高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11768-10科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:周传涛,田文岭,杨圣奇,等.高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟J.科学技术与工程,2023,23(27):11768-11777.Zhou Chuantao,Tian Wenling,Yang Shengqi,et al.Mechanical behavior of granite after thermal treatment under cyclic loading-unloadingcompressionJ.Science Technology and Engineering,2023,23(27):11768-11777.高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟周传涛1,田文岭2,杨圣奇2,甄治国1(1.中铁二十局集团第四工程有限公司,青岛 266061;2.中国矿业大学力学与土木工程学院,徐州 221116)摘 要 高放核废料处置库在开挖和使用过程中围岩不断承受周期荷载,进而影响了高放核废料处置库的安全稳定。基于此,使用数值模拟方法研究了高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为,在得到一组可以反映高温作用后花岗岩三轴压缩力学行为细观参数的基础上,分析了温度及围压对循环加卸载应力-应变曲线、弹性模量和破裂过程的影响。研究结果表明,常温下循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,循环加卸载造成宏观裂纹两侧晶粒脱落;600 C 高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加,导致应力-应变曲线偏离较多。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及 Felicity 效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小,但循环加卸载会造成宏观裂纹两侧出现晶粒压碎现象。弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600 C 处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。关键词 岩石力学;花岗岩;循环加卸载;晶粒单元;高温中图法分类号 TU45;文献标志码 A收稿日期:2022-12-04;修订日期:2023-07-07基金项目:国家自然科学基金(42107159)第一作者:周传涛(1985),男,汉族,山东青岛人,高级工程师。研究方向:隧道及地下工程。E-mail:。通信作者:田文岭(1990),男,汉族,山东菏泽人,博士,副教授。研究方向:岩石力学。E-mail:。Mechanical Behavior of Granite after Thermal Treatment underCyclic Loading-unloading CompressionZHOU Chuan-tao1,TIAN Wen-ling2,YANG Sheng-qi2,ZHEN Zhi-guo1(1.China Railway 20thBureau Group 4thEngineering Co.Ltd.,Qingdao 266061,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract During the excavation and using process of the high level nuclear waste(HLW)disposal repository,the surroundingrock bear the periodic loading,which has a significant effect on the safe and stable operation of HLW disposal repository.Therefore,numerical simulation were adopted to investigate the mechanical behavior of thermal treated granite under triaxial tiered cyclic loading-unloading compression.After obtained a group of micro-parameters which can simulated the mechanical behavior of thermal treatedgranite under triaxial compression,the variation of stress-strain