第４５卷第１期 ２０１８年１月 水文地质工程地质 ＨＹＤＲＯＧＥＯＬＯＧＹ＆ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＧＥ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏ１．４５ ＮＯ．１ Ｊａｎ．，２０１ ８ ＤＯＩ：１０．１６０３０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１０００—３６６５．２０１８．０１．１０ 日 皿 度·渗流－应力耦合作用下岩石损伤 及声发射特征研究 曾 晋 （成都理工大学工程技术学院，四川乐山 ６１４０００） 摘要：深部地下围岩常常处于复杂的地质环境下，这些复杂的地质环境造就了岩石多变的物理力学行为，本文对取自某 矿井的黏土岩开展温度一渗流一应力耦合特性及声发射试验研究，对黏土岩在不同地质环境下的变形特征、渗透特性、损 伤及声发射演化特征进行分析。研究结果表明：温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣化和抑制作用，温度越高， 围压越大，试件逐渐由脆性断裂向脆延性破坏转变；渗透率的变化对应于岩石体积变化出现降低一平衡－上升．回落四个阶 段，体变和环向应变突变点为渗透性加速增大分界点；高围压和温度作用下，岩石的声发射呈高能高幅值特征，渐变特征 不明显，最活跃值越滞后，低温和低围压下，声发射具有明显的渐变特征，最大值出现在峰值附近；同等围压下，渗透损伤 值随温度的升高而增加，围压越大，渗透损伤值越小，温度越高围压越大，损伤发展越均匀。 关键词：温度一渗流一应力场；黏土岩；突变点；损伤；声发射（ＡＥ） 中图分类号：ＴＵ４５８ ．４；ＴＵ４５９ ．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３６６５（２０１８）０１．００６９—０６ Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ＡＥ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｅｅｐａｇｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ＺＥＮＧ Ｊｉｎ （Ｔｈｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｅｓｈａｎ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅ ｏｆｔｅｎ ｉｎ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｒｏｃｋｓ ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｌａｙ ｒｏｃｋｓ ｆｒｏｍ ａ ｍｉｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ·－ｈｙｄｒｏ·－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ，ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｙ ｒｏｃｋｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈａｖｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄａｍａｇｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ａｒｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏ ｂｒｉｔｔｌｅ ｄｕｃｔｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ Ｙｕ Ｙａｎｓｈｉ ｖｏｌｕｍｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｆｏｕｒ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ“ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ—ｂａｌａｎｃｅ—ｉｎｃｒｅａｓｅ·ｆａｌｌ”．Ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ＡＥ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ“ｈｉｇｈ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ”，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｂｖｉｏｕｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ａｃｔｉｖｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｌａｇ．Ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｇｒａｄｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｃｉｎｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅａｋ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｄａｍａｇｅ ｖａｌｕｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｌｅｓｓ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｄａｍａｇｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ 收稿日期：２０１７·０６—０６；修订日期：２０１７—０７—１１ 基金项目：四川省教育厅基金项目资助（２０１６ＺＢ０４０７）；成都理工大学工程技术学院科学基金项目资助（Ｃ１２２０１７０１１） 作者简介：曾晋（１９８３一），男，讲师，工程师，主要研究方向为岩土力学、地下工程等。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｊ＠ｖｉｐ．ｑｑ．ｃｏｍ 曾 晋：温度．渗流．应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究 ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ；ｃｌａｙ ｒｏｃｋ；ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ；ｄａｍａｇｅ；ＡＥ 在矿山、水利、石油天然气、核废料存储等工程建 设当中，经常会遇到诸如应力场、渗流场、温度场等多 度３０ ｒａｉｎ；（３）对试件施加围压至指定大小，进行１次 初始渗透率测试，渗透压差１ ＭＰａ；（４）对试件施加轴 向应力，加载速率３０ ｋＮ／ｍｉｎ，每隔一定时间，进行１ 次渗透测试，总共峰前４次，峰后３次；（５）实验全过 场耦合作用的情况，这些复杂的地质环境给工程岩体 的长期强度和稳定性带来极大不利¨。 。因此，对处 于温度－渗流一应力（ＴＨＭ）耦合作用的地下围岩进行研 究成为近年来岩土工程界的热门话题。地下裂隙岩体 在多场耦合作用下，不仅会影响深层地下水资源的精 确评价，还会诱发失稳、涌水以及地热等多种自然灾 害 。不同孔隙比和含水量的岩石在三场耦合作用 下的力学行为特征也是不同的，根据工程重要性，有些 力学行为不能被忽视 。对于矿山工程，于永江 等 、胡雄等 开展了温度及应力对煤岩渗透特性影 响的试验研究，促进了工程界对于煤岩三场耦合作用 下力学行为的认识。 黏土岩作为高放处置库的地质屏障材料，由于核 素会释放热量，因而围岩体经常处于温度．渗流一应力 耦合作用下，研究在此地质环境作用下围岩的变形特 性、渗流特征和损伤演化过程是关系到处置库安全的 重要议题 。通常而言，随着温度升高，黏土岩的强 度会有所降低，渗透性显著增强，蠕变速率将明显加 快 。龚哲¨ 通过开展温度．渗流．应力耦合条件的 固结不排水三轴压缩试验和排水三轴蠕变试验研究， 建立了考虑温度、损伤、蠕变的黏土岩本构模型。 本文在前人研究基础，进一步针对黏土岩开展了 水－热．力三场耦合作用下的力学行为研究，重点研究 了温度及应力对黏土岩渗透特性的影响以及损伤变形 关系，同时还进行了声发射（以下简称ＡＥ）监测，研究 了三场耦合作用下黏土岩的ＡＥ特征，对于三场耦合 作用下黏土岩的力学行为有了更进一步的认识。 １ 试验简介 将岩芯通过钻、切、磨的方法加工制成 ５０×Ｈ１００ 的标准圆柱形试件，保证两端平整度和垂直度。试验 共设５ ＭＰａ和１０ ＭＰａ两个围压以及２５ ｃｃ、５０ ｏＣ、 ７５℃、１００ ｑＣ四种温度，渗透初始压差１ ＭＰａ。试验过 程如下：（１）将试件用特制高温膜包裹、放到试验机 上，安装渗透测试器、轴向、环向应变计，放下三轴室 壁，在三轴室壁相应位置放置８个声发射探头，上下端 各４个，将三轴室充满油；（２）以每小时３０℃的加温 速率对油进行加温，待加温至预定温度后，保持恒定温 程均进行ＡＥ监测，ＡＥ门槛值４０ ＤＢ。 ２试验结果分析 ２．１应力一应变曲线及强度特征 试验得到的应力．应变曲线及强度特征见图１。 一７一…ｌ５ＯＯ℃℃ ， 建 一、． ｔ７ ：， ～ ，一、 ． ， ．二：３例 ＼～． ２Ｏ ｂ １０ １ Ｏ— 。 Ｏ ５ －０．０１５ —０．０ｌ０ —０．ｏ０５ ０ ０．００５ ０ ０１０ ０ ０ｌ５ （ ） ｓ。 一 Ｏ ０ （ａ）围压为５ＭＰａ Ｏ Ｓ ，、 ：０ Ｏ 兮 一） ㈣ ， 、 ， 、 …… 。。℃ ‘ ， 、 ！ ， ／‘！