近年来,在我国地热资源开发、矿井与地下工程、核废料的处理以及煤炭地下气化等工程的开展过程中,岩石出现了涉及高温的情况,由于岩石在经历高温冷却后,物理力学特性已经发生了改变,天然状态下的力学性质已然不能适用于工程建设,这对工程的安全性产生了极大的影响,因此,为了保证工程项目的安全,为设计、施工提供相关参数依据,对高温后层状岩石的物理力学特性研究显得尤为关键。本文通过开展层状砂岩的高温加热试验、波速测试、常温常规三轴试验、常温三轴蠕变试验、高温后三轴蠕变试验、X衍射、薄片试验等一系列试验,意图从宏观和微观两个角度研究高温后层状砂岩各向异性的蠕变力学特性,构建层状砂岩各向异性本构模型。取得了以下认识和成果:(1)砂岩试样随着加热温度的增加,外观颜色由浅黄色逐渐向棕红色过渡,质量降低,体积增加,密度降低,纵波波速逐渐减小,且在400℃下降显著,波速整体上呈现出随着角度的增加而逐渐减小的趋势,表明声波在该批次砂岩中传播具有各向异性特点。(2)在三轴压缩试验中,随着层理角度的增加,峰值应力先减小后增大,弹性模量先降低后增加,泊松比先减小后增大;起裂应力和扩容应力随着角度的增加呈现先减小后增大的趋势。(3)不同高温后的蠕变试验结果显示,随着层理角度的增加,峰值强度和长期强度先减小后增大,稳定蠕变速率呈“M”型变化,峰值应变先升高后降低,弹性模量先减小后增大;随着温度的升高,不同层理角度的峰值应变逐渐增加,瞬时弹性变形趋于稳定时对应的荷载等级越高,在400℃前,瞬时应变量和蠕变应变量未发生明显变化,稳定蠕变速率呈波动变化,蠕变弹性模量逐渐增加,在400℃后,瞬时弹性应变量和蠕变应变量发生了显著增加,稳定蠕变速率快速降低,蠕变弹性模量呈直线型下降,随着温度升高,峰值强度和长期强度逐渐升高并在600℃时取得最大值,当温度超过600℃后,强度开始降低,不同温度后的ζ/ζ_s在0.75~0.87间变化,其值随着温度增加呈先增加后降低变化。(4)常温状态下本批次层状砂岩各向异性程度较高,其各向异性程度介于低等各向异性至中等各向异性之间。随着温度的升高,各向异性参数k_T先减小后增大继而又减小,在20℃~400℃,各向异性程度有所降低,在400℃~600℃,各向异性程度增加,当温度大于600℃,各向异性度再次降低;各向异性度R_T在400℃时最大。两种各向异性特征在800℃时最低,说明在800℃高温后层状砂岩的各向异性程度降低显著,温度对层状砂岩各向异性程度具有影响。(5)层状砂岩的破坏模式受到层理角度影响,角度0°、45°、60°、90°时,岩样主要发生斜交层理面的剪切破坏,角度30°时,发生以沿层理面或小角度斜交层里面剪切破坏为主,表明角度30°是该砂岩破裂模式最不利角度,随着温度的增加,主要破坏模式由剪切破坏向张剪破坏模式发生了过渡。(6)本批次砂岩基本矿物种类是石英和钾长石,其中石英的占比达到了93%~95%,不含有粘土矿物,且矿物含量在800℃前未发生明显变化,说明高温处理对本批次砂岩矿物成分没有产生影响l通过薄片试验分析,本批次砂岩全部是钙质石英砂岩,其均为浅海相沉积形成,高温后砂岩的微观结构发生了变化,铁质浸染加强,随着温度升高微裂隙出现并逐渐发育。(7)高温后应变峰值的增加是高温后内部水分蒸发和内部颗粒不均匀膨胀产生的微裂隙的共同作用的结果,高温后应力峰值的变化是矿物颗粒相互挤压、蠕变试验的时间作用致使岩石致密程度提高,对部分微孔隙以及微裂纹进行了修复引起的,但温度超过600℃后这种修复作用不能抵消掉高温带来的损伤作用,使峰值强度又出现了降低,整体性质发生劣化。(8)高温后的损伤在200℃前变化较小,随着温度的升高,损伤值逐渐增加,在温度为400℃时出现快速增加。不同层理角度表现出来的变化特点较一致,说明高温加热后不同层理角度砂岩试样的损伤值受层理角度影响较小,其主要与所受温度大小密切相关。(9)基于Kachanov蠕变损伤理论,从岩石损伤力学角度出发建立了层状砂岩常温本构模型和层状砂岩高温后的本构模型,结合不同温度后试验数据,对模型进行验证,计算相关参数,并与传统西原模型结果进行对比验证分析,结果表明,该模型对岩石的蠕变试验曲线拟合程度较好,能有效地反映岩石的蠕变三阶段,证明了本模型的可靠性和正确性。