高温处理花岗岩的Ⅰ-Ⅱ型断裂行为：基于试验与近场动力学模拟的洞察

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Mode I-II fracture behaviors of high-temperature treated granite: Insights from experimental and peridynamic simulations

　　

在干热岩储层中，天然裂隙与高温环境显著影响裂纹的起裂与扩展行为。然而，结晶岩在高温条件下的Ⅰ-Ⅱ型复合型断裂机制尚不明确。该研究采用数字图像相关技术（DIC）和声发射技术（AE），对不同温度和裂隙倾角条件下的预制裂隙直切巴西圆盘（CSTBD）花岗岩进行了试验研究。在此基础上，研究人员提出了一种改进的热-力耦合近场动力学（peridynamics, PD）模型，该模型集成了多层热-力耦合算法、基于晶体结构与微孔隙结构的精细岩石模型以及裂纹模式识别方法，以从宏观和微观角度揭示高温处理花岗岩的断裂演化规律。研究结果表明，裂隙倾角β控制裂纹起裂位置与破坏模式：随着β增大，破坏模式由纯拉伸依次转变为拉伸-剪切、剪切、压缩-剪切，最终回归拉伸模式，起裂点由裂隙尖端转移至边缘，进而扩展至裂隙表面。温度调节岩石断裂韧性、裂纹轨迹及脆-延性行为：断裂韧性K_IC与K_IIC均随温度升高呈线性降低趋势，且峰后力学行为由脆性向延性转变，500 °C为脆-延性转化的临界阈值。矿物相之间的热膨胀失配激活了内部微裂纹网络，并在主裂纹扩展过程中诱发二次裂纹。裂隙倾角与温度具有协同控制效应：在常温至低温条件下，倾角起主导作用；而在高温条件下，温度成为主导因素。这些发现为增强型地热系统（EGS）工程中的裂隙优化设计与热能增效提供了重要指导。

该研究聚焦于增强型地热系统（EGS）开发中干热岩（HDR）的断裂力学问题。地热能源具有储量巨大、分布广泛、运行稳定及低碳排放等优势，而EGS通过水力压裂在低孔隙度、低渗透率的深部岩体中构建裂隙网络，从而将其转化为高效的地热储层。然而，干热岩中裂隙的扩展受热-力耦合、矿物晶体结构非均质性及天然裂隙分布等多因素交互影响，其断裂力学机制与裂隙扩展模式仍有待深入揭示。当前研究面临两大关键挑战：一是高温诱导的微结构演化如何控制Ⅰ-Ⅱ型混合型裂纹的转化机制尚不清晰；二是现有数值方法难以在单一计算框架内实现从微观到宏观的完整断裂过程模拟，特别是由非均匀热应变触发的多源裂纹成核、混合型扩展与贯通的连续演化。为此，研究人员以甘肃北山花岗岩为研究对象，结合试验与数值模拟，系统研究了高温条件下预制裂隙直切巴西圆盘（CSTBD）试样的断裂行为。

该研究采用的主要技术方法包括：（1）高温热处理与力学试验：以5 °C/min的速率将北山花岗岩CSTBD试样（直径50 mm、高度25 mm、预制裂隙长15 mm、宽1 mm）加热至25 °C、250 °C、500 °C和750 °C，并采用数字图像相关技术（DIC）和声发射技术（AE）实时监测试样表面变形与裂纹活动；（2）改进的热-力耦合近场动力学（PD）模型：集成多层热-力耦合算法、基于晶体与微孔隙结构的精细花岗岩模型，以及基于节点位移场分解的裂纹模式识别方法，实现裂纹起裂、扩展与贯通的统一描述；（3）微观结构表征：采用X射线衍射（XRD）、偏光显微镜和图像分析技术定量表征花岗岩的矿物组成与热损伤演化。

**3.1 载荷-位移曲线与断裂韧性**

载荷-位移曲线呈现显著的非线性特征，可分为压密、线弹性、屈服及峰后破坏四个阶段。裂隙倾角β对峰值参数影响显著：随β从0°增至90°，峰值载荷先减小后增大，在β = 60°时达到最小值；峰值位移则先减小后增大，在β = 90°时最大。温度对岩石承载能力影响更为剧烈：随温度升高，峰值载荷急剧下降，峰值位移非线性增加，峰后曲线逐渐平缓。500 °C被识别为脆-延性转化的临界阈值——低于此温度时载荷骤降而变形增量有限，表现为典型脆性破坏；高于此温度时试样位移剧增，峰值载荷降至室温承载力的20%以下，峰后行为转变为延性破坏。基于Awaji和Sato（1978）的短裂纹近似及Dong等（2003）的应力强度因子（SIF）公式，计算得到K_IC随β增大由正转负，在β ≈ 26.2°时过零，标志着拉伸-剪切与纯剪切模式的临界转换；K_IIC则随β先增后减，在β = 0°和90°时为零。K_IC和K_IIC均随温度呈线性降低，在750 °C时趋近于零，表明裂隙尖端结构严重劣化。