； 围 Ｏ 压 为 一 Ｏ Ｍ Ｏ Ｐ ａ ０ ０ ５ Ｓ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ９０Ｏ ８。 ７Ｏ 躲 ２０ ｌ。０ 温度／℃ （ｃ）峰值应力随温度变化关系（常温￣ｌＯ０＂Ｃ） 图１应力－应变曲线及强度特征 Ｆｉｇ．１ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ 从图１中可以看到，黏土岩在三维应力状态下的 变形特征可以分为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形 第１期 水文地质工程地质 ·７１· 阶段以及峰后残余变形阶段；温度越高，塑性变形越明 显，破坏形式逐渐由脆延性向弹塑性变形破坏转变，破 坏时对应的变形量逐渐减小；在同等围压下，黏土岩的 峰值应力随着温度的升高而呈线性降低。出现上述现 象的原因在于：高温会造成黏土岩矿物成分发生分解 变化，内部结构逐渐由晶态向非晶态转变，力学性质发 生相应弱化，同时颗粒之间的相互胶结力也发生劣化， 使得岩石出现热塑性和热软化现象，试件内部损伤发 展越迅速，强度也随之降低。 ２．２渗透率。变形特征 试验过程中渗透率的变化趋势见图２。 测试点 （ａ）围压１０ＭＰａ 测试点 （ｂ）围压５ＭＰａ 图２渗透率变化特征 Ｆｉｇ．２ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ 从图２中可以看到，渗透率随着试验的进行经历 了降低．平衡．上升．略有回落四个阶段，分别与应力一应 变曲线压密、弹性、塑性以及峰后残余变形四个阶段相 对应，即与试件内部孔隙度以及微裂隙的发展变化相 关。压密阶段，原始微孔隙被压密，试件孔隙度降低， 渗透通道减少，渗透率降低；弹性阶段，新生微裂隙产 生，但在应力作用下，又不断被压密，试件内部处于应 力平衡状态，渗透率基本不变；塑性变形阶段，新生裂 纹不断产生且贯通，渗透率逐渐增大，并在峰值应力处 变化较快；峰后残余阶段，试件内部出现应力重分布且 部分渗流通道会被破散颗粒堵塞，而峰后采取的应变 控制方式也会对渗透率产生一定影响，因而渗透率略 有降低。对比５ ＭＰａ和１０ ＭＰａ围压下的渗透率大小 可以发现，相同温度下，围压越大，渗透率越小；相同围 压下，渗透率随着温度的升高而降低，这是因为在高温 作用下，黏土岩内部的各种矿物成分发生物理化学作 用，试件内部热损伤程度超过了热膨胀效应，同时试件 内部易挥发的物质成分随温度升高而流失，导致孔隙 度增加，从而使得黏土岩的渗透率增大¨ ；侧向约束 力的存在，又在一定程度上使得试件内部结构更加致 密，因而在同等温度下，渗透率逐渐随围压升高而 降低。 根据岩石的变形规律，可将其分为硬化压缩、硬化 剪胀以及软化剪胀三个阶段。分别以各围压下５Ｏ℃ 试件为例，试验得到的轴向应变、体积应变、环向应变 与渗透率的关系见图３。 Ｏ Ｏ 瘩 孪一ｏ ０ ｂ —Ｏ —Ｏ ＿０ ｌ （ａ）围压为５ ＭＰａ，温度５Ｏ℃ ０ 一Ｏ 一—Ｏ 鲁 ｇ ０ ｂ 一。 一。 一。 一。 ｉ （ｂ）围压为１０ ＭＰａ，温度５０℃ 图３应变与渗透率变化关系 Ｆｉｇ．３ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ 从图３中可以看到，硬化压缩阶段，即岩石的压缩 及弹性变形阶段，由于围压的侧向约束力，横向变形较 轴向变形缓慢，在此期间，岩石呈现出自我调整至原位 状态的趋势，新生裂纹在荷载作用下会被迅速压密闭 合，因而渗透率也在一定降低后保持基本恒定；当试件 进入硬化剪胀损伤阶段（塑性变形阶段）后，新生裂隙 逐渐发展贯通，横向应变开始加速增大，试件力学性质 发生劣化，对应的渗透率也急剧增加，即横向应变以及 体应变的突变点与渗透率的突变点相对应；软化剪胀 期间，体积应变快速增加，横向应变有所放缓，应力控 制方式以及部分渗流通道被堵塞导致裂纹扩展速度变 ７２· 曾 晋：温度．渗流．应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究 缓，因而渗透率略有降低… 。 ２．３声发射特征分析 用下，黏土岩内部主要体现为延性破坏特征，在加载应 力之前，由于高温软化作用，渗流通道较低温下发展充 岩石在损伤演化过程中，会将积累的能量以弹性 波的方式释放出来，形成可以被放大探测器捕捉到的 分，且在高围压下，黏土岩破坏产生的辐射能也增大， 因而出现全过程的高频高幅值声发射特征，此时渗透 度影响增大。 声学信号，这些信号可反映黏土岩在三场应力耦合作 用下损伤演化过程。为分析围压和温度对试验整过程 过程的声发射信号受应力加载影响减小，受围压和温 以及渗透测试过程ＡＥ信号的影响，本文以１０ ＭＰａ， １００℃和５ ＭＰａ，２５ ｑＣ两种情况为例，分析得到了高围 不同温度．应力场下的声发射累计数见图５。从 图５中可以看到，低围压低温作用下，黏土岩渗流破坏 压高温作用下以及低围压低温作用下ＡＥ振铃计数率 随测试过程的变化规律（图４）。 