在静态预张力作用下，经受热冲击的花岗岩的动态拉伸性能及其宏观-微观断裂机制

《Engineering Fracture Mechanics》：Dynamic tensile behavior and macro–micro fracture mechanisms of thermally shocked granite under static pre-tension

　　

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  对受到热冲击的花岗岩进行了静态-动态复合拉伸试验。
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  分析了多因素耦合下的动态拉伸响应和能量演化。
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  通过多种技术方法阐明了宏观-微观断裂行为和机制。
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  加载速率主导了拉伸强度和能量扩散，而温度则主导了断裂表面形态。

引言

热干岩（HDR）广泛分布于地壳深处，含有丰富的清洁地热能，使其成为缓解能源危机的战略资源[1]、[2]、[3]。HDR储层通常具有低孔隙度、低渗透性和高脆性，需要钻探和人工储层刺激以实现工业开发，例如构建增强型地热系统（EGS）[4]、[5]。基于水力压裂或压力脉冲方法的钻探和储层刺激是EGS项目的核心工程过程[6]、[7]、[8]。由于原位应力的影响，储层岩体在钻探和动态刺激过程中会经历静态-动态联合载荷[9]、[10]。同时，高温储层与低温工作流体接触引起的严重热冲击（TS）会导致热损伤和热裂纹的扩展[11]、[12]。TS和静态-动态载荷的联合效应可能引发井筒坍塌和裂纹的热短路[13]、[14]，如图1所示。由于岩石的拉伸强度远低于压缩强度[15]，拉伸失效是井筒不稳定和裂纹扩展的控制因素。因此，研究受到热损伤的HDR在静态-动态载荷下的拉伸力学行为和失效机制对于EGS储层稳定性评估和刺激设计优化具有重要意义。

岩石的动态拉伸试验分为间接方法和直接方法[16]。一些研究人员采用直接方法来研究温度和加载速率对岩石动态拉伸性能和能量扩散特性的影响[17]、[18]、[19]。然而，由于直接方法所需的设备制造和测试复杂，因此更广泛采用的是间接方法，即经典的巴西圆盘（BD）或扁平巴西圆盘（FBD）试验[20]。研究表明，岩石的动态拉伸强度通常随温度升高而降低，并且表现出加载速率依赖性[21]、[22]。Yao等人[23]建立了考虑加载速率和温度损伤的砂岩拉伸强度预测模型。Yin等人[24]、[25]发现，砂岩拉伸强度的速率依赖性随温度降低而减弱，并提出早期矿物热膨胀可能增加拉伸强度。随着高温岩石工程（如地热开采）的普及，快速冷却引起的TS受到了更多关注。根据工程生产场景，常用的TS方法包括空气冷却、水冷却和液氮冷却[26]、[27]。Verma等人[28]报告称，与空气冷却相比，水冷却导致与拉伸性能相关的动态增加因子（DIF）更大。Xi等人[29]发现，随着TS温度的升高，花岗岩的反射能量增加，而传递能量、拉伸强度和吸收能量减少，其中液氮冷却下的强度退化最为严重。这些研究提高了对岩石热相关动态拉伸和能量特性的理解，但忽略了原位应力引起的静态预应力影响。

诸如数字图像相关（DIC）和三维表面扫描等技术的发展推动了岩石热损伤相关动态拉伸断裂行为和机制的研究[30]、[31]。Xi等人[29]报告称，基于DIC分析，花岗岩圆盘的动态断裂过程包括中心拉伸裂纹，随后是端剪切失效，拉伸和剪切失效区域都与TS温度呈正相关。Wang等人[32]观察到，随着温度的升高，花岗岩BD试样的动态断裂模式从“径向分裂”转变为“中心裂纹伴三角形压碎区”。此外，Wu等人[33]根据裂纹聚合路径将花岗岩的动态拉伸失效分为两种模式，并指出中心裂纹应变随温度和冷却速率的增加而增加。关于断裂形态和机制，Qian等人[34]报告称，动态分裂下断裂表面的粗糙度与温度呈正相关，热裂纹从晶间裂纹转变为晶间裂纹。Wang等人[35]也得出了类似结论，他们还发现，随着TS温度和热循环的增加，花岗岩圆盘的延性变形和晶间断裂变得更加明显。这些研究为受到热损伤和动态冲击的岩石的拉伸失效行为和机制提供了初步解释，为进一步的多因素耦合研究奠定了基础。

在中深层地热开发中，不能忽视原位应力的影响[36]。考虑到地质环境和施工条件，EGS建设中的储层岩体实际上承受着TS和静态-动态载荷的联合效应。然而，文献综述显示，关于HDR在静态-动态载荷和TS联合作用下的拉伸行为和失效机制仍存在不确定性，这限制了地热能源的安全和有效开发。因此，本研究对受到热冲击的热干岩进行了静态-动态复合拉伸试验和理论分析。本文的结构如下：第2节详细介绍了测试材料、设备和方案；第3节展示了结果，包括拉伸力学响应、能量演化以及宏观-微观失效行为和机制；第4节讨论了支配动态响应的主要因素及其工程意义；第5节总结了整个研究。

章节片段

测试样品

中国拥有丰富的地热资源，主要分布在沉积盆地和东南沿海地区[37]。本研究从福建省漳州市的地热异常区收集了HDR样品，该地区的地热资源丰富，地热梯度峰值达到158°C/km[38]，如图2a和b所示。考虑到BD配置可能在动态载荷下无法确保圆盘中心的裂纹起始...

结果

不同复合载荷条件下受TS损伤的花岗岩的物理和力学参数结果见表2，其中符号“#”表示重复测试样品的序列号。

回归预测和主要因素分析

为了预测多种影响因素下HDR的动态拉伸强度，进行了多元线性回归（MLR）分析[54]。根据图8所示的拉伸强度${\sigma }_{\mathit{dt}}$与加载速率的对数$In\left(\stackrel{?}{\sigma }\right)$之间的线性关系，我们选择$In\left(\stackrel{?}{\sigma }\right)$来表征加载速率对拉伸强度的影响。热损伤变量DT和预静态载荷比λ被选为回归模型中的自变量，以表示...

结论

本研究对经过热冲击处理的花岗岩FBD样品进行了静态-动态联合载荷试验。系统分析了TS温度、预张力载荷和加载速率对花岗岩拉伸力学性能和能量演化的耦合效应。进一步结合DIC、3D扫描和SEM技术，阐明了宏观-微观断裂行为和机制。主要结论如下：

• 峰值位移随TS的增加而增加

CRediT作者贡献声明

Ju Wang：撰文 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。Feng Dai：监督，资金获取，概念化。Zelin Yan：可视化，资源，研究。Mingdong Wei：监督，资金获取。Yi Liu：撰文 – 审稿与编辑，验证，资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52225904和52522906）的财政支持。本工作得到了四川省科技计划项目（编号2025ZYD0004）、四川省科技计划（编号2024YFHZ0341）、CWRH-SCU博士生创新基金（编号2026C02B1203）以及通过XPLORER PRIZE的新基石科学基金的支持。