热力耦合条件下岩石损伤本构理论与变形破坏机理研究

The project will mainly research on the rock damage constitutive theory and failure mechanism in thermo-mechanical coupling condition using theoretical and experimental research, macro and micro analysis. The main research contains: (1)Mechanical characteristics and brittle-ductile transition mechanism of granite under temperature loads will be systematically researched by using macro and micro method. The relationship between micro failure mechanism and macro mechanical characteristics will also be established. (2)The characteristics of rock micropore structure will be researched by analyzing the influnece of temperature on rock fractal dimension of pore distribution based on fractal theory. (3)The differential thermo-visco-elasto-plastic constitutive equation of rock which considers the influence of temperature on elasticity, viscosity and damage will be established based on the Nishihara rheological model by introducing thermal expansion coefficient to describe the thermoelastic deformation, attenuation coefficient to describe the influence of temperature on medium viscosity and damage variable to describe the thermal cracking and damage produced by high temperature. (4)Energy criterion of damage fracture in thermal-mechanical coupling will be established based on damage theory and irreversible thermodynamics. The models will be verified by experimental data. All research findings will provide valuable basic references for solving problems of rock thermodynamics in reposition of nuclear waste, deep resources mining, exploitation of geothermal resources and safety drilling and comprehensive utilization of coal seam gas.

本项目将应用理论与实验相结合、宏观与微观分析相结合的方法，重点研究热力耦合条件下岩石的损伤本构理论与变形破坏机理。主要研究内容包括：（1）应用宏微观实验，研究热力耦合条件下岩石力学性质的演化规律，探讨脆塑性转换微观机制，建立岩石的微观破坏特征及其力学机制模式与宏观特征之间的关系；（2）应用分形理论，分析温度对岩样孔隙分布分形维数的影响，研究岩石微孔隙结构特征；（3）引入热膨胀系数描述岩石的热弹性变形，引入衰减系数描述温度对介质黏性的影响，引入损伤变量描述结构中因高温产生的热开裂、热损伤，综合考虑温度对弹塑性、黏性及损伤的影响，建立一般意义上的岩石热损伤黏弹塑性本构方程；（4）基于不可逆热力学理论，采用连续损伤力学方法，建立岩石热力耦合损伤破坏的能量准则，并用实验数据进行验证。研究结果为核废料的存储、深部资源开采、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有益的研究资料。

随着地热资源的开发、高温核废料处理及遭受火灾后岩体工程的修复、重建，温度影响下岩体的强度与变形特性成为岩土工程界研究的热点问题。本项目应用理论与实验相结合、宏观与微观分析相结合的方法，重点研究了热力耦合条件下岩石的力学特性和变形破坏机理，取得了有价值的研究成果，为工程中的岩石热力学问题提供了有益的研究资料。主要研究成果如下：.（1）高温作用后，岩样三轴压缩应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、软化、残余等几个阶段，岩样的刚度、峰值强度、抗剪强度、残余强度、塑性变形均随着围压的增大而增大；（2）随着围压的增大，岩石储能极限、最大耗散能密度均呈幂指数增长，残余弹性能密度呈线性增加。围压增大了能量输入的强度，提高了能量积聚的效率，提升了岩石破裂重组后的储能能力；（3）工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限两条途径的组合，能量路径斜率越大，越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为；（4）岩样三轴抗压强度、破坏应变能随温度的升高呈二次抛物线关系，400℃为最大值。岩样的主要成分石英、长石、云母三者的最大衍射强度在400℃时达到最大，结合宏观力学试验，可以推断400℃为花岗岩的阀值温度。石英在573℃发生由α石英转变为β石英的可逆反应；长石的差热曲线在700～900℃出现吸热谷，结构发生了由晶态向非晶态的相转变；在997℃时，云母矿物晶格破坏羟基逸出形成钠长石，这些因素共同作用使得岩样力学性能在400℃之后随着温度的升高逐渐劣化；（5）岩样的失稳型式同时取决于围压和温度。随着围压的增大，岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡，失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内，影响花岗岩力学性质的首要因素是温度，其次是围压；（6）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s，岩样吸收的总应变能具有波动性，可释放的弹性应变能增幅60.42%，耗散应变能降幅 66.38%，岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡，岩样破裂块数增多。加载速率为0.001～0.1 mm/s时，岩样破坏方式有所不同，但破坏为同一类损伤过程；（7）岩样破裂的分形维数与加载速率呈线性增大，温度超过600℃，岩样结构晶体改变，温度的影响占据了主要因素，导致分形维数随加载速率变化规律不明显。研究成果为岩土地下扰动、工程爆破等实际工程中岩石力学参数的选取提供了有益的参考价值。