中温地热环境下砂岩失效分析：基于实验与三维热力颗粒元建模的启示

《Engineering Failure Analysis》：Failure analysis of sandstone in moderate geothermal environments: Insights from experiments and 3D thermomechanical grain?based modeling

　　

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  研究了不同温度下砂岩的力学特性。
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  分析了温度对砂岩裂纹演化的影响。
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  建立了用于高温数值模拟的3DTM-GBM模型。
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  揭示了热致砂岩中水分相变的机理。

引言

随着中国重大基础设施工程（包括交通、水电、国防和深部资源开发）的持续推进，地下工程的开挖深度不断增加[1]、[2]。高地热环境因此成为工程建设中不可或缺且至关重要的制约因素[3]、[4]。近年来，重大项目的深部隧道岩体温度已达到180~200°C甚至更高[5]。尽管如此，许多地下工程在施工期和运营初期仍经历150°C以下的温度。作为优化地下开挖方案、设计支护结构以及评价岩体稳定性的核心基础数据，岩石力学参数的准确性直接决定了工程设计的科学性和可靠性[6]、[7]、[8]。因此，研究岩石的热力学特性可为高地热工程的安全控制和灾害风险防控提供重要的理论基础。

温度对岩石宏观力学响应和微观结构特征的影响主要通过两个方面实现。首先，温度引起矿物颗粒热膨胀、晶格畸变以及岩石内部相变，从而破坏颗粒间连接，进而改变破坏机理。其次，温度导致岩石基本力学性能劣化并触发脆-延性转变[9]。需要注意的是，温度影响岩石力学性能的机理因试验方案不同而存在本质差异。在实时高温加载试验中，岩石同时承受高温和力学荷载。在此条件下，矿物颗粒热膨胀持续产生内部热应力，与施加的外载荷叠加，共同驱动裂纹萌生与扩展。而在高温处理后加载的情况中，热应力在冷却过程中已大幅释放，后续加载主要反映温度引起的不可逆热损伤，如矿物脱水、热裂纹和晶界弱化。这两种方法针对不同科学问题：前者关注实时热-力学耦合行为，后者则分离和考察由热历史引起的岩石性能永久性变化。

在岩石力学性能研究方面已取得显著进展，研究方法主要分为两类：实验室试验和数值模拟。在实验室试验方面，学者们通过采用不同的温度处理和加载方法，阐明了热效应下岩石力学参数的劣化特征和响应机理[[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]]。此外，岩石加载过程中的能量吸收、耗散和释放是揭示岩石破坏过程和稳定性演化的重要指标[[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]]，这一点也被广泛认可。例如，Wang等[26]发现400°C是预裂纹红砂岩强度显著下降的温度阈值。Liang等[27]通过研究300°C至1100°C下层状砂岩的表观特征和物理参数，确定了石英矿物晶体的主要变质温度范围为500°C至700°C。此外，在20~150°C温度范围内进行的研究更贴近中度地热条件，表明该区间内岩石的力学行为表现出显著特征，不能简单地从高温趋势外推[28]、[29]。

在数值模拟领域，各种数值方法已被广泛用于研究岩石破坏机理。其中，有限元方法（FEM）在模拟复杂边界条件下各向异性材料的应力和变形方面效果显著[12]。有限差分法（FDM）在模拟连续体尺度上的应力重分布方面具有高计算效率[30]、[31]。离散元方法（DEM）在研究非均质岩石的破坏机理方面展现出独特优势[[32]、[33]、[34]、[35]、[36]]，因其能有效捕捉颗粒相互作用、微裂纹萌生与扩展以及裂纹贯通过程[[37]、[38]、[39]、[40]、[41]]。

尽管对岩石高温力学性能的研究已相当深入，但仍存在显著不足。首先，大多数现有研究关注300°C以上的高温环境，而地下工程施工期和运营初期常见的20°C至150°C温度范围却鲜有关注。这导致了对中度地热条件下岩石力学行为认识的严重空白。其次，一些先前的研究仅依赖实验室试验或数值模拟之一，缺乏两种方法之间的系统性交叉验证，这限制了其结论的可靠性和适用性。

鉴于地下工程的实际温度需求，本研究在五个温度水平（20°C、60°C、90°C、120°C和150°C）下进行了单轴压缩试验，以分析试件的强度特征、变形行为和能量演化。同时，建立了3DTM-GBM模型进行高温数值模拟，实现了实验室试验与数值建模之间的双向验证。研究结果不仅能阐明地下工程常见温度范围内砂岩的热力学损伤与破坏规律，还能为地下工程围岩稳定性分析提供理论依据。

章节摘要

材料与方法

砂岩试件采集自四川省巴中市的一个隧道施工现场（图1(a)）。该隧道穿越白垩系尖角组（K₂j），以三角洲-滨浅湖相为主。砂岩的平均自然密度为2.56 g/cm³。所有试件均加工为标准圆柱体，直径50 mm，高度100 mm，表面经过抛光处理（图1(b)）。试验中采用五个温度水平：20°C、60

应力-应变曲线

图3展示了不同温度热处理后砂岩试件的应力-应变曲线。每个温度下的曲线可划分为四个典型阶段：压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后阶段。总体而言，应力-应变曲线的离散性随温度升高逐渐减小。

此外，试件的平均峰值应力随温度升高而逐渐增大，

模型构建

在PFC3D中，构建颗粒流模型（GBM）需要输入岩石试件的真实信息，其中矿物组成是最关键的基底参数。本研究所用砂岩试件的矿物组成如图10所示。X射线衍射（XRD）分析（图10(a)）表明，砂岩主要由石英（52%）、方解石（14%）、斜长石（13%）、绿泥石（12%）和伊利石（9%）组成。薄片显微照片进一步揭示了

讨论

实验结果表明，在20°C至150°C温度范围内，温度显著影响砂岩的含水量、矿物组成和孔隙率。在这些指标中，含水量受影响最为明显，进而影响砂岩的力学性能。本研究提出了温度对砂岩作用机理的广义解析模型（图22）。

随着温度升高，岩石中的水

结论

本研究在20°C至150°C温度范围内（与地下工程相关）对砂岩进行了单轴压缩试验，并利用DEM建立了3DTM-GBM模型。分析了温度对砂岩力学性能、变形特征和能量演化的影响机理，揭示了温度引起的水相变调控砂岩力学性能的内在机理。

CRediT作者贡献声明

Yan Zhang（张艳）：撰写——初稿，方法论，基金获取，数据管理，撰写——审阅与编辑。Xiangsheng Zheng（郑祥生）：撰写——初稿，验证，方法论，数据管理，撰写——审阅与编辑。Minglang Zou（邹明浪）：验证，方法论，概念构思。Tianbin Li（李天斌）：可视化，方法论，形式化分析。Chunchi Ma（马春驰）：方法论，概念构思。Peng Zeng（曾鹏）：验证，形式化分析。Yu Luo（罗宇）：可视化，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42107211）、四川省自然科学基金（编号：2025ZNSFSC0097）和博士后科学基金（编号：2025M780429）的支持。

张艳|郑祥生|邹明浪|李天斌|马春驰|曾鹏|罗宇