【毕业学位论文】高温后粉砂岩动态力学特性及破坏机理研究-地下空间资源科学与工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目 高温后粉砂岩动态力学特性 及破坏机理研究 学科、专业 地下空间资源科学与工程 研究生姓名 尹 土 兵 导师姓名及 专业技术职务 李 夕 兵 教 授 近几十年来岩石力学界的学者们在研究岩石动态加载方面取得了丰硕的成果，对岩石力学理论与实践起到了巨大的推动作用。然而，以往的这些研究大多限于岩石处于常温状态下的情况， 以致高温作用后岩石变形与破坏特性的研究显得相对不足。而温度作用下的岩体是高放射性核废物的地层深埋处置、地热资源开发以及大都市圈的大深度地下空间开发利用等工程中经常遇到的一类复杂岩体，高温后岩石的强度、变形等特征直接关系着工程设计、施工和运营稳定性。针对上述问题，本文作者在国家自然科学基金项目资助下，以高温后岩石动态力学特性及破坏机理的研究为课题， 就单轴冲击加载理论与实验进行了深入系统的研究。 论文作者采用霍普金逊（ 杆实验系统对高温处理后的粉砂岩进行了单轴冲击加载实验，研究了不同温度处理后粉砂岩的动态力学特性和破坏特征， 得出温度对岩石动态本构关系、 峰值应力、 峰值应变和弹性模量的影响规律。对比不同温度下岩石试样的破坏特征，总结了温度对岩石破坏的影响，基于统计学理论，对不同温度后冲击破碎岩石块度进行筛分，分析不同温度条件下岩石破碎块度的分形特征。根据损伤力学理论分析了不同温度处理后岩石冲击破碎机理，为高温后岩石工程提供了理论与实验依据。 本文所做研究工作，立足于学科前沿，运用先进实验手段，对冲击载荷下高温后岩石力学与破坏特性进行了研究，该实验研究为国内首创，具有较高新颖性和创新性，为开展高温后岩石工程的研究奠定了理论和实验基础。 关键词 : 高温处理， 力波，分形理论，动态特性，破坏机理 中南大学硕士学位论文 in on of on it is of of In is of in in of to of to of on of on of s on of by of of is to of of on of on by of of on of on is of In of is on of to of is in 南大学硕士学位论文 of is in of on of 南大学硕士学位论文 目录 录 摘 要 . I .一章 绪论 .论文研究目的和意义 .内外研究现状 . 温度效应岩石力学研究进展及评述 . 岩石动态力学特性研究进展及评述 . 岩石动态损伤与破碎机理研究进展及现状 .处理实验技术 . 动态高温实验技术的发展与应用 . 高温试验技术现状 .文主要研究内容 .二章 验装置的设计与改造 .述 .验技术的发展过程及实验原理 . 验技术的发展过程 . 置的实验原理 .验测试系统 .验技术存在的主要问题及评述 . 端面摩擦效应问题 . 高温下动态性能测试问题 . 波形弥散问题 . 应力不均匀性问题 .章小结 .三章 高温后粉砂岩动态力学特性实验研究 .述 .验研究 . 试样制备 . 实验设备 . 实验方法及步骤 .验数据处理中的小波消噪 .验结果及分析 . 经历不同高温后粉砂岩全应力 . 经历不同高温后粉砂岩峰值应力的变化规律 . 经历不同高温后粉砂岩峰值应变的变化规律 . 经历不同高温后粉砂岩弹性模量的变化规律 .章小结 .四章 高温后粉砂岩冲击破碎特性研究 .述 .载荷下岩石的破坏模式及准则分析 .南大学硕士学位论文 目录 载荷下岩石的破坏模式 . 岩石破碎理论 . 岩石破坏准则 .同温度后粉砂岩的动力破碎特性分析 .温后冲击载荷下岩石破碎分形特性 . 岩石的破碎与分形 . 高温后冲击载荷下岩石破碎的分维变化 .结 .五章 高温后岩石冲击破坏机理研究 .述 .击载荷下岩石破裂的微观热力学破坏机理 . 热力学背景 . 冲击载荷作用下的热力学破坏条件 .温后粉砂岩冲击破坏前兆 . 应变能加速释放分析 .温后粉砂岩动载荷下破坏机理 . 结果观测 . 岩石破坏机理 .