《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Study on fracture toughness and fracture surface morphology of sandstone subjected to thermal disturbances based on three-point bending and microscopic characterization
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摘要在深部地下工程中，受到高温热扰动的岩体极易发生裂隙扩展和灾难性破坏，这对地下结构的稳定性和安全性构成严重威胁。利用自主研发的实时热扰动装置，在实时热扰动条件下以及对热处理后的半圆形弯曲（SCB）砂岩试样进行了三点弯曲试验，这些试样预先制造了0°至60°不等的裂隙倾角。研究者探
摘要
在深部地下工程中，受到高温热扰动的岩体极易发生裂隙扩展和灾难性破坏，这对地下结构的稳定性和安全性构成严重威胁。利用自主研发的实时热扰动装置，在实时热扰动条件下以及对热处理后的半圆形弯曲（SCB）砂岩试样进行了三点弯曲试验，这些试样预先制造了0°至60°不等的裂隙倾角。研究者探讨了热处理对峰值载荷、混合模式断裂参数、名义断裂能、断裂面形态以及微观特征的影响。结果表明，两种热处理方式产生了不同的断裂响应：在实时热扰动下，大多数混合模式试样的断裂强度随温度升高先降低后升高；而在热处理后，断裂强度则呈现相反的趋势。在600℃时，实时热扰动下的断裂强度始终高于热处理后的强度。600℃时，实时热扰动下的名义断裂能为1058.5–1831.6 J/m2，而热处理后为195.9–941.0 J/m2。三维形态观察和扫描电子显微镜（SEM）分析显示，热处理后的试样断裂面更加粗糙，晶间裂纹和晶界脱粘现象更为明显；而实时热处理下的试样断裂面相对平滑，晶间断裂特征更为常见。XRD分析进一步揭示了两种热处理后矿物组成的差异。观察到的温度阈值行为被解释为热强化与热损伤之间竞争机制的转变。这些发现为评估高温岩体的断裂稳定性提供了参考。
引言
在地下煤气化（UCG）、增强型地热系统（EGS）和矿井火灾等作业场景中，周围围岩常会受到实时的高温热扰动。同时，岩体内的微孔隙和微裂纹成为潜在的薄弱面[[1], [2], [3], [4]]；在热扰动作用下，局部温度梯度引起的热应力会加速宏观裂隙的萌生和扩展[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]，从而严重损害高温地下挖掘结构的完整性和稳定性。因此，分析实时热扰动下岩石断裂韧性的演变机制对于评估高温地质工程中周围岩石的长期稳定性和预测灾难性破坏具有重要的科学意义。
近年来，关于高温环境下岩石力学行为和断裂特性变化的研究较为广泛[12]。例如，肖等人[13]和张等人[14]通过高温和力学试验研究了砂岩经热处理后的物理和力学性质变化，揭示了高温对砂岩力学性能的增强和退化机制。许多研究还探讨了热效应对岩石断裂机制的影响[15]。肖等人[16]对拱形隧道周围的岩石进行了双轴压缩试验，结果表明高温显著影响了岩石的断裂机制和稳定性。高等人[17]对热处理后的砂岩样品进行了落锤冲击试验，发现温度升高会导致砂岩的动态断裂韧性和裂隙扩展速度降低。张等人[18]发现，无论岩石是否经过高温预处理，其动态断裂韧性都随加载率的增加而显著提高。冯等人[19]对热处理后的砂岩进行了三点弯曲试验，发现在20℃至500℃范围内温度对断裂韧性影响不大，但在500℃至600℃范围内断裂韧性急剧下降。然而，由于深部地下工程的周围岩石处于高原位应力环境中[2], [3], [8], [9], [20]]，这与以往的高温处理后进行力学试验的情况不同，因此高温与高原位应力共同作用对岩石力学性能的影响更为复杂。因此，在实时高温和高应力条件下评估温度对岩石力学性能的影响尤为重要。
