深部工程温度路径与围压对岩石脆-塑转变机制的影响

It is a hot issue to engineering geology and rock mechanics research department to study the rock engineering properties and engineering application under or after environment of high temperature at present. A lot of experiments and explorations have been carried out, and the physical and mechanical properties of rock under high temperature have been studied. However, the study on ductile-brittle transition mechanism of rock under high temperature demand further breakthrough. Based on the temperature path, loading rate, confining pressure of different causes, mineral composition and structural characteristics of the rock test, multi physical field test and analysis technology, and analysis of rock failure mode under high temperature, This study aims to present the progressive failure mechanism of thermodynamics damage and sensitive threshold temperature which can reflect the characteristics of miner change. Micro - macro response mechanism of rock failure after high temperature , brittle-plastic transition mechanism under high temperature and recognition method of brittle-plastic transition were given through 2D and 3D imaging and reconstruction method, constructing 2D and 3D TM damage evolution model based on renormalization theory and the study of the microscopic mechanism of thermal damage of rocks according to the minerals lattice dynamics and thermodynamics theory.

开展高温环境下或高温后的岩石工程特性及工程应用研究是工程地质和岩石力学亟待开展的热点。尽管前人进行了大量试验和探索，并针对高温作用下岩石的物理力学特性有了较深入的研究，但对高温作用下的岩石脆-塑性转变机制等仍有待突破。本课题拟通过考虑温度路径、加载速率、围压的不同成因、矿物组成和结构特征的岩石试验，基于多物理场测试分析技术和微-宏观测试手段进行高温作用下岩石破坏模式分析，提出反映矿物变化特征的岩石热力学损伤累进性破坏机制和敏感性阈值温度，通过二维、三维成像技术及重构方法，基于重整化理论构建二维和三维条件下的TM损伤演化模型，在矿物晶格动力学与矿物热力学理论进行岩石热损伤的微观机制研究基础上，给出高温作用下岩石破坏的微-宏观响应机制，揭示高温作用下脆-塑转变机制，提出岩石脆-塑性转变的识别方法。

岩石热损伤研究对煤炭地下气化开采、放射性核废料地质深埋处理、地热资源开发和深部地下空间利用等涉及高温环境的岩石类工程具有重要的理论意义和工程应用价值。选取地球岩石圈中典型的灰岩、砂岩和花岗岩作为研究对象，通过室内试验和理论分析研究了三种岩石经历高温作用后(25-900C)的物理力学性质的变化规律，主要研究成果和结论如下：.(1)灰岩的热损伤主要是由于矿物分解和热应力造成的孔洞和细小裂纹的发育造成的，特别是在300C后热应力诱发新裂纹逐渐发育，同时部分矿物逐渐分解，导致矿物晶体结构损伤或破坏，孔隙度快速增大，800C后的明显熔融作用加剧了损伤程度；砂岩在400C前损伤很小，主要由脱水、原始裂纹和孔洞等微缺陷的略微扩展造成，400C后，新裂纹快速萌生、扩展和逐步连通，；花岗岩在200C后微裂纹和孔洞开始发育，孔隙度逐渐缓慢增大，热损伤开始发育，500C后，在热应力和相变的共同作用下，裂纹发育十分迅速，孔隙度快速增大，晶体结构逐渐遭到损伤甚至破坏。.(2)随着温度的逐渐升高，三种岩石的表观颜色在400C后发生明显变化，质量损失率、视电阻率、累计振铃计数、累计能量、渗透系数、电磁辐射等参数在整体上逐步增大，纵波波速、热导率、热扩散系数、固有磁化率逐渐减小。对比各物理参数随温度的变化规律，发现300-500C温度段为岩石热损伤在物理参数上表现出来的临界温度阈值，即大部分物理参数在300-500C温度区间内发生突变。.(3)随着温度升高，岩石的力学性能逐步劣化，如抗压强度、抗拉强度、膨胀应力、弹性模量、泊松比等参数在整体上逐渐变小，坚固程度和硬度逐步劣化，峰值应变、累计振铃计数、累计能量总体上逐渐增大。通过统计发现绝大多数突变点位于300-500C间，当温度达到或超过该阈值后岩石的力学性能迅速劣化。