论 .六章 结论与展望 .考文献 . 谢 .读硕士期间发表的学术论文及成果 .南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 论文研究目的和意义 地球浅部矿产资源随着人类世代开采而逐渐枯竭， 在众多矿产品未能找到替代品的情况下，深部采矿成了资源开发的必由之路。据不完全统计，目前国内外已有上百座矿山开采深度达到 1000m 以下， 而且以每年 8速度向下延伸，南非一些金矿开采深度已达 6000m 之深，湖南省柿竹园、湘西金矿等一批有色金属矿山也已经进入深部开采阶段。在数千米的深井中，原岩应力达数十兆帕，原岩温度高达 60在这种高温高压耦合作用下，岩石表现出与浅部截然不同的力学特性。 岩石是一种复杂的天然介质， 是地球上最普通、 最常见的一种脆性地质材料。在漫长的地质年代中经历了多次地质构造运动，赋存于一定的应力和温度环境中，其内部存在大量的地质缺陷，如断层、节理、层理、裂纹、断裂面、孔洞等，岩石中形成了各种微裂隙和微孔洞， 因而岩石材料本身固有的结构特点就是存在大量的缺陷以及矿物组成成份种类繁多，使得岩体在物理特性上表现为区域性、非连续性和非均质性，在力学特性上表现出强烈的非线性、各向异性、流变性及尺寸效应等特征1。 研究高温作用或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。 在能源、 地质、土木等众多工程领域中 , 地热的开发与利用、高放射性核废物的地层深埋处置、地下矿山煤和瓦斯爆炸、 岩石地下工程灾后重建以及大都市圈的大深度地下空间开发利用等工程所处的地质环境 周围岩体均可能经历一定的高温， 这就需要考虑岩石在高温作用下或高温后的物理力学性质。另一方面，工程结构在高温后的强度与变形特性也成为工程界关注的焦点。由于高温后岩石的力学性能劣化，导致岩体工程结构的安全性降低，因此，需要对这类结构进行高温后的损伤评估，以制定合理的鉴定、加固、修复及评价方案。为了进行鉴定和修复，首先，需要 明确岩石在遭受不同温度作用后的力学性能， 这对于火灾损伤结构的全过程分析和提高岩体结构的安全性具有重要意义。此外，对于遭受突发性高温 (如火灾 )影响的岩石工程，其安全性评估及灾后的修复、加固也需要分析评价高温后岩石性能的变化。 岩体的破坏，通常是由于内部的微裂隙和微孔洞起裂、发展并最终相互贯通形成宏观裂纹引起的。因此，研究岩体中的微裂隙和微孔洞的扩展、演化规律，弄清岩体破坏失稳的机理，无疑是能否正确评价岩体稳定性的关键。近年来，随着损伤力学、断裂力学、渗流力学的引入和应用，加快了裂隙岩体的研究进展，中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2取得了大量研究成果。然而，现有的裂隙岩体损伤模型原理主要侧重从唯象的角度建立损伤力学模型，通过建立损伤演化方程，再基于等效原理建立损伤本构方程 ;而近年来得到迅速发展的岩体细观损伤力学则强调从材料的细观结构出发，对不同的细观损伤机制加以区分，研究材料在外载荷下内部细观结构的变化过程，并通过某种平均化的方法从细观分析导出材料的宏观性质，细观损伤力学适用于对损伤机理的研究和认识，但目前离工程应用还有一定距离。 众所周知，常温常压下，岩石的动态力学特性便与静态力学特性截然不同，那么在高温高压和动载作用下， 岩石的力学性能与破碎特性将表现如何？这是近年来随着深部开采的出现才面临的新的问题，这方面国外刚刚起步，并将成果初步应用于连续采矿机破岩方面，国内这方面则仍是空白。因此，进行高温后或高温作用下岩石力学性质的相关研究对解决矿山深井开采中的一系列问题有着重要的指导意义。 内外研究现状 度效应岩石力学研究进展及评述 岩石是由多种矿物颗粒组成的，广泛分布有原始的微细观缺陷和裂纹，在受热条件下，由于组成矿物颗粒 在热学上表现出的差异性 (如热膨胀的各向异性，热膨胀的不均匀性等 )，使岩石的内部发生了相应的 变化，当这种变化超过了岩石本身的某种限度，细观裂纹随着温度的升高而逐渐扩展、贯通，在一定程度上表现出材料受力性能的劣化直至破坏，说明温度对岩石造成了损伤。