收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

温度梯度诱发岩石破裂机理研究

黄鑫  
【摘要】:温度梯度诱发岩石破裂现象广泛存在于自然界,且随着人类在近百年来对地下空间扰动的增多,渗透到了绝大多数的地下工程结构,成为了一种普遍存在的岩石破裂现象。这种现象不仅成为了核废料处置库围岩安全、高温隧洞稳定性的潜在威胁,也可作为热力剥离破岩、地热储层冷冲击改造的工具,对这种现象机理及裂纹扩展过程的研究具有非常重要的意义。任何温度梯度诱发岩石破裂现象均存在机理上的共性,然而岩石类材料具有抗压不抗拉的力学特性,且每一种温度梯度诱发岩石破裂现象的出现场景对应着不同的岩石尺度、几何特征及约束条件,随之衍生的裂纹扩展过程也具有各自不同的特征。本文采用数值计算分析为主、物理实验分析为补充的研究手段,以温度梯度诱发岩石破裂机理与裂纹扩展过程为研究主线,根据各种温度梯度诱发岩石破裂现象的出现场景建立模型,从升温作用、温度冲击作用(热冲击、冷冲击)、降温作用三种热加载方式的角度,系统、全面地探讨了温度梯度诱发岩石破裂问题。主要工作和研究成果如下:(1)从尺度效应入手,系统地研究了升温作用下的岩石破裂机理。结果表明,小尺度模型在升温作用下,最大拉应力出现在模型外边界,导致裂纹萌生的同时应力得到卸载,与实验结果具有良好的一致性。大尺度模型在升温作用下,最大拉应力转移至圆孔附近,导致裂纹萌生的同时内部应力无法得到卸载,这种破坏模式造成了多区域、大面积的破坏。工程尺度模型在地应力与升温的耦合作用下,仍然可能导致圆孔附近产生拉应力,影响处置库围岩稳定性并造成工程灾害。(2)从模型尺度和升温速率相互作用的角度,加强了对于升温作用下的岩石破裂机理本质的理解。结果表明,升温速率的增大也可导致拉应力最大值点由外边界转移至圆孔附近,升温速率与模型尺度的相对关系是这种转移的本质原因。另外,对于同样升温速率的模型存在一个临界尺度,当模型尺度大于该值时,裂纹萌生位置不会再发生变化,我们称之为“边界效应”。而且,当两个模型的升温速率比值等于模型尺度平方的反比时,两个模型内标准化裂纹萌生位置相等,我们将其定义为“尺度-升温速率等效效应”。可借助上述两种效应,将升温作用下的工程尺度模型简化成小尺度模型。(3)从屈曲理论入手,由浅入深地讨论了热冲击作用下的岩石破裂机理。结果表明,单裂纹模型在热冲击作用下,裂纹在表层迅速膨胀形成的高压应力区内沿着平行于模型边界的方向扩展,而裂纹上方区域膨胀屈曲,发生剪切滑移并最终剥离。预制随机裂纹模型在热冲击作用下,可将剥离模式分为单裂纹剥离与多裂纹贯通剥离两种模式。无预制裂纹模型在热冲击作用下,则需要温度梯度诱发岩石内部产生拉伸破坏单元,并贯通为裂纹作为剥离过程的触发。较大的围压有助于剥离速度的提升,而隧洞火灾对洞壁的破坏是热力剥离过程与地应力共同作用的结果。(4)通过实验研究的方式,分析了冷冲击方法在地热储层制造次生裂纹的能力,对比了水与液氮对于高温岩样的冷冲击效果。结果表明,水和液氮冷冲击对620℃以上岩样表现出了优秀的造缝能力,水冷冲击可以在局部制造少量的宏观裂纹,液氮冷冲击则可以制造更加复杂的缝网。基于尺度效应以及约束条件上的差异,当岩石与冷冲击液间的温差一定时,原位冷冲击的造缝能力一定优于岩样冷冲击。液氮冷冲击在降低强度和提高渗透系数方面的效果明显优于水冷冲击,利用液氮等超低温液体的热力激励,可能在地热储层改造方面带来更好的效果。(5)从小尺度模型出发,讨论了冷冲击作用下的岩石破裂机理。结果表明,模型表面以及裂纹尖端的拉应力在温度梯度作用下迅速升高后缓慢降低,导致裂纹的萌生与扩展。裂纹饱和状态是裂纹插入导致应力转移的结果,沿着冷冲击温度传导方向逐渐降低的温度梯度最值是裂纹分级的本质原因,最终形成彼此平行,等间距分布的分级裂纹形态。