缩试验，结合离散元法建立考虑压缩硬化效应的颗粒基模型(GBM)。研究发现热损伤导致晶粒尺度压缩模量相较于剪切模量更显著退化，使其比值低于1.0而引发拉胀转变。NPR效应会抑制拉伸应力而促进剪切应力集中，改变微破裂模式，导致AE事件启动延迟、活动持续时间缩短及b值升高。该研究为核废料处置库围岩稳定性预警提供了重要理论依据。

　　

在深部地质工程领域，特别是核废料地下处置库的建设中，围岩长期处于热-力耦合作用环境，其力学行为演变规律直接关系到工程安全。晶体岩石如花岗岩，因其低渗透性和高强度的特性，常被选为核废料地质处置库的围岩介质。然而，在长期热扰动作用下，岩石内部矿物颗粒因热膨胀系数差异产生不均匀变形，导致微结构损伤，显著改变其宏观力学响应。其中，一个引人注目的现象是：热损伤后的晶体岩石会表现出负泊松比(NPR)效应，即受压时横向收缩而非膨胀，这种拉胀行为转变对岩石的破裂机制和稳定性预警标志（如声发射）产生了深远影响，但其微观驱动机制及对破坏过程的具体影响尚不明确。

为了揭示这一科学难题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈与环境演化国家重点实验室的李永超、齐圣文、黄晓林、杜家虎、郑博文团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了最新研究成果。他们以随州花岗岩为研究对象，通过对原始状态和400°C热处理后损伤状态的试样进行无侧限压缩试验，并创新性地建立了考虑晶粒接触压缩硬化效应的非线性颗粒基模型，结合矩张量法，系统研究了热损伤诱导的拉胀转变对岩石微破裂行为和声发射特征的影响机制。

研究团队主要运用了几项关键技术方法：首先，通过偏光显微镜识别矿物组分并采用外接圆法统计了物理试样的粒度分布，以此为基础利用Voronoi剖分技术构建了在矿物组成、粒度分布上与物理试样高度一致的二维颗粒基模型。其次，在离散元框架下，引入了能够模拟损伤晶界压缩硬化行为的Bandis-Barton非线性接触本构模型，以准确再现热损伤花岗岩的非线性应力-应变响应。再者，将颗粒基模型与矩张量法耦合，用于定量表征微破裂过程中的声发射事件，包括事件类型（拉伸/剪切）、能量释放和b值等参数。模型参数通过对比物理试验的宏观应力-应变曲线进行系统标定，确保了数值模拟的可靠性。

3.1. 模型校准

数值模拟结果与物理试验数据高度吻合，成功再现了原始试样的正泊松比(PPR)相关侧向膨胀和热损伤试样的NPR相关侧向收缩行为。参数分析表明，热损伤后晶粒接触的压缩模量衰减远大于剪切模量，导致其刚度比（^k_n/^k_s）从原始状态的1.2降至0.1以下，这是引发拉胀转变的微观力学根源。

3.2. 侧向变形行为

模拟结果显示，原始合成试样在整个加载过程中表现为持续的侧向膨胀，变形相对均匀。而热损伤合成试样则呈现出明显的非线性变形特征：初始阶段表现为侧向收缩，随着轴向应变增大，收缩量先增后减，在峰值应力附近转变为膨胀，且变形表现出更强的非均匀性。

3.3. 最小主应力分布特征

沿试样竖向对称轴的最小主应力分布揭示了两者的关键差异。原始试样中，压应力和拉应力幅值随轴向应变同步增长，比例相对平衡。热损伤试样则表现为压应力在分布密度和幅值上均占主导地位，且其增长远快于拉应力，清晰地反映出NPR效应对于拉伸效应的抑制。

3.4. 渐进破坏特征

微破裂分析表明，原始试样的破坏以拉伸微破裂为主，微破裂取向高度集中于与加载方向垂直的角度范围（70°-110°），呈现典型的张拉劈裂破坏模式。热损伤试样则表现为剪切微破裂数量显著增加，甚至在峰值应力前就远超拉伸微破裂，且微破裂取向分布广泛（20°-160°），形成更为复杂的多方向破裂网络，表明其破坏机制从拉伸主导转变为剪切主导。

3.5. AE特性

声发射监测结果显示，与原始试样相比，热损伤试样的AE事件启动时间延迟（3.0 ms vs 1.6 ms），活动持续时间缩短（0.7 ms vs 1.0 ms），累计AE事件数（2200 vs 3300）和累计释放能量（0.23 J vs 0.46 J）均显著降低。此外，热损伤试样的b值（4.1685）高于原始试样（3.3901），表明其小震级微破裂事件占比更高。矩张量分析进一步证实，热损伤试样内部拉伸型破裂源减少，剪切型破裂源增多。

该研究通过严谨的宏-微观结合分析，明确了热损伤导致晶体岩石拉胀转变的微观机制在于晶粒尺度压缩与剪切模量退化的不匹配。这种转变深刻改变了岩石内部的应力分布模式，抑制了拉伸应力集中而促进了剪切应力发展，进而改变了微破裂的主导机制从拉伸转向剪切。这一机制转变使得热损伤岩石的破坏过程表现出AE启动延迟、能量释放减弱、b值升高等特征，意味着其破坏前兆可能更隐蔽，突发性更强。研究成果不仅深化了对拉胀岩石材料变形破坏机理的理解，而且为核废料处置库等热-力耦合环境下围岩稳定性的精确评估与灾害预警提供了重要的理论依据和微观解释。未来研究可向三维模型、多场耦合条件以及不同岩性扩展，以进一步提升模型的普适性和工程指导价值。