参考国内外相关文献， 部分学者对高温高压下岩石的静力学特性进行了相关研究。 早在 1964年， 开始了对花岗岩的热物理特征研究。 对花岗岩受不同温度热处理后的某些力学性质进行了考察； 等 (1982)对岩体中热应力的非线性进行了分析； 寇绍全4研究了 20 600不同温度热处理对 果表明 :岗岩的力学性质特征量随热处理温度升高有非同寻常变化，产生这些变化的机理尚不清楚，需要从内部细观结构损伤来解释； 对花岗岩在高温下的脆韧性转变行为进行了分析；张静华6、王靖涛7分别对花岗岩断裂韧度的高 温效应作了研究；李长春等8对考虑温度效应的岩石损伤本构关系作了研究； 研究了宏观唯象下的热塑性本构关系； 出了岩石在脆韧性转变区的剪切破坏准则； 0研究了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度随温度的变化规律以及破坏准则；席道瑛11等研究了温度对花岗岩、大理岩的模量和波速的影响；刘泉声、许锡昌等12研究了温度作用下三峡花岗岩力学性质及损伤特性；刘亚晨、吴玉山中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3等13研究了核废料贮存裂隙岩体水热耦合迁移 及其与应力的耦合分析。 (1979)、 (1981)、赵志丹等 (1996)、谢鸿森等 (1997)、周文戈等 (2000)14高温高压下岩石弹性波速、热导性、比热、热交换系数等物理特性进行了研究； 1984)、 1986)、 1987)、 王绳祖等 (1995)、陈颙等 (1999)、赵阳升等 (2004)17不同岩石不同温度下岩石的脆延转变及热处理后的岩石力学性质进行了研究。 22(2000)对 10 种不同的沉积岩进行了温度从 18h)到+18 (6h)为一个循环的循环冻融试验，得到 不同种类沉积岩破坏时所经历的冻融循环次数，分析了冻融后岩石的质量损失，并提出岩石已有缺陷对岩石影响的4 种岩石劣化模型，试验得到的结果可以用于为岩石耐久性试验挑选岩样，特别是强度较高的坚硬岩石。 刘泉声、白世伟23(2002)研究了花岗岩的时温等效原 理及其在核废料地下贮存中的应用，运用热力学内变量理论对三峡花岗岩进行了分析，应用时温等效原理推导了相应的方程，并建立了热粘弹特性的本构方程。 许锡昌24(2002)通过对花岗岩在 20 600范围内基本力学性质的研究，探讨了弹性模量、单轴抗压强度以及 泊松比随温度的变化规律，发现 75和200分别为花岗岩弹性模量和单轴抗压强度 的门槛温度。以弹性模量为研究对象，提出了热损伤的概念，并给出了热损伤本构方程的一般表达式；在 推导了一维 合弹脆性损伤本构方程和损伤能量释放率的表达式；参照经典塑性力学的屈服面理论，引入了温度作用下应力空间中脆性岩石的损伤面模型，定性地讨论了荷载和温度影响下损伤面时的演化规律。 杨更社等25(2002)通过取自陕西黄陵矿区的 3 种不同类型初始损伤的岩石试样循环冻融并进行 描试验，对岩石材料在循环冻融条件下的损伤扩展特性进行研究，着重探讨了循环冻融次数对岩石材料损伤扩展的影响 ;并对循环冻融条件下岩石损伤扩展本构关系进行了探讨。 夏小和等26(2004)对 100 800温度的大理岩在不同应力水平作用下进行超波传播特性的实验研究。采用分组单独加温后，利用压力超声探头在50B 型刚性岩石实验机上直接测定声波特性参数的方法，取得了 060载范围内的大理岩纵波速 温度 T 变化的有效实验数据。在统计分析的基础上，进一步探讨了大理岩的 特性以及影响大理岩 关系的主要力学及物理原因。 综上所述， 中外的研究者们对在温度作用下或温度作用后的岩石力学特性研究方面都做出了许多有益的工作，积累了丰富的经验。但以上研究大多从静力学角度出发，很少从动态方面研究岩石的力学特性，从而无法了解岩石在动载荷作中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4用下与其所受温度之间的确切关系。