岩石破碎一直以来都是岩石力学领域的一个热门问题,特别是对于典型的高强、高耐磨性的花岗岩而言,能否高效破岩直接关系到工程的质量、安全、效益等问题。近年来,利用岩石的热损伤性质辅助机械破岩受到了越来越多的重视。例如,隧道工程中利用火焰喷射器、激光照射、微波辐射等方法对掌子面岩石进行快速加热,实现高强度花岗岩的初步裂化,然后再进行机械掘进。若能用超低温介质—“液氮（LN2）”对加热后的高温花岗岩进行急速冷却处理,岩体内所产生的巨大热应力可以进一步促进其损伤开裂。另外,干热岩储层岩石本身具有较高的温度,利用超低温液氮作为压裂液进行储层体积改造有望在地层中构建复杂的裂隙网络,从而提高水-岩热交换效率。因此,深入研究加热-液氮冷却后花岗岩的物理力学性质及断裂特性演化规律对于破岩技术的发展及其在工程上的应用具有一定的指导意义。本文运用现代化分析测试手段、常规物理力学试验、纳米压痕技术、数值模拟等方法开展了一系列研究,主要研究内容与结论如下:（1）利用倒置光学显微镜、RMT-301岩石复合试验机、超低温液氮冷却系统等对室温（25oC）及加热至不同温度（100oC、200oC、300oC、400oC、500oC、600oC、800oC及1000oC）的花岗岩经液氮冷却后的细观结构及物理力学性质进行了研究。试验结果表明,整体上,随着加热温度升高,岩样的体积、孔隙度、峰值应变增加,而密度、P波波速、单轴抗压强度、弹性模量降低。加热-液氮冷却后花岗岩的P波波速随着温度的升高而线性下降,而体积、密度、孔隙度、单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变的变化存在一个阈值温度,其值在500oC～600oC之间。当加热温度低于阈值温度时,体积、密度、孔隙度几乎保持不变,单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变无明显的规律性变化;当加热温度高于阈值温度后,它们都随着温度的升高而快速变化。当花岗岩的温度从500oC增加至600oC时,其内部的微裂隙会突然增加,当温度增加至800oC后,部分矿物已呈熔融状态。（2）自主研发了一套适用于超低温环境下的单轴加载装置,研究了液氮和单轴力共同作用后花岗岩力学性质,并将其与花岗岩仅在液氮冷却后的力学性质进行了比较。结果表明,花岗岩在单向受压状态下经液氮冷却后的力学性质劣化程度低于其在无压状态下经液氮冷却后力学性质劣化程度。（3）对花岗岩进行了不同的加热-液氮冷却循环处理,循环处理温度分别为200oC、300oC、400oC,每个循环温度下分别循环处理1次、3次、6次、12次、20次,得到了导热系数、P波波速、单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随循环处理温度及循环处理次数的演化规律。结果表明,对于不同的循环温度,各个性质参数的变化均主要发生在前6次处理,循环处理12次后,各个性质参数几乎维持在一个恒定的状态。采用纳米压痕技术对400oC-液氮冷却循环处理后花岗岩的微观力学性质进行了分析。结果表明,该循环处理模式下花岗岩的微观力学性质未随循环处理次数的增加而呈现出明显的规律性变化,由此推测出花岗岩宏观力学性质劣化主要源于微裂隙的发展而非晶体本身性质的劣化。（4）对加热-液氮冷却后的半圆盘花岗岩试样进行了三点弯曲试验,并利用声发射（AE）技术监测了整个加载过程中的声发射特征,得到了荷载-时间-AE曲线。结果表明,对于加热-液氮冷却而言,随着加热温度升高,花岗岩由典型的脆性断裂转变为塑性断裂,声发射信号出现的时间越早,且越均匀地分布于整个加载阶段,微裂隙的起裂强度与峰值荷载的比值逐渐减小。（5）利用非接触式三维激光扫描仪对加热-液氮冷却后的岩样在三点弯曲加载下的I型断裂面进行了扫描,提取了断裂面高精度点云并进行了重构,运用分形理论定量地描述了不同加热温度下的花岗岩经液氮冷却后I型断面的粗糙度。结果表明,I型断裂面粗糙度随加热温度升高而增加。（6）采用FDEM-TM模拟了含预制裂隙半圆盘花岗岩试样经加热-液氮冷却后的热破裂行为及I型断裂扩展路径。模拟结果表明,花岗岩经加热-液氮冷却后的微裂隙主要为张拉裂隙并伴有少量的剪切裂隙,且主要为晶体间的裂隙。随着加热温度升高,微裂隙数量逐渐增加,对预制裂隙的扩展路径产生的干扰作用逐渐增强,使其扩展轨迹变得越来越复杂而曲折,导致I型断裂面粗糙度逐渐增加。