curves,elastic modulus and failure process with temperature and confi-ning pressure was analyzed.And,the results show that the stress-strain curves of granite under cyclic loading are in good agreementwith that under monotonic loading at room temperature,but cyclic loading lead to the grain fall off near the macro-crack.The differenceof stress-strain between cyclic and monotonic loading is obvious when T=600 under uniaxial compression,which due to that the in-crease of micro-crack during the loading and unloading process.However,confining pressure can restrain the increase of micro-crackduring the unloading process and Felicity effect,and results in the difference of stress-strain curves between cyclic and monotonic load-ing decreases,but cyclic loading result in the grain crushing near the macro-crack.The variation of the elastic modulus with cyclenumber can be divided as the pre-peak stage,post-peak fracture stage and residual strength stage.Due to a lot of thermal cracks wereinduced by high temperature when T=600,elastic modulus increases obviously at initial loading stage,and it more sensitive to con-fining pressure.Keywords rock mechanics;granite;cyclic loading-unloading compression;GBM;high temperature 在核废料处置库的开挖过程中,由于不断地打眼放炮、机械开挖及地应力重新分布造成隧道内围岩不断承受周期荷载。同时,在核废料处置库使用过程中,由于机械振动,也会在处置库围岩中形成周期荷载。周期循环荷载不断地作用于围岩,造成围岩的持续损伤,对处置库的安全稳定运行造成重大安全隐患。同时,循环荷载可以为研究岩石损伤及变形特征提供一种有效的方法1。关于循环荷投稿网址:2023,23(27)周传涛,等:高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟11769载下花岗岩力学行为的研究由来已久,并取得了一系列成果。循环加卸载主要分为恒定最大应力加卸载和递增最大应力加卸载两种方式,恒定最大应力加卸载又称为疲劳加载,研究岩石长时周期荷载作用下的力学行为2,广泛用于评估隧道、硐室围岩长期动荷载下的稳定性3-4。但在工程实践中循环应力一般不是等幅值的,所以有必要研究递增最大应力循环加卸载岩石损伤演化机理。递增最大应力加卸载主要用于测试岩石弹性模量、残余应变、泊松比、能量5在加载过程中的演化,进而用于评价试样加载过程中的损伤,已经得到了广泛的应用。借助声发射系统可以记录花岗岩破坏过程的声发射信号6,花岗岩振铃计数突变点大致在峰前 90%处,可将此点作为判断花岗岩破坏的前兆7。同时借助声发射定位技术,可以分析岩石全应力-应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,揭示 岩 石 在 压 缩 变 形 各 个 阶 段 的 破 裂 演 化机制8-9。由于处置库围岩受到核废料衰变放热的影响,其力学行为将发生改变。高温作用引起花岗岩晶粒膨胀、脱水及化学变化,改变了花岗岩的基本物理特征10-11,进而影响了花岗岩的力学行为12。实时高温单轴压缩试验,温度可以达到 1 200 13,主要研究单轴压缩强度、变形、破裂及声发射特征随温度的变化14。实时高温常规三轴压缩试验对设备 要 求 较 高,使 用 液 压 油 加 热 最 高 温 度 为600 15。主要研究强度及剪切参数随温度变化,配合声发射监测技术可以鉴别特征应力16。然而,试验手段较难获得高温作用花岗岩损伤破裂微细观机理,例如微裂纹及能量演化,需要借助考虑花岗岩细观结构的数值模拟软件来解决该问题。