因此，研究岩石在高温处理后的动态力学特性及破坏机理是非常必要的。 石动态力学特性研究进展及评述 石动态力学特性研究 岩石动态力学特性的研究主要是通过分析应力脉冲或冲击载荷作用下的岩石破裂特性来实现。而岩石破碎、油井致裂、高速冲击、打桩、弹丸撞靶、常规爆炸下的防护等工程领域和一些诸如地震、滑坡、岩爆等灾害性自然现象，几乎都与应力脉冲或冲击载荷作用下的岩石破裂和应力波在岩石中的传播有关。 岩体对动载荷产生的振动所反映出 的力学特性，弹性波 (应力波、地震波、声波和超声波等 )在岩体中的传播特性都属于岩体的动 力学特性，反映在研究领域则表现为研究岩石的动力特性， 而岩石动力学的产生和发展则提供了一个有力的研究工具。 岩石动态力学性质与本构关系研究 各种动载荷作用下所引起的地运动的预报以及对岩石结构建筑物破坏的预报，要是中结构物的抗爆炸破坏能力的估计，以及这些结构物的合理设计等要求充分地掌握岩石和岩体的动态力学性质、本构关系，特别是在爆炸载荷作用下的本关系， 它是研究岩石爆破机理、 应力波传播规律、 防护工程设计以及地震工程、岩土基础工程等所必需的重要资料27。 对岩石动力特性，人们研究较多的是材料对加载速率的响应。文献 28系统地研究了加载速率在 102岗岩的破坏特征，得出了强度随加载速率变化的规律，并提出了花岗岩的动力破坏准则。文献 29利用高压动三轴仪，分别以 10 得破坏强度与加载速率的关系。李海波、赵坚30等也曾作了动态压缩性试验。试验结果表明：单轴动载荷作用情况下岩样呈锥型破坏模式（劈裂破坏和试样端部摩擦效应结合），三轴情况下岩样呈剪切破坏模式；当应变速率从 00岗岩的抗压强度约增加 实验结果还表明，花岗岩的弹性模量和泊松比随应变速率的增加没有明 显的变化趋势。李夕兵31用 岩石动力学试验设备研制 岩石动力学试验技术是岩石动力学理论及其工程应用研究的基础， 而试验设备是岩石动力学研究的武器与手段。在学科发展的需求和推动下，我国岩石动力学研究设备也不断推陈出新。 中国科学院武汉岩土力学研究所研制的 岩石高压动力三轴仪中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 529，轴向荷载达 轴围压达 1000的研制成功为我国研究岩石或其他固体材料在中等应变速率下的动力学性质与高压下的静力学性质提供了一台重要的试验设备，特别是对爆破、地震、防护工程的设计提供了可靠的研究手段。工程兵三所研制的系列单轴动载机为我国防护工程研究也做出了巨大贡献。 01 104/南大学在 1983年研制了直径为 2238国科技大学的直径为 37京科技大学的三轴 置均具代表性。随着防护工程、采矿工程、爆破工程中理论研究与实践活动的不断深入， 置在加载方式上由最初的单轴向三轴压缩、拉伸及扭转方向演化发展。不同口径的轻气炮，也是研究岩石材料在更高应变速率下的动力特性的重要手段，我国在核防护技术上用该设备获得许多成果。各种冲击振动标定台、光弹仪、高速摄影机、爆炸洞试验室等等，均在岩石动力学科研究中发挥了重要作用。 随着计算机与电子技术的高速发展， 与加载设备研制同步发展的记录设备也在不断发展，例如实验过程的记录由早先的示波器，已经演变成试验、储存、分析、结果可控可视化。 岩石动力学在工程中的应用 岩石冲击动力学主要以岩石在冲击载荷作用下的本构特征和应力波在岩体中的传输为学科主线，因此，应力波在岩体介质中的传播特性及应力波在岩土工程中的应用应视为岩石冲击动力学的主要内容。 应力波在岩土工程中的应用很广几乎渗透到了岩土工程中的各个方面，应力波理论在爆破工程、冲击破岩、桩基工程及在预测防止地震、岩爆、滑坡等灾害性自然现象中都应用广泛 石动态本构模型 以往的研究表明， 岩石动态本构模型是分析岩体结构对动载荷作用响应的基本参数34 36；岩土类材料的变形不仅与所受应力状态有关，而且与加载速率有关37 40。 综观上世纪 70 年代之前考虑应变率效应的本构方程，基本上可以分为两类，即对数方程类 ( 和指数方程类 ()。 