不同温度热处理后预损伤花岗岩的破坏前兆与预警机制

《Engineering Failure Analysis》：Failure precursors and early warning mechanisms of pre-damaged granite after different temperature thermal treatments

　　

**研究摘要**

• 在经历各种热处理后，对初始损伤花岗岩进行了带声发射监测的单轴压缩试验。
• 确定了花岗岩强度和破坏模式演化的临界转变温度为400 °C。
• 通过应变能和多重分形分析，表征了热-初始损伤耦合作用下的裂纹网络演化。
• 基于前兆敏感性比较，提出了一种多指标协同预警策略。

**引言**

随着深部资源开发和地下空间利用的不断发展，地热开采、深部矿产开采和核废料地质处置等深部地下工程实践日益在涉及深部硬岩体的复杂地质条件下进行。开挖扰动不可避免地引发原岩应力场的重新分布，从而导致围岩中产生初始损伤[1, 2, 3]。此类初始损伤主要由长期地壳构造运动形成的原生微裂纹以及开挖、钻探和爆破等典型工程扰动诱发的二次损伤组成（图1）。在深部地质环境中高温、高应力、高岩溶水压与开挖扰动的耦合作用下，初始损伤围岩容易发生渐进式强度退化和变形失稳，显著增加了岩爆、顶板垮塌和诱发地震等地质灾害的发生风险[4, 5]。随着深部地下工程日益向高温环境延伸，热效应已成为影响岩体力学行为的重要因素。在地热能开发、高放废物地质处置、地下煤层气化和火灾后岩体修复等工程中[6, 7]，围岩温度范围可从250 °C到超过1300 °C不等（图1）[8]。花岗岩是一种常见的赋存岩，不同矿物的热膨胀系数差异在高温下引起非均匀热应力，促进微裂纹的萌生、扩展和贯通，从而进一步降低其力学性能[9, 10]。深部围岩往往同时承受初始损伤和温度的耦合作用。因此，研究温度和初始损伤耦合作用下花岗岩的力学响应和声发射预警特征具有重要的工程意义。

以往研究表明，初始损伤对岩石中的裂纹演化和力学行为有显著影响[11]。为模拟工程诱发的损伤，常用循环加载、冲击加载和多级卸载来制备预损伤试件。例如，Kong等人[5]发现初始损伤增加会降低煤样的强度和弹性模量，而声发射能有效反映损伤演化。Yang等人[12]报道循环加载引起的预损伤会促进花岗岩的剪切主导型破坏。Jing等人[13]表明加载速率控制了钻孔周围从剪切破坏到拉伸破坏的过渡。Huang等人[14]发现较高的初始损伤会降低蠕变持续时间和破坏应力。Hou等人[15, 16]建立了非线性蠕变损伤模型，揭示了长期强度随初始损伤增加而线性降低的规律。Ran等人[17]观察到较高的初始损伤会降低疲劳寿命和声发射b值，同时增加剪切裂纹。Miao等人[18]提出了考虑预加载和水弱化效应的本构模型。Yin等人[19]发现修复后的损伤岩盐表现出压实行为且具有较高的屈服应力。Zhao等人[20]表明预损伤削弱了凯撒效应的作用范围。Ma等人[21]得出结论，基于碎裂能的损伤变量最能表征裂纹扩展和损伤演化。

与此同时，高温条件下岩石的力学行为和裂纹演化已成为深部岩体力学的重要课题。Chaki等人[22]发现花岗岩的热裂纹随温度升高而增加，导致孔隙率和渗透率升高但P波速度降低。Zhang等人[23]将热效应分为三个阶段，分别对应吸附水、结合水和结构水的丧失。Chen等人[24]表明液氮冷却引起的热冲击损伤最为严重，P波速度降低最大。Miao等人[25]观察到随着温度升高，花岗岩的破坏模式从轴向劈裂演变为剪切和共轭剪切，声发射事件增加但累积能量降低。Guo等人[26]发现较高温度会促进早期声发射活动，主频较低而b值较高。Ma等人[27]证明温度和中间主应力共同控制破坏行为，温度相关的Mogi-Coulomb准则能很好地捕捉强度演化。Zhao等人[28]研究了复杂应力路径下的高温断裂；Huang等人[29]和Huang等人[14]进一步表明热冲击显著改变了预裂纹岩石中的裂纹扩展和各向异性，证实了温度对裂纹演化的强烈控制作用。

