岩石热损伤研究对隧道火灾后评估或修复、煤炭地下气化开采、放射性核废料地质深埋处理、地热资源开发和深部地下空间利用等涉及高温环境的岩石类工程具有重要的理论意义和工程应用价值。本文选取地球岩石圈中典型的灰岩、砂岩和花岗岩作为研究对象,通过室内试验和理论分析研究了三种岩石经历高温作用后(25-900°C)的物理力学性质的变化规律;借助扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线荧光、压汞及差热和失重分析等先进现代分析测试方法对岩石微观结构及成分随温度的变化进行了综合分析,重点通过裂纹演化、矿物成分变化、矿物元素定量分析、孔隙度及热物理化学反应等微观特性的研究揭示了微-宏观参数的响应特征及宏观参数发生突变的微观机制;在典型相关分析算法的基础上,得到了综合反应岩石热损伤的典型相关变量组和微观、宏观参数的代表性参数;基于重整化群理论对岩石热损伤的临界温度阈值进行了理论研究,发现在不同形状参数下岩石热损伤的临界温度区间约为300-500°C;最后通过隧道火灾相似物理模型试验研究了温度对隧洞衬砌的影响,结果与岩石高温后的物理力学试验结果相吻合,印证了本文的研究成果对涉及高温环境的岩石类工程的结构设计、损伤检测、灾害后评估与修复等工作具有可靠的参考应用价值。主要研究成果和结论如下:(1)运用扫描电子显微镜、X射线衍射分析、差热分析、X射线荧光分析和压汞分析等先进的现代分析测试手段研究了温度对灰岩、砂岩和花岗岩的微观结构、矿物成分、元素含量和孔隙度等微观特性的影响及成因机制。试验结果表明:灰岩的热损伤主要是由于矿物分解和热应力造成的孔洞和细小裂纹的发育造成的,特别是在300°C后热应力诱发新裂纹逐渐发育,同时部分矿物(主要为菱镁矿和白云石)逐渐分解,导致矿物晶体结构损伤或破坏,孔隙度快速增大,800°C后的明显熔融作用加剧了损伤程度;砂岩在400°C前损伤很小,主要由脱水、原始裂纹和孔洞等微缺陷的略微扩展造成,400°C后,浊沸石逐渐分解,高岭石发生脱羟基,新裂纹快速萌生、扩展和逐步连通,方解石在700-800°C后逐渐分解,上述作用共同导致热损伤快速发育;花岗岩在200°C后微裂纹和孔洞开始发育,孔隙度逐渐缓慢增大,热损伤开始发育,500°C后,在热应力和相变的共同作用下,裂纹发育十分迅速,孔隙度快速增大,晶体结构逐渐遭到损伤甚至破坏,导致花岗岩的损伤程度迅速增大。(2)通过对高温作用后灰岩、砂岩和花岗岩的表观颜色、质量损失、纵波波速、导热特性、视电阻率、渗透性和电磁辐射等物理参数进行试验研究,得到了岩石物理性能随温度的变化特征及热损伤在宏观物理参数上表现的临界温度阈值。结果表明:随着温度的逐渐升高,三种岩石的表观颜色在400°C后发生明显变化,质量损失率、视电阻率、累计振铃计数、累计能量、渗透系数、电磁辐射等参数在整体上逐步增大,纵波波速、热导率、热扩散系数、固有磁化率逐渐减小。对比各物理参数随温度的变化规律,发现300-500°C温度段为岩石热损伤在物理参数上表现出来的临界温度阈值,即大部分物理参数在300-500°C温度区间内发生突变。(3)通过抗压强度(同步应变和声发射)、抗拉强度、膨胀测试等力学试验研究了高温作用后灰岩、砂岩和花岗岩的力学参数随温度的变化规律。结果显示:随着温度升高,岩石的力学性能逐步劣化,如抗压强度、抗拉强度、膨胀应力、弹性模量、泊松比等参数在整体上逐渐变小,坚固程度和硬度逐步劣化,峰值应变、累计振铃计数、累计能量总体上逐渐增大,劣化过程中存在着温度突变点。通过统计发现绝大多数突变点位于300-500°C间,当温度达到或超过该阈值后岩石的力学性能迅速劣化。(4)基于重整化群理论建立了岩石热损伤的三维重整化群模型,对热损伤等概率传递的损伤组合及其概率进行了分析计算,得到了不同形状参数对应的临界损伤阈值约为300-500°C,此区间与宏观物理力学试验中各参量的突变温度区间吻合较好。(5)基于不同温度作用后灰岩、砂岩和花岗岩的微观特性和宏观物理力学参数对应的变化关系,分析了岩石热损伤的微-宏观响应特征及其相互影响的机制,发现大部分宏观参量发生突变的温度阈值与裂纹或孔洞等缺陷的快速发育、含量较多矿物的分解温度一致。根据宏观参量的变化特征选出波速、抗压强度、热导率等对微观特性变化响应特征较好的参数。(6)借助典型相关分析算法研究了主要矿物元素含量(氧化物形式)与宏观参数在不同温度作用后的相关性以及变量自身之间的相关性,得到代表矿物元素含量和宏观参数的典型变量组,根据各参数的权重得到了对微观特性影响较大的矿物成分和对微观变化响应较好的代表性宏观参数,结果表明:对灰岩的微观特性影响较大的是菱镁矿和白云石的分解,对砂岩的影响由大到小依次是方解石、浊沸石和长石,对花岗岩的影响由大到小为长石、石英和角闪石;三种岩石的宏观参量对微观特性响应最好的均是波速,其次为导热参数和强度参数。(7)通过微-宏观响应特征和相关性分析,提出表观颜色观察加波速测试为对岩石热损伤程度快速有效识别的定性和定量方法。(8)通过隧道火灾相似物理模型试验得到了高温作用后隧道衬砌的损伤情况,与文中岩石高温后物理力学性质的变化结果相对比,发现两者吻合较好,验证了试验结果和识别方法的可靠性。