考慮溫度效應(yīng)的巖石動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、針對(duì)深部巖體工程、核廢料存儲(chǔ)以及地?zé)衢_發(fā)利用等重大工程實(shí)際需要，開展巖石在溫度作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究具有十分重要的意義。本文利用自行研制的溫壓耦合下動(dòng)力擾動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同溫度和預(yù)應(yīng)力耦合作用下巖石開展了動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究以及不同高溫作用冷卻后巖石的動(dòng)態(tài)壓縮、拉伸和斷裂性能測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。主要內(nèi)容和結(jié)論性成果如下:
　　 (1)自行研制了能模擬巖石遭受高溫高應(yīng)力及動(dòng)力擾動(dòng)狀態(tài)下的加載試驗(yàn)系統(tǒng)。

2、并針對(duì)巖石類脆性材料的特性，討論了一系列脈沖整形技術(shù)，如去波頭法、入射波整形法、異形沖頭法等試驗(yàn)技術(shù);分析了高溫下巖石試樣與波導(dǎo)桿接觸時(shí)熱傳遞對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果影響，并討論了SHPB試驗(yàn)中幾個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題，如應(yīng)力平衡及均勻化、摩擦效應(yīng)和波的彌散及熱傳導(dǎo)問(wèn)題。
　　 (2)在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)再現(xiàn)觀察和研究了不同溫度作用及軸向預(yù)應(yīng)力下砂巖的動(dòng)態(tài)特性，得到了砂巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨溫度和軸向預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律?；跈C(jī)械模型和損傷模型，建立了溫壓耦合與

3、動(dòng)力擾動(dòng)下巖石的本構(gòu)模型，分析了不同溫度下砂巖能量耗散與軸向靜壓的關(guān)系，指出軸向靜壓與能量吸收率之間存在一個(gè)最優(yōu)值，且溫度變化影響能量吸收率。
　　 (3)本文通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)和研究獲得了不同溫度對(duì)砂巖密度、縱波波速、峰值強(qiáng)度、破壞模式、塊度分布的影響規(guī)律:砂巖的平均密度和彈性模量隨溫度升高下降;縱波波速也隨溫度升高降低，且降低的幅度隨著作用溫度的升高而增大;動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度隨著溫度的增加而降低，而400℃～600℃范圍內(nèi)降低幅度較小

4、，800℃后影響程度尤為顯著;通過(guò)動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程高速攝影圖片可知試樣沿加載方向呈徑向裂紋破壞。
　　 (4)系統(tǒng)分析比較了高溫后砂巖在靜、動(dòng)載荷加載下的破壞模式、峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的差異，并從微觀角度探討溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，靜載荷時(shí)巖石破壞模式表現(xiàn)為劈裂破壞和剪切破壞并伴隨著脆性斷裂，而動(dòng)載荷作用時(shí)巖石破壞模式表現(xiàn)拉伸破壞;靜動(dòng)載荷作用下的峰值強(qiáng)度隨著溫度的升高而明顯降低，且基本呈線性關(guān)系，靜載荷作

5、用下，平均峰值強(qiáng)度從126.37MPa降到64.76MPa，降低幅度為48.8％，動(dòng)載荷作用時(shí)，平均峰值強(qiáng)度從176.3MPa降到83.1MPa，降低幅度達(dá)到了52.9％;而靜動(dòng)載荷作用下的峰值應(yīng)變都隨著溫度的升高而增大。溫度引起的熱應(yīng)力和微結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致砂巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，以及不同加載方式引起巖樣內(nèi)部孔隙擴(kuò)展和微裂紋的生成方式不同，導(dǎo)致其抵抗外力變形的能力存在差異。
　　 (5)采用巴西圓盤(Brazilian Disc，B

6、D)和半圓盤(Semi-CircularBending，SCB)加載方法研究了不同高溫處理后Laurentian花崗巖動(dòng)態(tài)拉伸特性，并用有限元分析方法驗(yàn)證準(zhǔn)靜態(tài)條件下半圓盤拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式應(yīng)用于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明:溫度作用對(duì)花崗巖試樣物理性質(zhì)如密度、熱膨脹系數(shù)和超聲波速有一定的影響;動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度與加載率呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，且加熱溫度越高，拉伸強(qiáng)度降低;試樣在拉伸破壞過(guò)程中，兩端沿著主加載方向出現(xiàn)“X”形狀的裂紋。