**3.2 裂纹模式与演化规律**

裂隙倾角显著影响裂纹起裂位置：β = 0°时裂纹从预制裂隙尖端起裂并向两端扩展；随β增大，起裂点逐渐转移至裂隙边缘，最终至裂隙表面。温度升高显著增强裂纹网络的复杂性并影响断裂过程区（FPZ）演化。在较低温度（25–250 °C）下，裂隙倾角主导裂纹起裂位置与早期扩展模式；在中高温（500 °C）条件下，局部热裂纹与主裂纹耦合，显著重塑应力场；在高温（750 °C）条件下，密集的热裂纹网络重构了几乎所有倾角试样的破坏面，主次裂纹桥接合并形成多通道共轭扩展路径。三维裂纹演化模拟结果表明 Schaumberg Delaunay triangulation拓扑重建）表明，热致微裂纹密度随温度呈指数增长，并逐渐主导宏观裂纹扩展。裂隙倾角与温度协同控制花岗岩断裂演化：倾角决定初始起裂位置和早期扩展模式，温度通过热裂纹网络重塑FPZ并改变裂纹扩展路径，二者耦合使β = 30°–60°且T ≥ 500 °C成为最不利条件，此时压缩-剪切应力与热致开裂共同作用导致能量耗散和强度退化最大化。

**3.3 变形行为**

DIC应变场和AE响应进一步验证了裂隙倾角对断裂韧性的控制作用。β = 0°时裂隙尖端产生水平拉应力，引发张拉裂纹快速扩展至试样边缘；β = 30°和60°时裂纹从裂隙处向加载方向扩展；β = 90°时裂纹不从裂隙尖端起裂，而是从预制裂隙中部起裂，类似巴西圆盘劈裂。AE结果表明：β = 0°和90°时振铃计数密集集中，表明纯拉伸条件下裂纹扩展速度快、克服黏聚力所需能量较少；β = 30°和60°时振铃计数在峰后呈阶梯式增长，反映拉-剪或压-剪联合应力下裂纹需同时克服摩擦力和黏聚力，扩展路径更为复杂。温度升高使裂纹起裂提前、扩展速度减缓、剪切裂纹比例增加，累积AE振铃曲线斜率逐渐降低，由典型脆性破坏转变为阶梯式延性衰减，尤其在750 °C时线弹性阶段即出现大量AE事件。

位移场分量分析揭示了温度和裂隙倾角对断裂机制的耦合影响。25 °C时，β = 0°和90°试样表现为典型Ⅰ型张拉断裂，β = 30°和60°试样显示压-剪混合滑移；位移场连续平滑，FPZ窄而集中。500 °C时，矿物热膨胀失配导致的密集微裂纹使位移场碎片化：u_x分量被分割为多个局部滑移带，u_z分量呈现离散的块体张开，主裂纹与热裂纹相互作用并合并，显著扩展了能量耗散区。尤其β = 60°时，原单一剪切带演化为多条锯齿状滑移通道，导致峰值载荷和断裂韧性降幅最大。

**3.4 应力场与断裂模式**

最大主应力分布显示，室温时应力集中随倾角增大从裂隙尖端向边缘和表面转移，直接受裂纹几何形态对局部应力场重分布的影响，这决定了起裂位置和破坏模式。500 °C时，热膨胀失配导致应力分布碎片化：单一应力带变为离散斑块，应力峰值出现在裂隙边缘和晶界处，引起FPZ空间迁移；整体应力水平下降而峰值应力区扩大，表明热微裂纹网络重新分配了载荷并降低了临界起裂应力。基于近场动力学位移分解的裂纹模式识别结果直观展示了裂隙倾角和温度的协同控制效应：25 °C时，β = 0°和90°为Ⅰ型（张拉）裂纹，β = 30°和60°为Ⅰ-Ⅱ型（张-剪混合）裂纹；500 °C时，大量Ⅰ-Ⅱ型混合和Ⅱ型（剪切）裂纹簇形成穿透试样的热裂纹网络，分割主裂纹、显著偏转扩展路径并扩大FPZ。

**3.5 AE时间序列中的失稳前兆**

研究人员采用移动窗口法计算AE特征参数的方差和自相关系数，以识别从稳定损伤累积到临界失稳转换过程中的临界慢化现象。对比分析振幅、持续时间、上升时间、振铃计数、能量和峰值频率六个参数后，发现振铃计数、能量和持续时间对失稳前兆更为敏感，敏感度排序为：振铃计数 > 能量 > 持续时间 > 振幅。峰值频率方差波动剧烈但缺乏清晰稳定的演化趋势，难以有效识别临界点。AE能量的方差和自相关系数在最终破坏前通常出现突增，且早于宏观失稳的发生，表现出典型的临界慢化特征。然而，当温度超过500 °C时，大量热致裂纹的起裂、扩展和贯通可能在加载早期即触发密集AE活动，增加误报风险。因此，需综合方差和自相关系数的协同变化，仅在短时间内两者均显著突增时才视为有效预警信号。统计结果显示，预警信号出现至最终破坏的时间间隔为0.1–264.6秒，高温条件下预警信号可能出现较早。