Zhao17使用二维颗粒流程序(PFC2D)模拟了 Lac duBonnet 花岗岩实时高温及高温作用后的裂纹分布情况。在此基础上,Yang 等18使用 PFC2D中的Cluster 单元模拟了花岗岩实时高温单轴压缩力学行为,研究高温及晶粒尺寸对花岗岩单轴压缩损伤破裂过程的影响。上述研究主要使用室内试验研究了循环加卸载及高温作用花岗岩力学行为演化,而室内试验较难从细观层面上观察高温后花岗岩三轴循环加卸载损伤破裂过程19。因此,现在前人研究的基础上,使用 PFC 中的 Cluster 单元研究了高温作用后花岗岩循环加卸载损伤破裂过程,为保障核废料处置库安全稳定运行提供一定的理论基础。1 模拟方案1.1 模拟加热过程Chen 等20使用 XRD(X-ray diffraction)衍射分析高温作用后花岗岩的矿物成分,表明高温处理对矿物成分影响较小,高温主要影响矿物晶粒几何特征。所以在模拟过程中不需要考虑高温造成花岗岩矿物成分的改变,只需模拟因高温作用矿物晶粒热膨胀导致热裂纹产生过程。在加温过程中,由于花岗岩的摩擦系数会随着温度升高几乎线性增加21,所以模拟过程中需要考虑温度对摩擦系数的影响。采用均匀加热的方式模拟加热过程,每次加热1 C,循环100 次后继续加热,降温过程与加热过程相似。为了模拟石英发生-相变,当加温至573 C 时,赋值石英颗粒半径膨胀 1.004 6 倍22。同理在降温至 573 C 时,石英发生-相变,石英颗粒半径缩小 0.995 4 倍。图 1 给出了高温 600 后花岗岩内微裂纹分布特征23。为了研究高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为的影响,温度同样设定为常温和 600。图 1 数值模拟循环加卸载的加卸载过程23Fig.1 The loading and unloading process in PFC2D 231.2 模拟循环加卸载模拟循环加卸载时,其加载过程与单调加载相同:使用左右两侧墙对试样进行伺服控制,保持围压(3)恒定,而上下端墙通过位移控制加载,速度(v)设置为0.025 m/s,如图1(a)所示。当加载至设定轴向应变时进行卸压,卸压过程中侧向墙依然采用伺服控制保持围压恒定,轴向采用伺服控制24。首先将轴向伺服控制压力设置为当前压力,并通过不断减小轴向压力(1,0.01 MPa/步)进行卸压,当轴向偏应力减小至 1 MPa 时结束卸压,如图1(b)所示。图 2 给出了循环加卸载典型应力、应变随时步的变化,从图 2 中可以看出加载过程中轴向卸载投稿网址:11770科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 2 循环加卸载典型应力应变曲线Fig.2 Typical stress,strain curves of specimen underloading-unloading cyclic compression应变不断增加,峰前设置 7 个循环,峰后设置 5 个循环,整个加载过程中围压保持不变。2 高温作用后花岗岩循环加卸载宏观力学行为 由于 PFC 中的细观参数与宏观力学行为之间不存在直接的关系,一般通过“试错法”匹配细观参数,即通过不断调整细观参数,使得模拟结果与试验结果能较好匹配。由于晶粒单元(grain-basedmodel,GBM)中含有的细观参数较多,在调试过程中首先固定石英、长石、云母和角闪石的细观参数,通过调整节理细观参数完成细观参数的标定。通过不断试错,得到了一组细观参数,如表 1 所示23。为了验证该模拟方法的可行性,首先进行高温作用后常规三轴压缩模拟,得到如图 3 所示花岗岩三轴峰值强度随温度及围压演化特征25。从图 3中可以看出单轴压缩下,峰值强度在温度 T=150 时略有升高,其后开始缓慢下降,而在 T=450 600 时峰值强度开始快速降低,其后峰值强度缓慢降低。当围压 3=10 MPa、T 450 时,峰值强度随着温度的增加波动降低,但变化不明显,而在T=600 时,有较大的突降,其后峰值强度随温度增加变化不明显。当 320 MPa、T 450 时温度对峰值强度的影响不大。但当 T=600 时,峰值强度都会有较大的突降。数值模拟得到峰值强度随温度的演化趋势与室内试验结果吻合较好,说明该组细观参数可以较好地反映高温作用后花岗岩三轴力学行为。在此基础上,可以开展高温作用后花岗岩循环加卸载研究。图 4 所示为不同高温作用后花岗岩试样单调加载与循环加卸载应力-应变曲线室内试验及数值模拟结果。从图 4 中可以看出总体上峰前循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,表现为良好的记忆特征。