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地热能开发等深部地下工程的设计、开挖和维护比常规岩石工程要困难和复杂得多,其中一个关键因素是深部岩层的高温环境,这将显著改变储层岩石(围岩体)的结构和性质。因此,详细了解和掌握高温作用后岩石物理力学响应特性及其微观机理是至关重要的。基于上述背景,通过一系列实验室测试探究了高温作用后花岗岩的微观结构损伤特征及物理力学特性的演化规律。借助X射线衍射、热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)研究了高温对花岗岩矿物成分的影响。三维形貌扫描仪、光学显微镜及核磁共振技术(NMR)被用于研究热处理后花岗岩微观结构的变化。高温处理后花岗岩的力学响应特征由单轴压缩、巴西劈裂及声发射测试获得。研究结果表明,花岗岩在温度升高的过程中没有发生分解、氧化等导致物质组分显著改变的剧烈反应,但是高温引起的热膨胀和脱水能够明显改变其微细观结构。试样在加热到200℃后由于脱水和矿物颗粒的适度膨胀而变得更加致密。温度达到400℃,热膨胀的不匹配和各向异性开始出现,导致试样内部原始裂隙的扩展及新裂纹的产生。加热达到600℃及以上,矿物的热膨胀出现严重的不协调和明显的各向异性,并且有些矿物晶体如石英开始发生相变。这两个因素共同造成了裂纹尺度和数量的剧增,试样微结构遭到严重损伤。花岗岩物理性质和力学行为都与其内部结构变化高度相关。并且多项测试结果都表明微观结构和宏观性质分别发生两次突变的临界温度保持高度一致,一个在200℃;另一个在400℃与600℃之间。由于200℃后试样变得更加致密,纵波波速略微增大,而孔隙度轻微减小。温度继续升高,波速持续降低,孔隙度则显著增大。试样的力学性能呈现出与波速完全相似的演化规律,在200℃时加强随后逐渐弱化,800℃时彻底劣化。具体的力学参数及声发射特征都较好地反映了这种变化。此外,花岗岩的破坏形式也在温度达到600℃后由脆性转为延性。以200℃为目标温度的循环热处理不会显著改变花岗岩的微结构,其力学性能在第1次热处理后先增强,随后又轻微减小并趋于稳定。这归因于温度记忆效应-只要目标温度不超过某个门槛值,热循环将不会造成明显的累计损伤。因为试样在此条件下仍然基本保持弹性,所以热膨胀在冷却后将部分恢复。通过对比已有研究发现门槛温度的具体值与岩石类型有关,对于花岗岩一般在300℃以上。