基于细观结构表征的岩石破裂热–力耦合模型及应用

 岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热–力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。     

不同温度下褐煤裂隙演化的显微CT试验研究

利用显微CT系统直观地研究褐煤从20℃～600℃裂纹的演化扩展过程,对原生裂纹和新生微裂纹的扩展演化进行详细的分析研究。研究结果表明:20℃～100℃,褐煤热破裂程度中等,只有很少的微裂纹产生;100℃～300℃热破裂剧烈,原生裂纹扩展延伸,且产生许多微裂纹,新旧裂纹扩展、延伸、搭接形成裂隙网络;300℃～500℃裂纹的扩展很缓慢;500℃～600℃,裂纹有闭合的趋势。随温度升高,微裂纹易沿层理方向产生于软煤质中,止裂于硬质带边缘,部分垂直层理方向的裂纹会在硬质带边缘分叉后沿层理方向扩展,裂纹沿层理方向的扩展速度远大于垂直层理方向的。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

花岗岩高温高压损伤破裂细观机制模拟研究EI北大核心CSCD

为了探究花岗岩高温高压损伤破裂细观机制,使用颗粒流程序(PFC)中的晶粒模型(GBM)单元开展高温作用后花岗岩常规三轴压缩模拟,分析应力-应变曲线、强度特征及破裂模式随围压及温度演化,研究其破裂过程,研究结果表明:GBM模型可以反映晶粒间的嵌锁效应,较好地模拟花岗岩劈裂、三轴压缩过程以及真实的花岗岩拉压比和强度随围压非线性特征,一定程度上克服了圆形颗粒嵌锁力不足的问题。不同围压下试样峰值强度随温度升高总体呈现先基本不变后迅速下降的趋势,450℃为阈值温度。莫尔–库仑准则回归得到的内摩擦角及黏聚力随温度总体呈先增高后降低趋势,且花岗岩强度参数的变化与其受力结构密切相关。当石英发生α-β相变后(573℃),花岗岩内产生大量穿晶裂纹及晶粒边界裂纹。单轴压缩下,试样的破裂特征受到热裂纹控制,峰后呈延性破坏;而高围压下,剪切带穿过晶粒,导致试样峰后产生脆性破坏。     

岩石单轴抗压强度与破裂特征的化学腐蚀效应

通过对几种岩性岩石在化学腐蚀下单轴压缩破裂过程的细观力学试验，探讨了不同化学溶液对几种岩性岩石单轴抗压强度的腐蚀效应，获得了裂纹扩展过程的显微与全场图像，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂特征和腐蚀机理，从而为岩石化学损伤力学模型的建立和岩体工程的长期稳定性评价提供了科学依据。     

基于经纬分析法研究热损伤岩石的非均匀性和各向异性

通过对岩石进行500℃高温的热处理,使岩石内部产生大量细观裂隙。采用电镜扫描观察热破裂岩石内部的细观裂隙分布并对细观裂隙进行重构,提出一种经纬分析法研究热破裂岩石细观裂隙的非均匀性和各向异性,并且确定了经纬分析法的最优网格间距。结果表明:网格间距显著影响热损伤岩石非均匀性分析结果的准确性,网格间距越小,准确性越趋于稳定。当网格间距为200μm时,既能保证非均匀性分析结果可信,又能提高分析效率。与此相对,网格间距对热损伤岩石各向异性分析结果的准确性不产生明显影响。通过对比分析,对于500℃高温热损伤花岗岩,采用200μm的网格间距最为经济合理。     

甘肃北山地区深部花岗岩的热开裂试验研究

 通过岛津SEM全数字液压高温疲劳试验系统,实时观察不同温度下北山花岗岩的热开裂过程,获得北山花岗岩的热开裂临界温度为68 ℃～88 ℃。在较低温度时,北山花岗岩热开裂以沿颗粒热开裂为主;在较高温度时,热开裂以穿颗粒热开裂及沿颗粒穿颗粒混合热开裂为主。热开裂不仅受到矿物颗粒的热膨胀性质不匹配及热膨胀各向异性的影响,还受到矿物颗粒的物理、力学、热学性质及矿物颗粒形状结构的影响。而花岗岩内流体包裹体也可能是影响北山花岗岩热开裂的一种重要因素,这是种新的影响机制。在微细观层次对热开裂模式进行分类,并由热开裂的分形模型定量解释沿颗粒和穿颗粒热开裂等发生的难易程度。当温度升高超过250 ℃时,北山花岗岩有可能存在热熔效应,这导致热开裂裂纹数有减少趋势,并且温度与其对应的热裂纹数量的统计关系符合Gauss曲线关系。     

高温环境下花岗岩损伤演变及量化研究

为揭示高温环境下岩石的损伤演变,将花岗岩加热至600℃、800℃、1 000℃并分析其断口形貌特征,采用数字图像处理技术、损伤力学和“损伤微元”理论,结合各温度下花岗岩细观裂纹特性,建立了岩石损伤评价方法,并开展岩石损伤量化研究。结果表明：花岗岩的断口特征与裂纹的萌生和扩展相关,且裂纹数量、分布密度随温度上升而增加;各温度区间下,花岗岩细观裂纹长度服从对数正态分布,内部损伤表现形式以短裂纹为主,长裂纹为辅;不同温度下花岗岩细观裂纹由单方向延伸发育成多方向贯穿,最高损伤度和温度呈正相关。该研究揭示了高温下花岗岩内部裂纹损伤演化规律,该损伤评价方法对高温地层岩石稳定性评估和地下工程的维护具有重要的参考价值。     

非均质细胞元随机分布对高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究

在平面应变模型下,以花岗岩为样本,采用随机介质固热耦合数学模型及有限元方法进行了高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究。在指数分布、韦泊分布2种随机分布和温度的作用下,研究了材料非均质性对岩石介质中裂纹扩展的影响,并对岩石热破裂做了详细研究,揭示了概率分布形式、分布参数.时间与花岗岩样本的热破裂过程的变化规律。     

花岗岩试件三点弯曲试验裂纹扩展数值模拟

通过运用岩石破裂过程分析(RFPA^20)系统，对花岗岩试样三点弯曲试验裂纹的扩展进行了数值试验。数值试验结果表明：在对花岗岩试样加载过程中，裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律，即该裂纹扩展为沿晶扩展；由于花岗岩本身的非均匀性，局部的裂纹扩展呈现出曲折性。数值模拟结果与相关试验结果具有较好的一致性。