而当 T=600 时,由于此时试样内较表 1 花岗岩晶粒内部及晶粒边界细观参数23Table 1 Micro-parameters of intra-grain and inter-grain in the granite specimen23细观参数斜长石(59.85%)石英(11.12%)角闪石(6%)云母(21.25%)晶粒内部细观参数颗粒半径范围 r/mm0.150 0.2450.150 0.2450.150 0.2450.150 0.245密度 /(kg m-3)2 6002 6502 6002 850颗粒有效弹性模量 Ec/GPa32402515平行黏结有效弹性模量 E-c/GPa32402515颗粒法向与切向刚度之比 kn/ks1.71.01.61.1平行黏结法向与切向刚度之比 k-n/k-s1.71.01.61.1颗粒摩擦系数 1.21.21.21.2平行黏结参考半径 rg/mm0.10.10.10.1平行黏结半径因子-0.60.60.60.6弯矩贡献系数-1111平行黏结法向强度 n/MPa10612110660平行黏结内聚力 c-/MPa276291276160平行黏结摩擦角-/()50505050晶粒边界细观参数光滑节理法向刚度系数0.6光滑节理切向刚度系数0.95光滑节理摩擦系数1.2光滑节理法向强度/MPa4光滑节理内聚力/MPa60光滑节理膨胀角/()50颗粒线膨胀系数/K-18.7 10-624.3 10-628 10-63.0 10-6投稿网址:2023,23(27)周传涛,等:高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟11771图 3 高温作用花岗岩试样常规三轴峰值强度随温度的变化Fig.3 Variation of the peak strength of granite specimensunder triaxial compression with temperature多热裂纹,循单轴压缩环加卸载应力-应变曲线与单调加载曲线差别较大,其峰值强度明显降低。针对产生该现象的原因,接下来将从细观层面予以解释。常温单轴压缩峰后呈现脆性破坏,而围压作用下试样具有一定的残余强度。600 高温处理后单轴压缩单调加载峰后残余强度不明显,而循环加卸载存在一定的残余强度。三轴压缩下,残余强度有所增加。在偏应力较小时,加载和卸载过程中轴向应力应变曲线存在明显的下凹段。说明在卸载过程中当应力较小时试样中的裂隙会张开,而在加载过程中裂隙会重新闭合。同时可以看出随着围压的增大,下凹段越来越不明显,说明围压一定程度上抑制了裂隙的张开。而峰后下凹段更加明显,说明加载过程中造成的裂隙在卸载过程中也会一定程度上张开。但第一次卸载后,继续加载对应的下凹段有所减弱,可能由于第一次循环加卸载导致部分闭合的裂隙未能完全张开。压密阶段结束后进入弹性阶段,从图中可以看出即使试样中已经出现损伤,依然存在弹性阶段。说明试样虽然已经出现损伤,即使在峰后阶段,但当应力不足以使裂纹继续扩展或剪切面产生滑移时,试样依然表现为弹性特征。弹性阶段结束后进入塑性阶段,此时应力应变曲线表现为上凸特征。图 4 不同高温作用后花岗岩循环加卸载应力应变曲线室内试验结果与数值模拟结果对比Fig.4 comparison of stress-strain curves of graniteafter thermal treatment under triaxial loading unloading cycliccompression between experiment and numerical simulation塑性阶段在峰前表现不明显,但峰后随着循环次数的增加塑性特征越来越明显。由于数值模拟试样内不存在初始缺陷,且峰后残余强度较低,只能一定程度上反映高温后花岗岩力学行为的演化特征。接下来将结合室内试验和数值模拟对循环加卸载变形及裂纹演化特征的影响展开分析。从应力-应变曲线中可以提取加载段弹性模量,如图 5 所示。从图 5(a)、图 5(b)可以看出常温下弹性模量总体上随着循环次数呈现先增加后基本稳定,其后会出现缓慢降低至快速降低,最后趋于稳定的变化趋势。主要因为加载前期会造成原生裂隙孔隙闭合,导致试样的弹性模量有所升高。当投稿网址:11772科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 5 不同高温作用后试样弹性模量随循环次数的变化数Fig.5 Elastic modulus of specimens after thermaltreatment varies with cyclic number裂隙闭合后试样进入弹性阶段,加载时试样内裂纹产生较少,弹性模量变化不大。加载一定程度后,试样内裂纹不断萌生贯通,承载结构不断损伤,导致试样的弹性模量不断降低。峰后弹性应变能释放,试样内宏观裂纹形成,弹性模量快速降低。当试样内的宏观裂纹形成后,试样承载结构达到新的平衡,进入残余强度阶段,此时弹性模量变化不大。同时随着围压的增大,在相同加载次数时弹性模量不断增大。说明围压一定程度上增加了试样的刚度,同时在加载过程中一定程度上抑制了裂纹的萌生。而600 高温处理后,试样内含有大量热裂纹,导致弹性模量初始增加段及随围压的变化更加明显,如图 5(c)、图 5(d)所示。由于数值模拟试样不具有初始缺陷,弹性模量初始上升段不明显。从图 5(b)可以看出常温下花岗岩弹性模量总体呈现峰前基本不变,峰后快速降低,而进入残余强度基本不变的特征。由于单轴及 10 MPa 围压下试样残余强度较低,未进行循环加卸载模拟。同时由于缺少初始缺陷,导致常温下试样弹性模量对围压不敏感。而当试样经过 600 C 高温处理后,试样内存在大量的热裂纹,如图 1(b)所示,导致弹性模量随循环次数的演化特征发生明显变化。