第1章绪论
1.1研究背景与意义
向地下要空间、要资源已经成为21世纪全球发展的必然趋势。为适应经济建设发展、国家安全需求及中西部国土资源开发需要，我国地下空间开发不断走向地球深部，尤以深部资源开采和各类交通、水利水电工程建设*为显著。
在资源开采方面，如图1.1所示，据统计，国外有112座矿山深度超过1000m，米深超过3000m的有16座，姆波尼格（Mpaneng）金矿开米深度超4500m，卡勒顿维累（Carlrtonville）金矿开米深度超4800m;我国米深超过千米的煤矿已有近50座，金属矿山也已进入1000～2000m的深度开采，千米深井的深部资源开采已逐渐成为资源开发的新常态[1—2]。例如，河南灵宝峑鑫金矿开采深度达1600m;云南会泽铅锌矿开采深度达1500m;辽宁红透山铜矿开采深度达1300m;山东唐口煤业、平顶山天安煤业五矿、大屯能源孔庄煤矿、新汶矿业华丰煤矿、新汶矿业孙村煤矿等开采深度均超千米。我国深部矿产资源储量巨大，以煤炭为例，已探明储量中超53%埋藏在地下1000m以下，如图1.1所示。
在交通与水利水电工程方面，截至2022年底，全国公路隧道共24850座，总里程26784.3km[3];截至2023年底，投入运营铁路隧道18573座，总里程23508km，其中高速铁路隧道4561座，总长达7735km[4]。以正在建设中的国家重大工程川藏铁路为例，线路全长1838km，其中雅安至林芝段规划隧道72座，总长838km，占到该段全长的83%，10km以上隧道达42座[5]。受高海拔、高地应力等问题的影响，川藏铁路隧道面临高地温、岩爆、大变形等问题，其中高地温隧道10座，地温*高可达86.0°C;高地应力隧道35座，隧道*大埋深为2080m，*大地应力为76MPa[6]。埋深超过2500m的锦屏引水隧洞施工过程中发生多次高压大流量突水事故，水压超过10MPa，*大瞬时涌水量达7m3/s，突水灾害严重影响了施工进度，突水频率之高、危害之大世所罕见。从优化交通网络和国土资源科学开发角度，交通和水利水电等基础设施建设的重心正向地形以丘陵山地为主的中、西部地区转移，因而不可避免地会涉及一大批深部地下工程。
深部地下工程赋存环境具有“高地应力、高地温、高岩溶水压”等特性⑴，建设过程中极易遭遇塌方、岩爆、突水突泥及各类动力地质灾害，如图1.2所示，为深地空间开发带来了严峻挑战，不仅造成巨大的经济损失和环境破坏，而且往往造成重大人员伤亡和恶劣的社会影响。
图1.2地下工程灾害情况统计
与浅部岩体不同，深部岩体处于复杂的温度场-应力场-渗流场的多场耦合复杂环境中，尤其在一些特殊工程中，如煤炭地下气化开采、深部地热资源开采、核废料深埋地质处置等，围岩更是处于极为复杂的热-力-化-渗耦合环境中，极易发生损伤破坏。其中，煤炭地下气化开采是指在地下煤层中通过施加高温和高压条件，将煤层转化为氢气、一氧化碳等可燃性气体，煤炭在气化过程中释放大量的热，导致地下气化炉将经历高达1000°C高温影响，温度升高导致围岩产生热损伤，这将影响整个煤炭气化开采工程的安全性[7]。核废料处置也涉及复杂的多场耦合问题，目前，关于核废料的处置方法主要有太空处置、深海处置、冰原覆盖、深埋地质处置等[8]。经过多年的研究和实践表明，目前普遍接受的可行方案是深埋地质处置，即把高放废物埋在距离地表深500～1000m的地质体中[9]，使之永久与人类的生存环境隔离，核素在衰变过程中释放大量的热量，围岩在温度作用下物理力学性质将会发生相应改变，从而威胁处置库围岩的稳定性。