许多学者还研究了高温与高原位应力共同作用下的岩石力学实验[21]。例如，王等人[21]使用实时高温单轴试验系统研究了油页岩的力学性能，发现矿物相变和断裂结构的演变分别决定了垂直和平行于层理面的力学响应。马等人[22]使用实时高温三轴试验系统对花岗岩进行了三轴压缩试验，结果发现花岗岩的力学性能随温度升高先增强后减弱。李等人[23]通过冲击压缩试验比较了热处理后和实时高温下的花岗岩力学性能的损伤和退化规律。赵等人[24]在实时高温条件下对完整灰色砂岩进行了三轴剪切试验，发现正应力和温度对岩石的峰值剪切强度和损伤特性有显著影响。除了单轴强度、三轴强度和剪切强度等力学参数外，断裂韧性也是评估岩石断裂抗力的关键参数。该参数不仅是分析外部载荷下岩石结构稳定性的重要基础，还能为岩石破碎、支撑优化和施工方法选择提供科学依据。近年来，一些学者还关注了高温下的岩石断裂韧性，如杨等人[25]、胡等人[26]和李等人[27]在高温环境下对盐岩、花岗岩和石膏岩进行了力学实验，并测试了不同温度条件下的I型和II型断裂韧性。总之，这两种热处理途径代表了不同的材料状态：热处理后的岩石主要反映了热应变释放后的残余损伤，而实时热扰动则保留了断裂时刻的热膨胀效应和温度依赖的晶粒接触特性。这些差异表明，需要进一步的比较研究以更好地理解两种热处理条件下岩石的力学和混合模式断裂响应。特别是，需要进一步探讨热处理对断裂韧性、断裂能和断裂面特征的影响，尤其是在材料和试样配置一致的情况下。
本研究使用灰色砂岩制备了具有不同倾角（0°、15°、30°、45°和60°）的半圆形弯曲（SCB）试样，并利用自主研发的实时高温三点弯曲试验装置在实时高温条件下以及对热处理后进行了三点弯曲试验。系统比较分析了两种不同热处理条件下相同温度对砂岩的影响，包括I型和II型混合模式断裂的临界应力强度因子分量（K_if、K_IIf）以及有效临界应力强度因子（K_eff）。同时，采用三维表面地形扫描和扫描电子显微镜（SEM）等多尺度表征技术研究了断裂面形态和微观断裂特征，并对代表性试样进行了X射线衍射（XRD）和定量相分析，以表征热处理对矿物相组成的影响。这些发现为准确评估深部地下工程中高温岩体的稳定性和安全性提供了重要参考。
章节片段
实验材料
砂岩是世界上最广泛分布的沉积岩之一，在深部地下工程中不可避免地会受到高温影响，如图1所示。本研究使用的样品来自中国湖南省的灰色砂岩。该岩石的主要成分包括石英、斜长石、方解石、绿泥石、伊利石和白云石。根据国际岩石力学与岩石工程学会（ISRM）推荐的岩石力学试验方法[28]
载荷-位移曲线和力学性能
为了评估力学试验的重复性，每个预先制造的裂隙倾角在25℃条件下测试了三个试样，相应的峰值载荷结果总结在表1中。重复结果通过平均值、标准差（SD）和变异系数（CV）进行了统计分析。CV值范围为1.03%至6.02%，平均值为约4.18%，相应的SD值范围为0.080至0.414 kN。
不同热处理下的微观机制
为了阐明不同热处理条件（实时热扰动600℃ > 25℃ > 热处理后冷却600℃）下宏观断裂韧性和峰值载荷显著差异的微观机制，使用扫描电子显微镜（SEM）在500×和1000×放大倍率下对断裂的SCB表面进行了微观结构表征（图22）。
在25℃时（图22(a)），砂岩表现出相对致密的
结论
- (1)
与25℃相比，实时600℃热扰动下的峰值载荷最大增加了47.11%（β = 0°）。在200℃至600℃范围内，所有倾角的峰值载荷随实时扰动温度的升高而增加。相比之下，经过600℃热处理并随后冷却的试样，峰值载荷最大减少了53.98%（β = 60°）。对于不同倾角的试样（β = 0°至60°），峰值
CRediT作者贡献声明
李佳明：撰写——原始草案、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。黄守军：撰写——原始草案、可视化、数据管理。黄翔：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。张书光：可视化、方法论、数据管理。唐世斌：可视化、验证、方法论。陈洪斌：方法论、数据管理、概念构思。易根旺：可视化、验证、数据管理。王振光：
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52404201）、广西科技计划（资助编号：FN2600640462）和广西青年精英科学家资助计划（资助编号：GXYESS2025020）的财政支持。
李佳明|黄守军|黄翔|张书光|唐世斌|陈洪斌|易根旺|王振光