初始加载闭合部分热裂纹,弹性模量会随着循环次数缓慢上升;其后,弹性模量开始缓慢降低。而当试样加载至峰后时,弹性模量开始快速下降。此时弹性模量相较于常温下对围压更加敏感,随着围压升高不断增加。总体上,不同高温处理后试样的弹性模量随循环次数及温度演化特征与室内试验结果相似。试样破坏过程中会伴随离散分布于试样内部的微裂纹萌生扩展,室内试验主要观察到宏观裂纹,而对离散分布于试样内的微裂纹观察较少。数值模拟模拟试样破裂过程中可以较好地记录微裂纹产生的时间及位置,但大量的微裂纹存在,导致宏观裂纹不明显。为了对比室内试验及数值模拟试样的最终破裂模式,按照微裂纹对应颗粒相对位移量进行筛选裂纹,并得到宏观裂纹分布特征,如图 6、图 7 所示。常温下,单轴压缩下试样主要以劈裂破坏为主,且裂纹主要在晶粒边界萌生扩展;而 10 MPa 围压下试样以单剪切裂纹破坏为主,但此时裂纹依然存在于晶粒边界。随着围压升高,试样以共轭剪切破坏为主,且穿晶裂纹逐渐增多。Yang 等26通过偏光显微观察不同围压下裂纹细观结构,证明穿晶裂纹随围压不断增加的现象,一定程度上说明该数值模拟方法可以反映试样破裂的细观特征。600 高温作用后,单轴压缩下试样依然以劈裂破坏为主,且主要为晶粒边界裂纹;常规三轴下试样以单剪切裂纹破坏为主,随着围压增高剪切裂纹带上的分支逐渐减少,且穿晶裂纹的比例逐渐增多。对比室内试验结果可以看出数值模拟可以一定程度上反映宏观裂纹随温度及围压的演化特征。投稿网址:2023,23(27)周传涛,等:高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟11773图 6 常温下花岗岩循环加卸载试样最终破裂模式Fig.6 ultimate failure models of granite at room temperature under triaxial cyclic loading-unloading compression图 7 600 高温作用后花岗岩循环加卸载试样最终破裂模式Fig.7 Ultimate failure models of granite after 600 treatment under triaxial cyclic loading-unloading compression投稿网址:11774科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)通过上述分析可以看出,数值模拟得到的高温作用花岗岩应力应变曲线特征、弹性模量及泊松比随循环次数的演化特征及破裂模式与室内试验结果相似,一定程度上说明了该数值模拟方法的可行性。而室内试验较难观察试样的破裂过程,基于上述分析,接下来将使用该数值模拟方法对高温作用后花岗岩循环加卸载裂纹演化特征展开分析。3 高温作用后花岗岩循环加卸载裂纹演化特征 通过分析微裂纹演化过程,可较好探究循环加卸载损伤破裂机理。图 8 给出了围压为 40 MPa 下循环及单调加载裂纹演化特征,从图 8(a)可以看出峰前循环加卸载应力-应变曲线及裂纹演化曲线与单调加载吻合较好,说明循环加卸载在峰前对试样损伤演化影响不大。由于围压影响,初始加载微裂纹类型以晶粒边界裂纹为主,而随着加载进行试样主要出现穿晶裂纹。峰值点附近微裂纹快速增加,且主要以穿晶裂纹为主。此时剪切带快速形成如图 8(b),剪切带穿过晶粒,产生较多穿晶裂纹。峰后循环加卸载应力-应变曲线及微裂纹演化曲线与单调加载发生偏离,微裂纹数目在初始卸载段开始增多;继续加载过程中,当应力未达到前次加载最大应力时即出现裂纹增多的现象(Felicity 效应)。此时循环加卸载对应的穿晶裂纹及沿晶裂纹数目明显大于单调加载,且穿晶裂纹增加明显。峰后应力快速下降,并进入残余强度阶段。残余强度阶段,剪切带两侧岩体反复摩擦,造成循环加卸载对应微裂纹数目明显大于单调加载。从图 8(b)可以看出,残余强度阶段,循环加卸载对应的晶粒边界裂纹数目明显大于单调加载,一定程度上说明剪切带两侧岩体摩擦主要导致晶粒脱落,产生较多的晶粒边界裂纹。由于600 高温作用后试样内存在大量的热裂纹,导致单轴压缩下循环加卸载裂纹演化特征与单调加载存在明显区别,如图 9 所示。由于承载结构的破坏,卸载过程中试样内微裂纹继续增加,同时加载过程中 Felicity 效应明显,一旦加载微裂纹数即开始增加。所以,第一次加载后循环加卸载应力-应变曲线及微裂纹演化曲线与单调加载就产生了分离。当加载至第 5 次时,试样内沿晶裂纹数目明显大于穿晶裂纹,循环加卸载对应的沿晶裂纹数目大于单调加载,而穿晶裂纹数基本相等,一定程度上说明循环加卸载过程主要是沿晶裂纹不断扩展。同时由于循环加卸载过程中沿晶裂纹的不断扩展,图 8 未经处理花岗岩常规三轴压缩过程中微裂纹演化特征(3=40 MPa)Fig.8 Micro-crack evolution characteristic of untreatedgranite specimen under triaxial compression(3=40 MPa)图 9 600 高温处理花岗岩单轴压缩过程中微裂纹演化特征Fig.9 Micro-crack evolution characteristic of heat-treatedgranite specimen under uniaxial compression(T=600)投稿网址:2023,23(27)周传涛,等:高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟11775导致循环加卸载对应的峰值强度明显小于单调加载。