考虑温度效应的岩石动态损伤及能量耗损特征研究

Temperature is the one of important factors that affects rock mechanical properties in deep rock mass engineering. It is necessary to study and understand mechanical and energy dissipation properties of rocks under different temperatures and dynamic loads condition to meet the increasing demands of deep mining, nuclear waste disposal and development and utilization of geothermal. The researches of this program focus on dynamic damage characteristics of rocks under temperatures. The impact damage experiment of rocks will be conducted on coupling effects of temperature and pressure experiment system in order to discuss the affect of temperature for dynamic damage, microscopic characteristic parameters and energy dissipation characteristics of rocks. Based on rock dynamic, damage mechanics theory, fractal theory and numerical modeling, the quantitative relationship between energy dissipation and dynamic damage characteristics of rocks under temperature are analyzed and the mechanism of dynamic damage is revealed under different temperature. In this research, the rock damage evolution equation and constitutive model are given with considering the effect of Temperature. In addition, the relation between the parameter of microscopic characteristics and energy dissipation rules will be established in order to obtain energy consumption equation. The research will provides theoretical basis for control of thermal effect rock crushing method in deep rock masses and related engineering.

温度是影响深部岩体工程的重要因素之一。深部矿床开采、核废料存储和地热的开发利用等重大工程在开挖建设过程中都需要掌握岩石在高温高应力和动载荷联合作用下的力学特征和能耗规律。本项目紧密围绕温度作用下岩石的冲击损伤特性这一研究主题，利用温压耦合及动力扰动实验系统,开展不同温度作用下的岩石冲击损伤实验，旨在探讨温度作用对岩石冲击损伤力学参数特征、细观特征参量及能耗规律的影响。项目以冲击动力学、损伤力学理论、分形理论、数值仿真等多种理论和分析方法为手段，获得不同温度作用下的高应力岩石细观特征参量、初始损伤、能量耗散及冲击载荷的量化关系，确定损伤变量的定义和描述方法，阐明温度作用下高应力岩石冲击损伤破坏机理，并建立考虑温度效应的岩石动态损伤演化方程和本构模型，探索温度作用下岩石损伤细观特征参量与能量耗散的联系并建立能耗方程。本项目的研究成果将为深部岩石工程开挖及防灾中的温度效应控制提供可靠的理论基础。

深部岩体处于高温和高地应力环境条件下，同时在深部采矿过程中还要承受着爆破崩矿、机械凿岩和高阶段落矿等动力扰动，这使得以冲击矿压、岩爆、突水、顶板大面积垮落为代表的深部灾害更具突发性，而岩体变形破坏实质上就是一个损伤逐步累积和不断与外界进行能量交换的过程，因此开展一系列考虑温度效应的岩石动态损伤及能量耗损特征的研究显得尤为必要。. 在项目实施阶段，研究团队首先开展了高温作用对岩石基本物理力学性质的影响研究，结果表明随着处理温度的升高，岩石的密度和纵波波速减小、热膨胀系数增大，辅以电镜扫描的方法观测到高温作用后岩石内部微裂纹的扩展和颗粒间结构的断裂，这些证据均表明高温使岩石内部结构产生了较大的损伤。同时，为进一步明确高温作用对岩石宏观力学特性的影响，我们还分别开展了高温状态下和高温后岩石的静态压缩力学特性对比试验，高温后花岗岩的动态拉伸力学特性研究以及温压耦合与循环冲击扰动下高温岩石的损伤力学特性试验，并得到以下重要结论：（1）高温对岩石强度具有明显的劣化作用，随着处理温度的升高岩石的抗压和抗拉强度均持续降低，并且相比于高温处理后的岩石，高温状态下岩石的强度劣化作用更为剧烈，岩石的脆-延转化温度也更低；（2）在一定范围内，岩石具有明显的应变率强化效应，轴压也会对高温岩石的抗冲击能力有所提高；（3）循环荷载作用下，随着冲击次数的增加，岩石的抗压强度逐渐降低，损伤值持续增大，并且在最后一次冲击时岩石强度急剧下降，发生突变破坏，随着处理温度的升高，岩石能够承受循环冲击的次数也在不断减少；（4）动态加载过程中，低温岩石的破碎程度与其能量吸收值成正相关，但是随着处理温度的升高，岩石内部结构损伤严重，即使能量吸收值很小，岩样也会发生粉碎性破坏。以上结论均表明温度与疲劳荷载对岩石强度产生了明显的劣化作用。此外，基于试验数据，我们在常规损伤演化方程的基础上引入温度影响因素，构建了考虑温度效应的岩石动态损伤本构模型，模型计算结果与试验曲线具有较好的一致性，并且在模型参数中岩石黏度系数随着处理温度的升高而持续降低，这也从另一个方面也表明了高温对岩石的劣化作用。这对今后采用理论模型法研究高温岩体的动态力学特性有着重大的意义。