本文是一篇土木工程论文，本文开展了高温花岗岩的不同冷冲击试验，探寻高温花岗岩遭遇不同冷冲击作用后物理力学性能的演变规律，采用理论分析、冷冲击试验及数值计算等手段，研究了不同冷冲击作用后高温岩石的致裂效果与裂纹形态，并进行了不同冷冲击后高温花岗岩强度降低的多元信息辨识，以此探究冷冲击对高温花岗岩的损伤机理。
1 绪论
1.1选题背景及研究意义
面对经济时代的快速发展，使得人们对能源的需求持续高涨。然而，由于科学技术的进步，开采效率的提高，可开采的地表浅层资源正变得越来越少，因此，地球深部资源正逐渐成为未来能源结构的主力[1]，例如，深部油气田的开采、地热能的开发。但由于随着开采深度的加深岩体温度会以约 2℃/100m 逐渐上升[2]，由此高温作用给深部岩土工程带来了诸多的挑战，尤其是在地热能储热层的开采中，由于冷水注入，热水抽采来利用地热能的模式，在这种冷热温度条件变化的作用下，造成储热层围岩的开裂，而这些裂缝的发育状况又会极大的影响资源的抽采率，而且，会降低基岩的力学性质，对地热工程的进一步开发及利用提高了难度。所以，冷热作用下岩石开裂情况的评估，对深部地质工程安全性及经济性的应用变得至关重要。
在地质资源的抽采中，破岩技术作为石油勘探、油田开发与地热资源开采的关键技术，钻井的成败会直接影响资源开采的进度。随着钻井不断向深部钻探，温度也越来越高，高温对钻头的强度影响越来越大。但传统钻井方式的钻头寿命周期短，钻速低致使钻井效率低下，因此探索一种高效破岩的方法具有重大现实意义[3]，通常利用钻井液给钻头降温，这样既可以给钻头降温，又可以给钻探的岩石施加冷冲击，使其裂缝更多，更容易钻探，提高破岩率[4]，但与此同时，对井壁的稳定性也造成了破坏，带来了工程隐患，如何控制与识别也亟需解决。因此，了解高温及冷冲击作用对岩石致裂情况的研究就显得很有必要。
此外，“一带一路”建设的不断推进，为了减少了中国西部地区经济的落后发展，加大了基础设施建设的投入。交通运输方面，由于铁路建设的粒度不断加大，公路隧道数量和里程建设迅速增加，致使越来越多的交通安全问题随之而来，其中隧道火灾便是众多专家学者较为关注的一个问题之一[5-9]。由于隧道特别是长大隧道具有独特的工程环境，即若隧道引发火灾，便会造成人员伤亡、经济损失、隧洞内设施毁坏和交通中断等问题。且隧道进行灭火的过程，涉及高温岩石的快速冷却，这可能导致围岩开裂甚至失稳。然而，许多研究人员对隧道火灾方向进行了大量的物理模型试验和数值模拟分析，期望完善火灾致灾过程、发育过程及灾后评估等众多体系，但研究方向大多偏向于火灾致灾机理和消防安全，对水灭火灾后衬砌及围岩的稳定性评估和加固后效果检验方面的研究还较少。因此，研究冷冲击对不同高温作用后的岩石物理性质的演变及其成因机制，对隧道火灾后结构稳定性评价和修复加固十分必要。
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1.2 国内外研究现状分析
在评估岩土工程稳定性时，温度越来越成为人们不可忽视的重要影响因素，正如大多数学者的研究报道那样，温度作为影响岩石性能的重要因素，众多学者进行了相关高温岩石的试验研究。基于相关学者对岩石进行温度冲击的试验研究表明，大多数研究集中在高温与快速降温对岩石物理和机械性能的影响上，主要体现在以下几个方面：
1.2.1高温状态下岩石物理力学特性
围绕温度对岩石特性的影响，在实时高温下对岩石进行了大量的力学和开裂实验。Dwivedi 等[13]采用印度粗花岗岩升温至 30~160℃，开展了温度对花岗岩热力学性质的影响试验。吴刚等[14]开展了常温至 800 ℃下的大理岩力学性质试验，得到峰值应变、峰值应力、弹性模量等随温度变化的演化规律。王春光等[15]对原煤在热-力耦合作用下的变形、解吸气体运移及力学性质的变化规律进行了研究。查文华等[16]对 25~55 ℃范围内实时温度作用下的煤系泥岩进行了力学试验，展开了不同温度条件下力学参数的演化规律。许锡昌等[17]进行了高温状态下的花岗岩的力学试验，得到了在高温状态下花岗岩的基本力学性质。S.Shao 等[18]利用声发射和 SEM 研究了实时高温下 Strathbogie 花岗岩的单轴压缩性质。左建平等[19, 20]利用 SEM 观察了实时温度下花岗岩的热开裂过程。赵阳升等[21-27]研究了实时高温及三轴应力状态下花岗岩的力学特性，热破裂及渗透性相关规律，并讨论了研究结果对干热岩开发的启示。M.A.Kant 等[28]研究了 25 ℃～500 ℃高温下CentralAare 花岗岩的热学性质。W.G.P.Kumari 等[29]研究了不同温度及不同围压对Strathbogie 花岗岩的三轴力学性质的影响。高平[30]对高温高压作用下绿泥石片岩和斜长角闪岩开展试验研究，结果表明含水矿物的脱水致使岩石物理力学性质发生变化。