近期关于基于声发射的岩石破坏预警研究表明，不同的前兆参数描述了从分散微裂纹到不稳定断裂过渡的不同方面。声发射b值对小尺度与大尺度断裂事件的比例较为敏感，因此被广泛用于表征即将到来的失稳[30]。Loukidis等人[31]比较了b值与F函数，表明两种参数都能识别临近临界断裂状态，尽管它们的时间响应取决于加载配置。多重分形分析也已被用于描述岩石渐进破坏过程中声发射活动的非线性演化和复杂度变化[32]。最近，临界慢化理论被引入声发射前兆识别中。Xu等人[33]比较了多种声发射参数衍生的临界慢化响应，发现声发射能量率、RA值、RA/AF比、累积环数和峰值频率在前兆判别力和预警时间方面存在明显差异。Ou等人[34]进一步证明，在不同岩性中，声发射序列的方差和自相关系数并不具有相同的敏感性，方差通常提供更清晰的破坏前兆。数据驱动和多参数方法也已出现：Xie等人[35]利用聚类-卷积神经网络框架提取节理岩体的声发射前兆信息，Ma等人[36]开发了基于多种声发射参数时间序列预测的岩爆预警方法。这些进展表明正从单一指标判断向多参数比较与融合转变。对于受热影响的岩石，温度历史可显著改变声发射计数、能量、RA-AF特征、b值、非线性特征及相关断裂模式[37, 38]，这意味着特定声发射前兆的性能在热损伤后可能不会保持不变。

尽管已有这些进展，但现有研究大多仅在常规力学加载下评估一个或有限数量的声发射前兆指标，或者在不完整或热损伤岩石中表征声发射演化，却未系统测试不同预警参数的跨条件鲁棒性。特别是，对于同时受预存初始损伤和高温热损伤影响的花岗岩，多种声发射预警指标的稳定性、一致性、前兆提前时间和敏感性仍缺乏定量比较评估。因此，尚不清楚包括声发射环数、RA/AF比、b值、F函数、多重分形参数和临界慢化指数在内的常用参数是否能在不同初始损伤水平和温度下提供可重复且可靠的预警。这一局限使得难以识别稳健指标并为热损伤岩体的失稳预测建立统一的量化标准。与此同时，控制深部花岗岩微裂纹演化、应变能累积与释放以及脆性破坏模式的耦合热损伤机理仍未得到充分理解。因此，在热-初始损伤耦合条件下仍需对多种声发射前兆进行系统验证和定量比较。

本研究通过单循环加载-卸载试验制备了具有不同预制初始损伤水平（IDL）的花岗岩试件，随后进行了覆盖20-1000 °C温度范围的高温热处理。结合单轴压缩试验和实时声发射监测，研究了热-损伤耦合效应对花岗岩力学行为、裂纹演化和内能响应特征的影响。系统分析了力学参数的演化、裂纹起裂和扩展的应力阈值、应变能累积与耗散以及声发射多重分形特征，以揭示高温热耦合条件下预损伤花岗岩的固有损伤累积和断裂演化机理。此外，对包括声发射环数、RA/AF比、b值、F函数和多重分形特征参数以及临界慢化指数在内的典型岩石失稳声发射前兆指标进行了定量比较和评估，旨在筛选岩石灾难性破坏的可靠预警指标。研究成果可为高温深部地下工程中的现场岩体损伤评估和安全监测提供理论参考和技术支持。

**实验片段**

**实验设备**

单轴循环加载-卸载试验使用MTS 815伺服控制系统结合PCI-2声发射系统进行，同步记录应力-应变和声发射信号。该测试系统最大轴向承载能力为4600 kN，最大围压为140 MPa，满足硬岩试件的力学测试要求。采用轴向和环向引伸计获取轴向和径向应变，采样频率固定为……

**应力-应变曲线**

图9展示了不同初始损伤水平（IDL）花岗岩试件在20 °C至1000 °C温度范围内热处理后的应力-应变曲线。应力-应变曲线表现出明显的温度依赖性，完整变形过程仍可划分为四个典型阶段：裂纹闭合、弹性变形、稳定裂纹扩展和不稳定裂纹扩展。随着温度升高，热致裂纹的增生导致……

**初始力学损伤与热损伤耦合作用对花岗岩破坏模式的耦合机制**

岩石的宏观力学行为和破坏演化本质上是内部微观结构退化的外在表现。基于不同温度下IDG的力学性能、应变能响应和声发射特征，系统研究了初始损伤与热效应耦合作用下损伤演化的微观机理。

如图21所示，花岗岩的非均匀微观结构主导了裂纹的萌生和早期……

**结论**

(1) 初始损伤花岗岩的力学性能表现出非单调的温度依赖演化，400 °C被确定为临界转变点。在20-400 °C范围内，预存微裂纹的压实和组成矿物的热膨胀发挥主导强化效应，导致所有特征应力阈值和峰值强度逐渐升高。在400 °C以上，热致微裂纹的广泛萌生被引发，导致……

**CRediT作者贡献声明**

马春德：调查、数据整理。黄中岭：写作-审阅与编辑、数据整理。刘泽林：写作-审阅与编辑、写作-初稿。杨文远：方法论。邓军亮：监督指导。李晨阳：方法论、形式分析、概念化。董龙俊：资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢"深地探测与矿产资源勘查"国家科技重大专项（编号：2025ZD1010903）的支持。

马春德 | 黄中岭 | 刘泽林 | 杨文远 | 邓军亮 | 李晨阳 | 董龙俊