大尺度模型的主裂纹在冷冲击作用下,裂纹上下表面扩展较深的次生裂纹间彼此错开扩展,主裂纹的长度与开度也有所增加。次生裂纹形态受到围岩温度,约束条件的影响,且次生裂纹可以相互连接,帮助相邻的主裂纹贯通,表现出了区别于水力压裂的优势。(6)以川藏铁路高温隧道为背景,分析了地应力与通风降温耦合作用下的高温隧道破裂机理。结果表明,通风降温作用下,隧洞边墙层状剥离破坏面缩小,剪切破坏占比下降,发生弹射岩爆的概率降低。隧洞表面附近较大的温度梯度导致最大主应力下降,是破坏面缩小以及破裂现象缓和的主要原因。在川藏铁路隧道异常高温段的开挖过程中,需要尽量降低开挖速度延缓隧洞围岩应力的释放速度,争取尽量多的时间对隧道围岩进行通风降温降低应力水平,并增大风速、喷洒冷水,进一步提高应力降低效果。长期通风降温作用导致隧洞附近的应力进一步降低,且隧洞附近的应力集中转移至了深部围岩,有助于隧洞的长期稳定性。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 姚禹同;;坠落的草原[J];黄金时代(学生族);2017年07期
2 唐春安,费鸿禄,徐小荷;系统科学在岩石破裂失稳研究中的应用(一)[J];东北大学学报;1994年01期
3 朱元清,罗祥麟,郭自强,赵志光,祝中伟;岩石破裂时电磁辐射的机理研究[J];地球物理学报;1991年05期
4 蔡忠理,刘克,罗津辉;超声波谱法在岩石破裂特性研究中的应用[J];岩土工程学报;1989年03期
5 罗光伟;岩石破裂与氡含量变化关系的实验研究[J];地球物理学报;1977年04期
6 周学慧;杜治利;丁文龙;刘敬寿;肖子亢;卢霖;;基于岩石破裂特征及能量演化的致密砂岩脆性指数优选[J];中国矿业;2020年S2期
7 唐春安,费鸿禄,徐小荷;系统科学在岩石破裂失稳研究中的应用(二)[J];东北大学学报;1994年02期
8 黄永祥;序列活动特性与岩石破裂强度的实验研究[J];地震研究;1982年03期
9 任岚;赵金洲;胡永全;冉乙钧;;水力压裂时岩石破裂压力数值计算[J];岩石力学与工程学报;2009年S2期
10 施行觉,牛志仁;岩石破裂断面的分维研究[J];科学通报;1991年07期
11 伍梦蝶;胡其志;;不同岩性岩石破裂信号的特征分布规律分析[J];南方农机;2018年20期
12 张后全;贺永年;韩立军;唐春安;康伟;黄兴根;;岩石破裂过程微裂纹演化规律有限元统计分析[J];中国矿业大学学报;2007年02期
13 冯夏庭,赖户政宏;化学环境侵蚀下的岩石破裂特性——第一部分:试验研究[J];岩石力学与工程学报;2000年04期
14 彭自正,王殚业,许云廷,牛志仁;逾渗与岩石破裂的计算机模拟研究[J];西北地震学报;1996年01期
15 李世愚;陆阳泉;赵家骝;;中、俄、美大尺度岩石破裂实验考察报告[J];国际地震动态;1993年07期
16 林命周;;岩石破裂前的地震活动性异常与地震预报[J];地震地质译丛;1979年02期
17 张雪娟;何明文;王红强;;岩石破裂过程中电磁辐射信号特征研究[J];物探化探计算技术;2019年04期
18 梁鹏;张艳博;田宝柱;刘祥鑫;;岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究[J];矿业研究与开发;2015年03期
19 隋智力;杨志军;李照广;王旭鹏;李文利;李振;;基于颗粒流岩石破裂的宏观参数敏感性分析[J];黄金;2014年02期
20 赵曼;丁涛;;分形理论的应用及岩石破裂面的分形研究[J];四川建材;2014年01期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 唐春安;;岩石破裂过程数值模拟方法发展的若干问题[A];世纪之交软岩工程技术现状与展望[C];1999年