在半封闭条件下，该矿物的脱水温度呈现随压力增大而减小的趋势。姜崇喜[31]通过扫描电镜（SEM）和高精度单轴拉伸压缩等试验方式，开展大理石试样在单轴压缩载荷下的弹性变形和强度特性进行实时，动态观察和研究，阐述了大理石初始弹性织物的应力水平，裂纹扩展方法以及介观损伤过程的力学行为和宏观力学性能的影响关系的影响，并介绍了岩石样品制备方法和实验的 SEM 轴向压缩载荷试验的顺序技术。赵永红[32, 33]利用扫描电镜和光学显微镜对岩石裂纹的生长过程进行实时观察，发现岩石的断裂带具有分形几何特征。对外部载荷的增加进行了实时扫描电子显微镜观察，并通过计算分形维数得迅捷PDF编辑器出了岩石结构单元尺寸值随单轴加载之间的变化规律。尚嘉兰[34]在单轴压缩方式下采用扫描电镜(SEM)方式对香港花岗岩进行习惯分析，结果表明花岗岩的细观损伤与宏观力学行为的关系相对应。
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2 不同冷冲击作用下高温花岗岩致裂试验方案
2.1试样采集与制备
含孔立方体花岗岩制备 我国地热资源中干热岩分布广泛，而其热能主要储存在花岗岩中。因此，选择花岗岩作为干热岩的主要研究对象[64]。本试验所用花岗岩岩样均来自地热分布广泛的四川省甘孜州地区[65]，见图 2.1。将花岗岩岩样运送至石材加工厂将岩石样品加工成边长为100mm 的立方体(中华人民共和国国家标准混凝土强度检验评定标准 GB50107-2010)。由于孔的位置，会发生不同的破坏形式[66]，在该测试中，使用凿岩取样器在立方体的中心进行钻孔，钻孔深度为 80mm，直径为 30mm。样品的每个端面都用打磨机打磨。最后，共制备了 16 个钻孔立方体花岗岩岩样进行加温冷冲击处理，并分成四组，每组 4 个岩样，其中一组花岗岩不进行冷冲击处理，加温达到设定的温度值后放置冷却至室温作为对比组。如图 2.2 所展示的即为制作好的一组用于自然降温试验的含孔立方体花岗岩。
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2.2含孔立方体花岗岩冷冲击试验方案
本次试验重点关注不同温度梯度的冷媒对花岗岩造成的开裂影响。试验开展的过程见图 2.5。用高温加热炉将花岗岩从室温（20 ℃）分别加温至预设温度值，150℃-350℃之间一般是伴随着矿物内部结合水、结晶水的变化温度范围，550℃-750℃之间伴随着矿物的相变和裂解，另外，由于不同工程中岩石围岩承受温度的不同，例如：地热能钻探开采温度在 150-650 ℃，突发性高温灾害温度高达 1000 ℃或者更高，并参考前人学者的研究，本次研究划分了 4 个温度：150 ℃、350 ℃、550 ℃、750 ℃，研究冷冲击对这四个温度岩石的一般规律。低温试验箱将预制好不同温度的氯化钙溶液（-20、0 ℃、20 ℃）分别进行冷冲击，并在此过程中用红外测温仪测量并记录花岗岩温度的变化，待花岗岩降至室温后用显微镜观察岩石开裂的状况。详细的实验过程如下：
首先，由于氯化钙与水的比例不同，所形成的氯化钙溶液的冰点也不同，本试验按照水和无水氯化钙颗粒 3:1 的比例配置氯化钙溶液（其冰点可达到-40 ℃），使其能在较低的温度下也能保持较好的流动性而不结冰，然后用 DW-40 型低温试验箱将配置好的氯化钙溶液降温到目标值，达到预设温度值后恒温 8 小时，使整体溶液都能达到目标温度值。随后放入保温箱中。-20℃、0 ℃、20 ℃可适当调整配置比例，达到预设温度值后同样放入保温箱中保温。
然后，将制备好的钻孔立方体花岗岩岩样放入高温加热炉中进行加温处理，考虑到加温速率对岩石内部结构的影响[68]，防止升温速率过快导致岩石内部受热不均匀导致开裂，马弗炉的加温速率设定在 5 ℃/min，一次试验预设定一个温度值，共 4 个温度梯度值：150 ℃、350 ℃、550 ℃、750 ℃，需进行 4 次温度值设定的重复试验。达到预设值后恒温 4 小时，使岩石内部均匀受热都能达到预设的温度值。
最后，将已加热的花岗岩岩样迅速用火钳小心拿出并向中心钻孔位置注入制备好氯化钙溶液，以将钻孔注满为止，需要注意的是，本次试验只研究一次冷激对岩石产生的影响，所以本次试验仅注入一次冷媒溶液。将一组已加热的花岗岩进行自然降温作为对比组，不做快速冷冲击处理，共进行 4 次不同温度梯度花岗岩的冷冲击重复试验，且每次都有一组自然降温的花岗岩作为对照组。在此过程中用 AS900B 红外测温仪记录下钻孔中心位置处的温度变化情况，进行花岗岩钻孔中心的温度追踪。待花岗岩冷却至室内后，用电脑连接 supereyes-B011 电子显微镜观测各组花岗岩外表面开裂的状况。
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