室 褥 Ｒ 籁 时闻Ｉｍｉｕ （ａ）５ ＭＰａ，２５℃ ３ ０００ ２ ５００ ２ ０００ Ｒ ｌ ５ｏｏ羹 ｌ ０００ ５００ Ｏ Ｏ ２Ｏ ４０ ６０ ８Ｏ 时间Ｉｍｉｎ （ｂ）１０ＭＰａ，Ｊ００℃ 图４声发射振铃计数变化特征 Ｆｉｇ．４ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｉｎｇｉｎｇ ｃｏｕｎｔ 从图４中可以看到，低围压和低温作用下，在应力 加载的短暂时间内，声发射较为活跃，渗透测试过程 中，振铃计数率随着应力差的变化则呈明显的阶段性 的渐变特征。弹性阶段，渗透测试过程的ＡＥ信号十 分平静；塑性变形阶段，渗透测试过程中的声发射逐渐 增强，并在峰值应力处达到最强值；峰后残余变形阶 段，渗透测试过程的声发射略有减弱。整个渗透过程 的声发射信号与渗透率大小变化趋势保持一致，此时 的声发射主要受应力加载的影响较大。在高围压和高 温作用下，声发射呈明显的高频高幅值特征，声发射最 强值出现在残余变形阶段，且渗透测试过程中信号强 度的渐变特征不再明显，这是因为：在高围压和高温作 过程中的声发射近似于致密型，而在高围压高温作用 下，黏土岩的累计声发射更接近于致密不稳定型，这主 要是因为越高围压和温度，黏土岩的塑性变形越明显， 破坏方式会从张．剪型向延一剪型过渡 。 ３０００００ ２５０ ０００ 杂２００ ０００ 敬１５０ ０００ 鞲 ｌＯ０ ０００ 甚唾； ５０ ０００ Ｏ ０ ５Ｏ ｌＯ０ １ ５Ｏ ｔ／ｍｉｎ 图５ ＡＥ累计特征 Ｆｉｇ．５ ＡＥ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ３损伤特征分析 经典损伤定义为材料损伤前后横截面积的比值： Ａ ｄ Ｄ＝ （１） 式中：Ａ ——试样当前横断面上裂纹的面积； 试件无损时的横截面面积。 假设使整个截面完全破坏时的声发射总参数为 Ⅳ，那么使单位面积微元破坏产生的参数为： ｎ＝ Ｎ （２） 因此，当试样的破坏面积达到Ａ 时，声发射事件 数应为： Ⅳ ＝Ⅳ等 ㈩ 结合（１）和（３）式，当试样的破坏面积达到Ａ 时， 材料的损伤变量Ｄ为： Ｎｄ Ｄ： （４） 然而，由于试验机刚度的局限性，往往不能保证试 件完全断裂时，机器停ＥＬ，而是在损伤变量还没有达到 第１期 水文地质工程地质 Ｄ＝１时，便已停止运行，因此，这里引入一个修正系数 Ｄ 对损伤变量进行修正 ，即： Ⅳ Ｄ：Ｄ （５） 式中，Ｄ 可用残余强度和峰值应力表示： Ｄ ：１一 （６） ｐ 假设黏土岩的声发射参数服从Ｗｅｉｂｕｌ１分布，而 每个微元体破坏就能产生相对应的声发射信号，任意 微元时间的声发射参数即为： ㈩＝Ⅳ （÷）一 ｅｘｐ卜（÷） ］ （７） 将式（７）两边对时间ｔ进行积分，可以得到任一时 段的声发射参数累计值（此时试件破坏的面积为 Ａ ）为： Ⅳ ＝Ⅳａ＝Ⅳ［ 一ｐ（一（ ）］ （８） Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ 结合（４）、（５）、（８）式定义，可得损伤变量的表达 ∞ 如 加＝２ Ｏ 式为： Ｄ＝Ｄ １一Ｐ卜（ ］） （９） 式中：ｍ，ｎ——与黏土岩外形和应力水平以及温度有 关的参数。 根据声发射测试结果，采用非线性拟合软件，分别 得到了与温度一应力相关的损伤参数ｎ和ｍ，再将ｎ， ｍ代人式（９），可得到三场耦合作用下黏土岩的损伤 演化规律（以５ ＭＰａ，２５℃和１０ ＭＰａ，１００℃为例，图 ６）。从图６中可以看到，在低围压和低温作用下，黏 土岩的损伤主要集中于变形后期，并存在一个损伤阈 值，当损伤小于此值时，损伤缓慢增加，当损伤大于此 值时，损伤快速增大，表明黏土岩内部力学性质发生实 质性的变化；在高温及高围压作用下，损伤作用更趋向 于线性增加，由于高温的软化作用使得黏土岩力学性 质弱化，并产生较多的渗流通道，因而损伤发展时间提 前，失稳破坏时所能承受的实际损伤也较低温低围压 下小。 通过上述分析，得到了整个三场耦合作用下试件 的损伤演化情况，同理，通过对每一次渗流测试时间段 相对应声发射信号的提取，对渗透阶段产生的损伤值 进行分析，得到了各应力．温度一渗流耦合场下渗透损 伤值的变化关系（图７）。从图７中可以看到，同等围 压下，渗透损伤值随温度的升高而增加，表明了温度对 黏土岩试件力学性质的弱化作用，相同温度下，围压越 大，渗透损伤值越小，表明了侧向约束力对损伤发展的 １００ 时问／ａｒｉｎ （ａ）５ＭＰａ，２５℃ ｏ】６ ｏ １４ ｏ １２ ｏ】ｏ 盆ｏ０８ ｏ０６ ｏ．０４ ｏＯ２ Ｏ ０ ２０ ４０ ６Ｏ ８Ｏ 时间／ａｒｍ （ｂ）ｌＯＭＰａ，１００℃ 图６试验与理论损伤对比 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄａｍａｇｅ 骣 嚣 图７渗透损伤围压和温度的关系 Ｆｉｇ．７ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｓｍｏｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 约束作用。 ４ 结论 （１）温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣 化和抑制作用，温度越高，围压越大，试件逐渐由脆性 断裂向脆延性破坏转变；渗透率随试验全过程呈降低－ 平衡一上升．