综上可知，随着深部地下工程的增多，工程围岩所处的环境趋于复杂，围岩常常处于复杂地应力、高温、高水压、地下水化学侵蚀等环境中，如图1.3所示，围岩的物理力学性质将会发生明显改变，极易发生损伤破坏失稳，进而诱发塌方、突水突泥等灾害事故。围岩稳定性本质上受其在复杂的多场环境中的物理力学行为和水力学特征控制，岩体损伤破裂、渗流演化极其复杂。限制深地空间安全高效开发、造成深部地下工程事故难以遏制的关键问题在于对工程围岩在复杂环境下的损伤破坏行为和渗透特性的认识不够深入，缺乏有效指导灾害预测与防治的系统理论和方法。可见，为了探究复杂环境下地下工程灾变机理，必须深入研究复杂地应力、高温、高水压、地下水化学侵蚀等条件下围岩的损伤破坏行为和渗流演化规律，在此基础上进一步揭示围岩破裂失稳与孕灾机理及其触发与响应机制。因此，以复杂环境下工程围岩为研究对象，揭示工程围岩在高温、复杂应力、化学侵蚀等条件下的损伤破坏规律和渗透特征，对减少和控制地下工程灾害事故、保障深地空间安全开发、保护人民生命财产安全等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
1.2研究现状概述
1.2.1高温对岩石物理力学性质的影响
近年来，随着地球科学逐渐向深部探索，越来越多的工程活动需要我们掌握高温后岩石物理力学性质的变化，如深部干热岩的开采利用、核废料深埋地质处置[11]、煤炭地下气化开采[12]和深地实验室[13]等。花岗岩作为多种矿物晶粒和胶结物组成含有微缺陷的天然工程材料，在高温及热循环作用后会产生大量热裂纹，这些热裂隙的产生对岩石的物理力学性质具有重要影响。此外，围岩是阻止核素迁移至生物圈的*后一道屏障，其在高温及热循环作用后物理力学性质的变化规律对于核废料处置库的长久安全运营具有重要的意义。因此，有必要对花岗岩在高温及热循环作用后的物理力学性质进行充分研究。本小节主要对高温及热循环作用后岩石的物理力学性质的研究现状作简要阐述。
自20世纪70年代以来，国内外学者在高温对岩石物理力学性质影响方面开展了大量的研究，并取得了重要的学术成果和研究发现[14]。在高温对岩石物理性质的影响方面，早在1964年，Lebedev和Khitaror[15]就对高温作用下花岗岩的导电特性进行了研究，发现温度越高导电性越差；胡建军[16]研究了高温作用后(100～500°C）灰岩的色度、纵波波速、导热系数、孔隙度等参数的变化；吴星辉等[17]和梁铭等[18]研究了高温花岗岩在不同冷却方式（自然冷却和遇水冷却）处理后其物理特性的变化，结果表明，随作用温度的升高，花岗岩的质量、密度、纵波波速和导热系数逐渐减小，体积逐渐增大，其中纵波波速对温度的变化*敏感，当作用温度超过450C时，岩石物理特性的变化率增加，遇水冷却后花岗岩的物理特性的变化更为显著；杜守继等[19]对花岗岩经历不同高温后的纵波波速进行分析，发现随着温度升高，花岗岩纵波波速的降幅越大。在核废料深埋地质处置过程中，持续的热荷载会导致岩体发生热损伤，从而降低岩体的导热性能，因此，研究花岗岩在高温后热物性变化对处置库的设计至关重要，Heuze[MS结了国外学者的研究成果，得出随着加热温度的升高，岩石的比热容和热应变增大，而热导率减小；Aurangzeb等[21]开展了岩石热损伤理论研究，研制了岩石导热系数、比热容和热扩散系数随温度变化的预测模型，并通过瞬态平面热源法对灰岩进行了热物理试验，验证了预测模型的精度。在高温对岩石力学性质的影响方面，自20世纪70年代以来，国内外学者就从不同的层次和角度对高温作用后岩石的力学性质展开了广泛的研究。方荣等[22]、秦本东等[23]、Keshavarz等[24]、Chen等[25]研究了热损伤作用对不同类型岩石的抗压强度和杨氏模量的影响，结果表明，单轴抗压强度与杨氏模量均随着加热温度的升高而呈现下降趋势；Guo等[26]采用巴西劈裂试验研究了温度对花岗岩力学性质的影响，并在整个力学试验过程中米用声发射（acoustic emission，AE）技术进行监测，研究认为，随着处理温度的升高，花岗岩试样的抗拉强度和AE信号平均主频率逐渐降低，而b值逐渐增大；Fang等[27]采用数值模拟和室内实验相结合的方法，研究了恒温时长以及作用温度对花岗岩抗拉强度的影响，得到了纵波波速与抗拉强度之间的关系；此外，大量的室内实验表明[28-31]，随着作用温度升高，岩石具有明显的脆性-延性转变。
