温度载荷作用下花岗岩力学性质演化及其微观机制研究

【摘要】： 运用先进的实验设备和微观测试技术,对温度载荷作用下花岗岩的力学性质演化及其微观机制进行了系统的研究。从能量角度探讨了花岗岩的热粘弹塑性本构方程和破坏准则。研究成果为核废料的存储、煤与油页岩的现场气化、深部资源开采、地热资源开发、煤层瓦斯的安全抽放和综合利用等重大工程中的岩石热力学问题提供了有益的研究资料。论文主要研究成果和创新点如下: 利用带高温装置的MTS810及MTS815伺服试验机对花岗岩进行了25~850℃的实时加温加载实验和25~1200℃加温冷却后再加载的单轴压缩实验。研究表明,随着温度的升高,花岗岩的脆性减弱,延性增强,峰值强度降低,峰后特性显著增强。实时高温作用下花岗岩的力学性能降低,随温度升高呈连续弱化,而降温后再加载所得的岩样力学性能出现突变状态,这与岩样中晶形改变和脆塑性转变密切相关。 运用电镜扫描、压汞分析、X衍射分析及声发射等实验手段分析了温度对花岗岩力学性质和行为的影响,探讨了花岗岩在高温下出现脆塑性转换的微观机制。在800℃左右,扫描电镜结果表明花岗岩晶体中出现穿晶裂纹、解理台阶、滑移带和浅表韧窝共存特征,X衍射表明岩样晶体部分出现晶形改变,而声发射实验发现在800℃左右声发射强度降低而持续时间增大,在峰值强度之后,残余塑性变形仍释放出密集的声发射信号,岩样呈现出塑性破坏特征,这与花岗岩的宏观力学性质变化特征相一致。花岗岩破坏方式随温度升高由突发式的脆性破裂逐渐向渐进式的半脆性剪切破坏转化。 随温度升高,岩样孔隙率总体增大,孔隙率的阀值温度在800℃左右,但岩样孔隙分布分形维数却反而降低。压汞实验结果表明,在高温作用下,岩样中的热损伤由初始非规则的裂隙结构逐渐向均匀化的孔穴结构转化,非均匀性弱化是导致岩样孔隙分布分形维数降低的根本原因。 以西原体模型为基础,引入热膨胀系数,粘性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、粘性流动以及结构损伤的共同影响,建立了岩石热损伤粘弹塑性本构关系,推导了考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。基于损伤理论和不可逆热力学,推导了花岗岩热力耦合粘弹性损伤余能释放率的理论表达式,建立了岩石热力耦合损伤破坏的能量准则。计算表明,岩样损伤余能释放率随温度的升高和时间的延长而增大。这比用传统的单一结构损伤参量D所建立的损伤破坏准则更全面,更适用于处理岩石热力耦合损伤破坏行为。