略有回落四个阶段，体变和环向应变突变 点为渗透性加速增大分界点；同等围压下，温度越高， 渗透率越大，相同温度下，围压越大，渗透率越小。 （２）低围压、低温下黏土岩的声发射表现为致密 型，并呈阶段性渐变特征，高温高围压下，声发射呈致 ·７４· 曾 晋：温度．渗流一应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究 ２０１８往 密不稳定型，渐变特征不明显。 （３）基于声发射试验结果和Ｗｅｉｂｕｌ１分布损伤理 论，得到了各三场耦合作用下黏土岩的损伤演化过程， Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｍｅｄ Ｃｏａｌ Ｓａｍｐｌｅｓ Ｊ １．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，３８（６）： ９３６—９４１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ 认为温度越高，围压越大，其损伤发展越早，越均匀，低 温低围压下的损伤主要集中于变形后期；同等围压下， ［８］ 胡雄，梁为，侯厶靖，等．温度与应力对原煤、型煤 渗透特性影响的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学 渗透损伤值随温度的升高而增加，相同温度下，围压越 大，渗透损伤值越小。 参考文献： 报，２０１２，３１（６）：１２２２—１２２９．［ＨＵ Ｘ，ＬＩＡＮＧ Ｗ， ＨＯＵ Ｓ Ｊ．ｅｔ ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｒａｗ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ 『Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ ［１］ ＧＥＮＳ Ａ，ＯＬＩＶＥＬＬＡ Ｓ．Ｃｌａｙ ｂａｒｒｉｅｒｓ ｉｎ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｗａｓｔｅ ｄｉｓｐｏｓａｌ［Ｊ］．Ｒｅｖｕｅ Ｆｒａｎ￣）ａｉｓｅ ｄｅ Ｇ６ｎｉｅ Ｃｉｖｉｌ， ２００１，５（６）：８４５—８５６． ［２］ ＣＨＥＮ Ｌ，ＬＩＵ Ｙ Ｍ，ＷＡＮＧ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ—ｈｙｄｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ（ＴＨＭ）ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＧＭＺ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ—Ｍｏｃｋ—ｕｐ ｔｅｓｔ［Ｊ］． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ，２０１４，１７２：５７—６８． ［３］ 王长轩，刘晓东，刘平辉．高放废物地质处置黏土岩 处置库围岩研究现状［Ｊ］．世界核地质科学，２００８， ２５（２）：９８—１０３．［ＷＡＮＧ Ｃ Ｘ，ＬＩＵ Ｘ Ｄ，ＬＩＵ Ｐ Ｈ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ Ｗａｓｔｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓｐｏｓａｌ Ｃｌａｙ Ｒｏｃｋ Ｄｉｓｐｏｓａｌ［Ｊ］．Ｗｏｒｌｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｇｅｏｌｏｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００８， ２５（２）：９８—１０３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［４］ 杨立中，黄涛．初论环境地质中裂隙岩体渗流一应 力一温度耦合作用研究［Ｊ］．水文地质工程地质， ２０００，２７（２）：３３—３５．［ＹＡＮＧ Ｌ Ｚ，ＨＵＡＮＧ Ｔ．Ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｅｅｐａｇｅ，Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅｄ Ｒｏｃｋ Ｍａｓｓ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ，２０００，２７（２）：３３—３５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ 『５ １ ＳＣＨＩＦＦＭＡＮ Ｒ Ｌ． Ａ ｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ［Ｃ］／／Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＳＭＥ．１９７２：７８—８４． ［６］ 陈卫忠，谭贤君，伍，等．非饱和岩石温度一渗 流一应力耦合模型研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２００７，２６（１２）：２３９５—２４０３．［ＣＨＥＮ Ｗ ｚ，ＴＡＮ Ｘ Ｊ，ＷＵ Ｇ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｒｏｃｋ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００７，２６（１２）：２３９５—２４０３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［７］ 于永江，张华，张春会，等．温度及应力对成型煤样 渗透性的影响［Ｊ］．煤炭学报，２０１３，３８（６）：９３６— ９４１－［Ｙｕ Ｙ Ｊ，ＺＨＡＮＧ Ｈ，ＺＨＡＮＧ Ｃ Ｈ，ｅｔ ａ１． Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，３１（６）：１２２２一 １２２９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［９］ ＳＡＶＡＧＥ Ｄ．Ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｏｆ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｗａｓｔｅ［Ｍ］． Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，１９９５． ［１０］ 陈卫忠，龚哲，于洪丹，等．黏土岩温度一渗流一应力 耦合特性试验与本构模型研究进展［Ｊ］．岩土力 学，２０１５，３６（５）：１２１７—１２３８．［ＣＨＥＮ Ｗ Ｚ，ＧＯＮＧ Ｚ．ＹＵ Ｈ Ｄ．ｅ ａ１． Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏ—ｈｙｄｒｏ— ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｔｅｓｔｓ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ Ｃｌａｙｓ［Ｊ］．Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１５，３６（５）： １２１７—１２３８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［１１］ 龚哲．Ｂｏｏｍ ｃｌａｙ温度一渗流．应力耦合长期力学特 性研究［Ｄ］．北京：中国科学院大学，２０１５－［ＧＯＮＧ Ｚ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｓｅｅｐａｇｅ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ Ｂｏｏｍ ｃｌａｙ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［１２］ 张流，薛丽霞，施良骐，等．高围压下岩石破坏和摩 擦滑动过程中的声发射性活动性［Ｊ］．岩石力学与 工程学报，１９９０，９（１）：３８—４７．［ＺＨＡＮＧ Ｌ，ＸＵＥ Ｌ Ｘ，ＳＨＩ Ｌ Ｑ，ｅｔ ａ１．Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｄｕｒｉｎｇ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｔ Ｈｉｇｈｔ Ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９０，９（１）：３８—４７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ ［１３］ 杨永杰，王德超，郭明福，等．基于三轴压缩声发射 试验的岩石损伤特征研究［Ｊ］．岩石力学与工程学 报，２０１４，３３（１）：９８—１０４．［ＹＡＮＧ Ｙ Ｊ，ＷＡＮＧ Ｄ Ｃ， ＧＵＯ Ｍ Ｆ，ｅｔ ａ１． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｄａｍａｇｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｓｔｓ ｕｎｄｅｒ Ｔｒｉａｘｉａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，３３（１）：９８— １０４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）］ 责任编辑：张明霞