峰后应力开始缓慢下降,循环加卸载对应的微裂纹演化曲线与单调加载分离更加严重。此时沿晶裂纹和穿晶裂纹数目都有所增加,且循环加卸载对应的沿晶裂纹数与单调加载差别更大。此时试样主要以微裂纹之间的不断贯通为主,无明显宏观裂纹形成。而当试样破坏时,循环加卸载对应的穿晶裂纹明显小于单调加载。产生该现象的主要原因为,循环加卸载宏观裂纹扩展速度相对单调加载慢,有较多的时间调整,所以裂纹总体沿晶粒边界扩展;而当单调加载过程中,宏观裂纹扩展较快,当裂纹扩展路径经过晶粒时更容易穿越晶粒。该现象与 Ju 等27通过理论及室内试验研究结果相似,裂纹扩展增大更容易产生穿晶裂纹。围压一定程度上增强了高温损伤后试样的承载能力,导致循环加卸载应力-应变曲线及微裂纹演化曲线与单调加载之间的区别有所减小,如图 10 所示。峰前循环加卸载应力-应变曲线及微裂纹演化曲线与单调加载产生分离,导致循环加卸载对应的峰值强度略低于单调加载。此时试样内穿晶裂纹数量快速增加,且循环加卸载对应的穿晶裂纹明显较单调加载多,而晶粒边界裂纹增加不明显。峰值处微裂纹开始快速增加,且循环加卸载对应的裂纹数与单调加载差距不断在增大。峰后卸载过程裂纹数目持续增加,且 Felicity 效应明显。而当试样加载至残余强度阶段,由于剪切带的滑动,裂纹数目持续增加,但此时主要增加的是穿晶裂纹。由于高温作用,穿晶裂纹扩展充分,晶粒强度降低明显,所以峰后残余强度阶段主要产生大量穿晶裂纹,晶粒被压碎,出现大量粉末。4 讨论为了验证数值模拟结果的可行性,图 11、图 12分别给出了三轴压缩破裂后裂纹远场及近场处偏光显微结果。从图 11 可以看出加载对裂纹远场处的影响较小,常温下晶粒之间嵌锁紧密,晶粒较完整,但部分晶粒处会有一定的缺陷,该缺陷可能为原始缺陷。原始缺陷的存在一定程度上造成了应力应变曲线在初始压缩时产生非线性压密段。而600 高温处理后,试样内存在大量的穿晶裂纹及晶粒边界裂纹,与图 9、图 10 对应的结果相似。由于大量穿晶及晶粒边界裂纹的存在,造成其力学行为与常温下明显不同。图 12 给出了宏观裂纹近场处偏光显微结果,从图中可以看出不同高温作用下其破裂特征明显不图 10 高温处理花岗岩常规三轴压缩过程中微裂纹演化特征(T=600,3=40 MPa)Fig.10 Micro-crack evolution characteristic ofheat-treated granite specimen under triaxial compression(T=600,3=40 MPa)图 11 宏观裂纹远场偏光显微结果(3=40 MPa)Fig.11 The polarized light microscopy of granite faraway from the macro-crack(3=40 MPa)同。未经高温处理花岗岩宏观裂纹两侧较光滑,周围晶粒破坏较少,宏观破坏对周围晶粒影响较小。同时由于循环荷载作用,裂纹处存在明显的晶粒脱落现象图12(a),该现象与图8 得到的结论相似。高温处理后,宏观裂纹面较粗糙,同时宏观裂纹两侧的晶粒破坏较裂纹远场处明显严重,说明宏观破坏对周围晶粒影响较大。同时在宏观裂纹处存在明显的晶粒压碎现象,出现大量粉末,该结果与图 10得到的结论相同。通过对高温处理后花岗岩投稿网址:11776科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 12 宏观裂纹近场偏光显微结果(3=40 MPa)Fig.12 The polarized light microscopy of granitenear the macro-crack(3=40 MPa)破裂处的偏光显微分析,一定程度上说明使用 GBM模型可以用于分析高温处理后花岗岩循环加卸载细观力学行为。5 结论使用数值模拟方法对高温处理后花岗岩三轴循环加卸载损伤演化特征展开分析,研究了应力-应变曲线特征及弹性模量随温度及围压的演化特征,及试样的损伤破裂过程,主要得到以下结论。(1)采用 PFC 中的 GBM 单元构建了花岗岩试样并开展了高温作用后常规三轴压缩及循环加卸载试验模拟,通过模拟获得的高温后花岗岩循环加卸载试验应力应变曲线、弹性模量及最终破裂模式随温度及围压的演化,得到的数值模拟结果与室内试验结果吻合较好。(2)弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600 处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。(3)未经处理花岗岩三轴压缩初始阶段主要产生晶粒边界裂纹,其后穿晶裂纹占主导地位。进入残余强度后,剪切带两侧反复摩擦,产生大量晶粒脱落。(4)600 高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加(主要增加沿晶裂纹),所以循环加卸载峰值强度较单调加载明显降低。