2 谢强;钱惠国;蒋爵光;;扫描电镜下岩石破裂过程的连续观察及其破坏机制分析[A];第四届全国工程地质大会论文选集(二)[C];1992年
3 郭子祺;郭自强;;岩石破裂中多裂纹辐射模型[A];1999年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十五届年会论文集[C];1999年
4 刘斌;杨海涛;郭自强;;岩石破裂强度与断面分维[A];1991年中国地球物理学会第七届学术年会论文集[C];1991年
5 周传波;;岩石破裂过程中的电子发射规律浅析[A];面向21世纪的岩石力学与工程:中国岩石力学与工程学会第四次学术大会论文集[C];1996年
6 唐春安;徐小荷;;岩石破裂过程中的灾变问题[A];第四届全国岩石破碎学术讨论会论文集[C];1989年
7 郑捷;;岩石破裂和地震现象中的分形、自组织和混沌(综述)[A];中国地震学会第四次学术大会论文摘要集[C];1992年
8 杨天鸿;于庆磊;唐春安;李连崇;朱万成;梁正召;;岩石破裂过程稳态、瞬态渗流特征模拟分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
9 刘长武;;岩石破裂过程中的声学特征及其在采矿工程中的应用[A];第五届全国构造物理、第三届全国高温高压学术讨论会论文摘要[C];1992年
10 梁正召;王述红;唐春安;徐涛;张亚芳;;非均匀性岩石破裂的网格效应[A];东北岩石力学与工程分会学术讨论会论文集[C];2005年
11 王雁晖;郭自强;胡天跃;;岩石破裂电子发射的有限势压缩原子模型[A];1993年中国地球物理学会第九届学术年会论文集[C];1993年
12 蒋斌松;;从弹塑脆性模型解的不唯一性,探讨岩石破裂可能出现的新现象[A];新观点新学说学术沙龙文集21:深部岩石工程围岩分区破裂化效应[C];2008年
13 彭自正;牛志仁;;二维平面张应力作用下岩石破裂的逾渗模型研究[A];中国地震学会第六次学术大会论文摘要集[C];1996年
14 赵晓豹;姚羲和;龚秋明;何冠文;马洪素;李晓昭;;不同切深条件下滚刀线性侵入实验中岩石破裂模式研究[A];第5届废物地下处置学术研讨会论文集[C];2014年
15 彭桂力;庹先国;李怀良;沈统;陆景;刘勇;;次声与微震技术在岩石微破裂监测中的应用[A];2018年中国地球科学联合学术年会论文集(二十六)——专题52:微地震监测与反演、专题53:微孔隙岩石物理与非常规油气[C];2018年
16 梅世蓉;庄灿涛;许昭永;杨洪沧;包一峰;;真三轴压缩时岩石破裂孕育过程中微破裂分布图象的时空变化[A];第四届全国构造物理、第二届全国高温高压联合学术讨论会论文摘要[C];1989年
17 宗琦;;爆炸应力波作用造成的岩石破裂区[A];第四届全国岩石动力学学术会议论文选集[C];1994年
18 和雪松;;大尺度岩石破裂声发射活动性图像的处理[A];2000年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十六届年会论文集[C];2000年
19 钱书清;任克新;吕智;;伴随岩石破裂的VLF MF HF VHF电磁辐射特性的研究[A];中国地震学会第五次学术大会论文摘要集[C];1994年
20 耿乃光;崔承禹;邓明德;;岩石破裂实验中的遥感观测与遥感岩石力学的建立[A];第五届全国构造物理、第三届全国高温高压学术讨论会论文摘要[C];1992年
中国博士学位论文全文数据库 前13条
1 黄鑫;温度梯度诱发岩石破裂机理研究[D];大连理工大学;2020年
2 杨韬;岩石破裂过程渗流特性的数值分析方法[D];大连理工大学;2019年
3 徐军;非穿透裂纹诱导的岩石破裂过程及失效判据研究[D];东南大学;2018年
4 梁正召;三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究[D];东北大学;2005年