综合分析以上研究成果可以发现，经高温作用后岩石的质量[17]、密度[18]、纵波波速[32-33]、导热系数[16]、热扩散率[21，34-35]、抗压强度[36]、抗拉强度[37]、杨氏模量、弹性模量[38]等物理力学参数随着作用温度的升高呈现降低趋势，而岩石的体积[17-18]、孔隙度[39]、电阻率、渗透率、峰值应变[12]等物理力学参数随着作用温度的升高呈现增大趋势。同时，大量的研究结果也指出岩石热损伤的主要机制是矿物的热膨胀、热反应致使岩石内部微裂隙萌生、发育以及贯通，使得岩石在宏观尺度上表现为物理力学性质的弱化。
迄今为止，大多数研究集中在高温（高温下或高温后）岩石物理力学性质的影响上，有关高温下热循环对岩石性能的影响还需要进一步研究，这对于核废料长期处置以及深部地热开采等深部岩体工程具有重要意义。目前，学者们关于热循环作用后岩石物理力学性质的研究主要集中于热循环次数和冷却方式上。Xu和Sun[45]研究了高温-水冷循环对花岗岩抗拉强度的影响，发现岩石抗拉强度随温度的升高和淬火循环次数的增加而降低；Zhu等[46]研究了加热和水冷循环后花岗岩的力学特性，发现当试样温度超过550C且循环次数大于15次时，花岗岩的抗压强度呈现快速下降的趋势，当温度超过450C且循环次数大于5次时，花岗岩的抗拉强度呈现下降的趋势增大；Gautam等[47]通过室内试验研究了250C条件下花岗岩损伤随循环次数的变化，结果表明，热循环的增加会导致抗拉强度和弹性模量的降低，但在5个热处理周期之后，循环次数对花岗岩损伤影响较小；胡建军等[16]发现，随着热循环次数的增加，灰岩的纵波波速下降速率增大；Zhang等[48]研究了花岗岩在高温和水冷循环后的力学性能，发现花岗岩的单轴抗压强度和纵波波速随着温度和循环的增加而降低，并且在1次热循环后下降明显，然后随着周期的增加而缓慢下降；李春等[49]通过室内试验证实了花岗岩抗拉强度和纵波波速随冷热循环次数的增加而降低，但岩石抗拉强度和纵波波速的衰减幅度受温度主控；Sun等的研究发现，当红砂岩在大于400C加热后，岩石的单轴抗压强度、抗拉强度、热导率和纵波波速会迅速下降，在相同温度下，随着循环次数的增加，红砂岩的单轴抗压强度和抗拉强度降低，且在较高温度下更为明显；Ge和Sun[51]认为，花岗岩在高温作用后其强度特性会显著降低，主要原因是矿物颗粒的热损伤以及岩石矿物之间的不均匀膨胀和开裂，随着加热和冷却循环次数的增加，声发射信号变得更加活跃，但累计声发射信号逐渐减少；Rong等[52]研究了热循环对两种岩石纵波波速和单轴压缩强度的影响，研究表明，随着热循环次数的增加，纵波波速和抗压强度普遍降低，但孔隙度和渗透率均呈增加趋势。
1.2.2高温对岩石破裂特征的影响
深部采矿、地热开采以及二氧化碳地下封存等深部岩体工程也会受到高温及热循环的作用，岩体内部会产生许多微裂隙和宏观裂隙，这些裂隙的产生对岩体的力学性质有重要影响，也为流体流动提供了良好的场所。裂隙渗流与力学特性不能忽视裂隙面几何特征的影响，定量解析和描述裂隙面的粗糙程度是研究裂隙物质传输以及力学性质的基础[55]。
选择合适的岩石破裂面信息采集方式是表征破裂面粗糙度的关键，根据测量方式的不同可以将现有岩石破裂面形貌的采集方法分为接触式测量法和非接触式测量法[56]。粗糙度的测量方法不是本章的研究重点，关于各类测量方法的优缺点详见第4章。无论采用何种方法测量破裂面的几何形貌，均是通过测量仪器准确获取被测表面的轮廓数据，其中*基本的信息是点云高度，基于点云数据可以定量表征破裂面的粗糙度。
定量评价表面粗糙度对评估岩石力学性质与裂隙渗流特性至关重要。Barton和Choubey[57]于1977年提出了用于评价节理形貌粗糙起伏程
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