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及 Felicity 效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小。同时由于热处理导致晶粒强度降低,剪切带两侧反复摩擦,产生大量穿晶裂纹。参考文献1 Zhou H W,Wang Z H,Wang C S,et al.Onacoustic emission andpost-peak energy evolution in beishan granite under cyclic loadingJ.Rock Mechanics and Rock Engineering,2019,52(1):283-288.2 徐 颖,李成杰,郑强强,等.循环加卸载下泥岩能量演化与损伤特性分析 J.岩石力学与工程学报,2019,38(10):2084-2091.Xu Ying,Li Chengjie,Zheng Qiangqiang,et al.Analysis of energyevolution and damage characteristics of mudstone under cyclic load-ing and unloadingJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and En-gineering,2019,38(10):2084-2091.3 Wang Z,Li S,Qiao L,et al.Finite element analysis of the hydro-mechanical behavior of an underground crude oil storage facility ingranite subject to cyclic loading during operationJ.InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2015,73:70-81.4 Ghazvinian E,Diederichs M S.Progress of brittle microfracturing incrystalline rocks under cyclic loading conditionsJ.Journal of theSouthern African Institute of Mining and Metallurgy,2018,118(3):217-226.5 杨小彬,程虹铭,吕嘉琦,等.三轴循环荷载下砂岩损伤耗能比演化特征研究J.岩土力学,2019,40(10):3751-3758.Yang Xiaobin,Cheng Hongming,L Jiaqi,et al.Energy consump-tion ratio evolution law of sandstones under triaxial cyclic loadingJ.Rock and Soil Mechanics,2019,40(10):3751-3758.6 李庶林,周梦婧,高真平,等.增量循环加卸载下岩石峰值强度前声发射特性试验研究J.岩石力学与工程学报,2019,38(4):724-735.Li Zhelin,Zhou Mengjing,Gao Zhenping,et al.Experimentalstudy on acoustic emission characteristics before the peak strength ofrocks under incrementally cyclic loading-unloading methodsJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2019,38(4):724-735.7 刘亚运,苗胜军,魏晓,等.三轴循环加卸载下花岗岩损伤的声发射特征及能量机制演化J.矿业研究与开发,2016,36(6):68-72.Liu Yayun,Miao Shengjun,Wei Xiao,et al.Acoustic emissioncharacteristics and energy mechanism evolution of granite damageunder triaxial cyclic loading and unloading J.Mining R&D,2016,36(6):68-72.8 赵星光,马利科,苏锐,等.北山深部花岗岩在压缩条件下的破裂演化与强度特性J.岩石力学与工程学报,2014,33(S2):3665-3675.Zhao Xingguang,Ma Like,Su Rui,et al.Fracture evolution andstrength characteristics of Beishan deep granite under compressionconditionsJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engi