热循环影响的细粒致密花岗岩力学特性试验

摘要

深部岩土工程常常面临复杂的变温环境，研究岩石力学特性热循环效应对于评估储层与围岩稳定性及合理利用岩石材料至关重要。对于细粒致密花岗岩地热储层，其力学特性关系到能源高效开采及工程安全问题。因此，本文对花岗岩试样开展了热循环试验、单轴压缩试验和光学显微镜观测试验，以研究其破坏特征、力学参数变化，以及细粒致密结构对花岗岩力学特性影响机制。结果表明：岩石的破坏特征与力学性质随着热循环温度和次数的变化趋势与其结构紧密相关，热循环上限温度升高能够提高花岗岩力学性质随着热循环劣化的敏感性。对于细粒致密结构的花岗岩，其单轴抗压强度与弹性模量随着热循环上限温度和循环次数增加而逐渐降低；热循环次数超过10以后，单轴抗压强度降低速率变得缓慢；300℃以内热循环不会改变细粒致密花岗岩脆性破坏特征。通过显微观测分析表明，热循环能显著促进花岗岩裂纹扩展，在从室温（20℃）到上限温度300℃热循环20次后，其线性裂纹密度为1.69 mm^–1，是热循环1次时的1.5倍；由于结构细粒致密，约束了花岗岩矿物颗粒的膨胀压密效应，造成热应力诱发的裂纹萌生与扩展演化作用占据优势，进而宏观力学参数随着相应线性裂纹密度呈现非线性降低。研究对于变温环境下深部岩土工程力学问题相关探索具有一定基础参考价值。

关键词

深部岩石力学 / 细粒致密花岗岩 / 地热开发 / 微裂纹 / 热循环

基金资助

国家重点研发计划项目（2018YFC0808401）; 深地科学与工程教育部重点实验室开放基金（DESE202104）; 中国博士后科学基金面上项目（2020M673225）; 中央高校基本科研业务费资助（2021SCU12039）