5 潘鹏志;岩石破裂过程及其渗流—应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2006年
6 张永彬;岩石破裂过程分析并行计算方法研究[D];东北大学;2007年
7 杨天鸿;岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究[D];东北大学;2001年
8 柴金飞;基于矩张量理论的脆性岩石破裂机理研究[D];北京科技大学;2017年
9 张鹏海;基于声发射时序特征的岩石破裂前兆规律研究[D];东北大学;2015年
10 师访;岩石破裂过程的扩展有限元法研究[D];中国矿业大学;2015年
11 姚华彦;化学溶液及其水压作用下灰岩破裂过程宏细观力学试验与理论分析[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
12 焦明若;孕震过程的数学物理模拟及其在地震预测研究中的应用[D];中国地震局地球物理研究所;2000年
13 李明田;岩石破裂过程数值模拟的格构细胞自动机方法研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 李乔;基于数据挖掘的岩石破裂失稳声发射信号研究[D];华北理工大学;2018年
2 伍梦蝶;岩石破裂信号辨识及自动识别方法研究[D];湖北工业大学;2018年
3 刘建新;岩石破裂声发射实验研究[D];中国地震局地球物理研究所;2002年
4 朱贝贝;岩石破裂过程中的耗散能与释放能机理研究[D];兰州大学;2017年
5 龙海丽;岩石破裂过程的自电位异常的研究[D];中国地震局地球物理研究所;2003年
6 赵世宇;基于小波包分析的含水岩石破裂前兆研究[D];东北大学;2014年
7 常新科;不同岩石破裂声发射多参量耦合分析[D];内蒙古科技大学;2020年
8 李贞良;岩石破裂微震与爆破振动信号时频特征提取及识别方法[D];山东科技大学;2017年
9 魏嘉磊;岩石破裂过程红外与声发射联合监测实验研究[D];东北大学;2014年
10 何云松;基于矩张量的岩石破裂微观机制声发射研究[D];成都理工大学;2017年
11 姚羲和;TBM盘形滚刀线性切割试验中岩石破裂模式研究[D];南京大学;2014年
12 吕海洋;基于RFPA与DDA耦合的岩石破裂过程分析方法研究[D];大连理工大学;2014年
13 胡凡;大红山铁矿微震监测波形类别识别方法研究[D];昆明理工大学;2020年
14 任鸿飞;岩石破裂过程的声发射数值模拟试验研究[D];湖北工业大学;2017年
15 黄文柏;基于矩张量理论的岩石破裂声发射震源机制分析[D];东北大学;2013年
16 何明文;室内岩石电磁信号观测系统的组建、测试及初步应用[D];中国地震局地球物理研究所;2016年
17 刘震;冀中探区古潜山裂缝的有限元模拟[D];中国石油大学;2010年
18 陈国强;岩石变形与电磁辐射的实验研究[D];中国地震局地质研究所;2009年
19 楚俊;岩石破裂的声发射预测及Kaiser效应在地应力测试中的应用[D];山东科技大学;2008年
20 杨果岳;流体参与的岩石破裂及其在热液成矿中的作用——以凤凰山铜矿床为例[D];中南大学;2004年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 本报记者 刘诗瑶;揭开岩石破裂演进之谜[N];人民日报;2018年
2 魏玮 李弘 杨心超;“倾听岩石破裂的声音”[N];中国石化报;2016年
3 本报记者 田丹 实习生 梁彬;岩土世界的探索者[N];沈阳日报;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978