根据文献 39，早在 1951年最先提出了过应力模型，应力由应变和应变率 & 决定，但模型中有关参量的物理意义不够明确。为此， 1974 年文献 40又提出了如下所示的过应力模型： )(= (1 1) 式中： A， B 为常数，物理意义仍不明确。 20 世纪 80 年代日本木下重教、佐藤一彦、 川北稔以及我国的于亚伦39等中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 6根据石灰岩、凝灰岩、砂岩、磁铁矿和花岗岩等的实验结果，认为岩石的冲击本构特性可以用宾厄 (E. C. 型来描述，该模型通常又称为过应力模型，如图 1示。 图 1应力模型 过应力模型的本构方程为 1+=（ 1 2） 原始的过应力模型认为式中参数 E， S 分别为静态压缩破坏强度后的弹性模量和应力 (如图 1示 )，经过修正的过应力模型认 为它们对应于动载应力 n， 为不同岩石的固有常数。 过应力模型的明显缺陷就是不能反映弹性模量随加载率而变化的特征。 文献 37建议的粘弹性连续损伤本构模型是一 个非常值得关注的岩石动态本构模型。首先它将岩石看成某种粘弹性体，再假设整个粘弹性体在变形过程中受到了连续损伤，也就是将粘弹性模型推得的应力 )( )1/()( 取代 , )(由粘弹性模型确定， D 为损伤参量， )/(1)/(100 += ， 为应变，0 和 m 是与材料性质和形状相关的 布参数。 如果选择图 1示的标准线性粘弹性模型，则它的本构方程为 d)(0110+= （ 1 3） 式中：11/ 。 再考虑损伤后，本构方程变为 图 1应力模型的本构方程解析图 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 7图 1准线性粘弹性模型 d)1()(0110+= （ 1 4） 在恒应变率条件下， &=)( ，上式可以进一步变为 )/(1)/(1000+= & （ 1 5） 该式可以在一个比较窄的应变率范围 (原文没有说明具体的范围 )内模拟本构曲线以及强度和弹性模量的应变率效应，但无法体现在应变率 103/s 时强度和弹性模量的突然增加。为此，他们进一步建议采用图 1- 4 所示的广义流变模型，损伤的处理与上述方法相同，结果比较全面地反映了岩石变形的应变率效应。 文献 37建议的模型，特别是改进的模型，参数很多，参数确定颇为费事，且需要大量的不同应变率的实验。此外，该模型在物理概念上还有一些模糊，因为粘弹性体是由弹性元件和粘性元件组成的，弹性固体元件可以受到损伤，而粘性液体元件不会受到损伤，让整个粘弹性体的应力 )(用 )1/()( 取代， 图 1义流变模型 意味着在变形中粘性元件也受到了损伤，即粘缸在变形中断面也缩小了，故该模型尚需商榷。 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 8文 39在此基础上将统计损伤模型和粘弹性模 型相结合，建立了岩石冲击破坏的时效损伤模型，认为岩石单元同时具有统计损伤特性和粘性液体的特性，把岩石试件看成损伤体 粘缸 粘缸 图 1本构关系为 图 1 5 时效损伤模型 += （ 1 6） 对时效损伤模型的本构关系进行数值计算需要确定 4 个参数： E， m， ， 。这 4 个参数的确定往往需要分析实测的应变波形，并且不可避免地需要一定的试算。通常 E 与岩石的动载应力 说明 E 的确能够表示未损伤岩石的初始弹性模量， m 表示 布曲线的形状系数，一般它在 1 附近变化， 一般位于峰值应力对应的应变与平均应变之间， 的变化范围一般为 应变 和应变速率 d/当用实测数据。 利用时效损伤模型计算得到的本构曲线与实验数据具有较好的一致性，但是该模型不能反映岩石的初始受力状态的变化。 综观以往研究，考虑应变率效应的本构方程的研究大致可以分为四大类： （ 1）经验和半经验方法41,42。在由实验得出的规律的基础上，或在由实验得出的规律与某种理论分析的基础上，建立表达岩石材料