温度梯度诱发岩石破裂现象广泛存在于自然界,且随着人类在近百年来对地下空间扰动的增多,渗透到了绝大多数的地下工程结构,成为了一种普遍存在的岩石破裂现象。这种现象不仅成为了核废料处置库围岩安全、高温隧洞稳定性的潜在威胁,也可作为热力剥离破岩、地热储层冷冲击改造的工具,对这种现象机理及裂纹扩展过程的研究具有非常重要的意义。任何温度梯度诱发岩石破裂现象均存在机理上的共性,然而岩石类材料具有抗压不抗拉的力学特性,且每一种温度梯度诱发岩石破裂现象的出现场景对应着不同的岩石尺度、几何特征及约束条件,随之衍生的裂纹扩展过程也具有各自不同的特征。本文采用数值计算分析为主、物理实验分析为补充的研究手段,以温度梯度诱发岩石破裂机理与裂纹扩展过程为研究主线,根据各种温度梯度诱发岩石破裂现象的出现场景建立模型,从升温作用、温度冲击作用(热冲击、冷冲击)、降温作用三种热加载方式的角度,系统、全面地探讨了温度梯度诱发岩石破裂问题。主要工作和研究成果如下:(1)从尺度效应入手,系统地研究了升温作用下的岩石破裂机理。结果表明,小尺度模型在升温作用下,最大拉应力出现在模型外边界,导致裂纹萌生的同时应力得到卸载,与实验结果具有良好的一致性。大尺度模型在升温作用下,最大拉应力转移至圆孔附近,导致裂纹萌生的同时内部应力无法得到卸载,这种破坏模式造成了多区域、大面积的破坏。工程尺度模型在地应力与升温的耦合作用下,仍然可能导致圆孔附近产生拉应力,影响处置库围岩稳定性并造成工程灾害。(2)从模型尺度和升温速率相互作用的角度,加强了对于升温作用下的岩石破裂机理本质的理解。结果表明,升温速率的增大也可导致拉应力最大值点由外边界转移至圆孔附近,升温速率与模型尺度的相对关系是这种转移的本质原因。另外,对于同样升温速率的模型存在一个临界尺度,当模型尺度大于该值时,裂纹萌生位置不会再发生变化,我们称之为“边界效应”。而且,当两个模型的升温速率比值等于模型尺度平方的反比时,两个模型内标准化裂纹萌生位置相等,我们将其定义为“尺度-升温速率等效效应”。可借助上述两种效应,将升温作用下的工程尺度模型简化成小尺度模型。(3)从屈曲理论入手,由浅入深地讨论了热冲击作用下的岩石破裂机理。结果表明,单裂纹模型在热冲击作用下,裂纹在表层迅速膨胀形成的高压应力区内沿着平行于模型边界的方向扩展,而裂纹上方区域膨胀屈曲,发生剪切滑移并最终剥离。预制随机裂纹模型在热冲击作用下,可将剥离模式分为单裂纹剥离与多裂纹贯通剥离两种模式。无预制裂纹模型在热冲击作用下,则需要温度梯度诱发岩石内部产生拉伸破坏单元,并贯通为裂纹作为剥离过程的触发。较大的围压有助于剥离速度的提升,而隧洞火灾对洞壁的破坏是热力剥离过程与地应力共同作用的结果。(4)通过实验研究的方式,分析了冷冲击方法在地热储层制造次生裂纹的能力,对比了水与液氮对于高温岩样的冷冲击效果。结果表明,水和液氮冷冲击对620℃以上岩样表现出了优秀的造缝能力,水冷冲击可以在局部制造少量的宏观裂纹,液氮冷冲击则可以制造更加复杂的缝网。基于尺度效应以及约束条件上的差异,当岩石与冷冲击液间的温差一定时,原位冷冲击的造缝能力一定优于岩样冷冲击。液氮冷冲击在降低强度和提高渗透系数方面的效果明显优于水冷冲击,利用液氮等超低温液体的热力激励,可能在地热储层改造方面带来更好的效果。(5)从小尺度模型出发,讨论了冷冲击作用下的岩石破裂机理。结果表明,模型表面以及裂纹尖端的拉应力在温度梯度作用下迅速升高后缓慢降低,导致裂纹的萌生与扩展。裂纹饱和状态是裂纹插入导致应力转移的结果,沿着冷冲击温度传导方向逐渐降低的温度梯度最值是裂纹分级的本质原因,最终形成彼此平行,等间距分布的分级裂纹形态。大尺度模型的主裂纹在冷冲击作用下,裂纹上下表面扩展较深的次生裂纹间彼此错开扩展,主裂纹的长度与开度也有所增加。次生裂纹形态受到围岩温度,约束条件的影响,且次生裂纹可以相互连接,帮助相邻的主裂纹贯通,表现出了区别于水力压裂的优势。(6)以川藏铁路高温隧道为背景,分析了地应力与通风降温耦合作用下的高温隧道破裂机理。结果表明,通风降温作用下,隧洞边墙层状剥离破坏面缩小,剪切破坏占比下降,发生弹射岩爆的概率降低。隧洞表面附近较大的温度梯度导致最大主应力下降,是破坏面缩小以及破裂现象缓和的主要原因。在川藏铁路隧道异常高温段的开挖过程中,需要尽量降低开挖速度延缓隧洞围岩应力的释放速度,争取尽量多的时间对隧道围岩进行通风降温降低应力水平,并增大风速、喷洒冷水,进一步提高应力降低效果。长期通风降温作用导致隧洞附近的应力进一步降低,且隧洞附近的应力集中转移至了深部围岩,有助于隧洞的长期稳定性。