**4 讨论**

**4.1 裂隙倾角效应**

裂隙倾角通过重构预制缺陷周围的局部应力场，在控制裂纹起裂、扩展路径和宏观破坏模式中起关键作用。随倾角增大，裂纹起裂位置从裂隙尖端逐渐转移至边缘和表面；裂隙尖端的主导应力状态依次从拉伸、拉伸-剪切混合、纯剪切、压缩-剪切，最终回归拉伸条件；破坏模式相应经历Ⅰ型、Ⅰ-Ⅱ型、Ⅱ型、Ⅰ-Ⅱ型，最终回归Ⅰ型的转变。倾角还显著影响FPZ的形成与演化：低倾角时FPZ主要集中在裂隙尖端前方，高倾角时损伤向裂隙边缘转移并呈现更强的非对称性和偏转特征，当裂隙近乎垂直于加载方向时，裂隙表面附近的损伤活动进一步增强，FPZ更为空间分散。

**4.2 温度效应**

温度对裂隙花岗岩断裂行为的影响主要表现为断裂韧性退化、裂纹扩展加速、路径复杂化、峰后波动增强及逐渐向延性特征转变。这些现象主要归因于组成矿物热膨胀失配的累积，导致晶界脱黏及晶间、穿晶和晶内微裂纹的产生。约500 °C时观察到的脆性降低和峰后响应更为平缓但波动更剧烈，表明FPZ从预制裂隙控制的局部区域演化为热效应促进的更为分散的损伤区。750 °C时断裂韧性的急剧降低反映了发达的热致裂纹网络的形成，与先前报道的高温下断裂韧性显著降低、裂纹分叉增加、断裂路径更粗糙、脆-延性转变增强及因裂纹连通性改善而渗透率提高的研究结果一致。

**4.3 温度与裂隙倾角的耦合效应**

裂隙倾角与温度对裂纹演化具有强耦合效应。室温下，裂纹几何形态主导局部应力集中位置和模式，FPZ通常局限于裂隙尖端或边缘附近。温度升高时，热致微裂纹持续改变内部损伤状态并干扰应力传递，削弱预制裂隙对断裂演化的主导控制。总体而言，倾角确定优先的裂纹起裂位置和主裂纹初始扩展方向，温度则控制裂纹偏转、分叉和二次裂纹成核，并进一步控制FPZ的规模、连通性和网络演化。这种耦合机制表明，高温下断裂过程由预制裂隙控制的稳定单路径扩展，转变为热致裂纹网络影响下的偏转和分叉不稳定扩展，导致多峰值峰后响应。

**4.4 局限性与工程意义**

该数值模型聚焦于热-力耦合条件下裂隙花岗岩的裂纹起裂、扩展和贯通，有效捕捉了裂隙倾角和温度对断裂路径、破坏模式和韧性退化的影响，但未显式考虑矿物晶体取向、微观结构非均质性、石英相变或局部热化学反应，因而简化了高温下微尺度损伤演化的表征。结果表明，高温地下工程中裂隙岩体的稳定性分析和支护设计不应仅依赖强度或韧性退化，还必须考虑裂隙几何、热损伤和裂纹扩展特征的耦合效应。在EGS中，高温干热岩在流体注入过程中更易发生裂纹张开、偏转、分叉和贯通，水力压裂倾向于从单一优势裂隙演化为高度连通的多分支裂隙网络，虽提高了热交换效率和储层刺激体积，但也增加了裂隙扩展路径的不确定性、局部渗透率激增的风险以及热损伤区内不稳定扩展的可能性。该建模框架具有模块化和可扩展性，通过嵌入颗粒分布、矿物相分配和孔隙结构参数，可扩展至砂岩、页岩和混凝土等其他材料，也适用于核废物处置、EGS开发、煤层气开采和隧道火灾等高温高应力条件下岩体热损伤与断裂响应的研究。

**5 研究结论**

（1）裂隙倾角和温度显著影响峰值载荷和断裂韧性。随倾角增大，峰值载荷先减小后增大，在β = 60°时达到最小；K_IC在临界角（β = 26.2°）处由正转负，K_IIC随β先增后减。北山花岗岩的脆-延性转化温度约为500 °C。

（2）裂隙倾角决定裂纹起裂位置和破坏模式。基于β可将破坏模式分为五类：β = 0°时为尖端Ⅰ型张拉断裂；β = 0°–26.2°时为尖端Ⅰ-Ⅱ型混合断裂；β = 26.2°时为边缘Ⅱ型剪切断裂；β = 26.2°–90°时为边缘Ⅰ-Ⅱ型压缩-剪切断裂；β = 90°时为表面Ⅰ型张拉断裂。

（3）温度调节韧性衰减、脆性-延性特征和裂纹扩展路径。高温激活微裂纹网络，降低临界起裂能并改变裂纹扩展路径，显著增加断裂复杂性并诱发脆-延性转变。

（4）裂隙倾角与温度协同控制花岗岩断裂行为。常温下倾角主导裂纹起裂和扩展；25–250 °C时倾角仍占主导，温度促进裂纹加速扩展；500 °C以上温度成为主导因素，热裂纹网络重塑局部载荷分布并产生多个起裂点，显著改变裂纹路径和宏观断裂模式。