高溫熱處理巖石變形特性試驗與細觀力學分析.pdf

1、深部采礦、地熱資源開發(fā)、核廢料處置以及地下硐室和隧道火災等巖土工程的建設與修復，均涉及高溫環(huán)境巖石力學行為的變化。高溫后巖石的物理力學性質以及巖體結構將發(fā)生改變，且具有不可恢復性，這對地下巖體的應力場以及地下工程的結構安全性有重要的影響，再加上地下水的作用，使巖體處在溫度場-應力場-滲流場三場耦合作用下，更加劇了巖體的損傷劣化，甚至有可能造成生態(tài)環(huán)境的破壞。本文以我國高放射性核廢料地質處置庫首選預選區(qū)—甘肅北山預選區(qū)花崗巖為主要研究對象

2、，通過開展不同溫度熱處理北山花崗巖的物理力學性質測試，并借助偏光顯微和X射線衍射等細觀分析手段，對其宏觀變形、損傷演化以及破壞特征開展了研究。在室內(nèi)巖石試驗成果的基礎上，通過考慮微裂紋壓縮閉合、滑移剪脹和萌生擴展的巖石細觀力學損傷模型，進一步研究不同溫度處理后北山花崗巖在壓縮過程中的損傷演化機理。本文主要取得的研究成果如下：
　　（1）400℃以前，巖樣表觀形態(tài)無明顯變化，隨著溫度的逐漸升高，試樣顏色逐漸加深，1000℃時呈淺棕紅

3、色?；◢弾r質量、密度和縱波波速隨著溫度的升高總體呈下降的趨勢，而體積則逐漸增大，且其宏觀物理性質隨溫度變化呈現(xiàn)出分階段的特征，大致可以將其分為三個階段：①常溫（25℃）~400℃階段；②400℃~900℃階段；③900℃~1000℃階段。北山花崗巖開始發(fā)展熱損傷的溫度閥值分布在400℃~600℃之間，其內(nèi)部礦物結構破壞，宏觀變形特性嚴重劣化的臨界溫度在800℃附近。
　?。?）熱處理北山花崗巖三軸壓縮應力-應變曲線都經(jīng)歷了微裂隙壓

4、密（Ⅰ）、線彈性變形（Ⅱ）、微裂紋穩(wěn)定擴展（Ⅲ）、微裂紋非穩(wěn)定發(fā)展（Ⅳ）以及峰后殘余變形（Ⅴ）5個階段。隨著溫度的升高，花崗巖試樣脆性變?nèi)?，延性增強，屈服點降低，且峰后軟化段越來越明顯，且破壞后仍保持一定的殘余強度?；◢弾r峰值強度隨著溫度升高呈先增加后下降的趨勢，且在200℃時達到最大；峰值應變隨著溫度的升高逐漸增大；彈性模量隨著溫度升高逐漸下降；圍壓的存在，一定程度上限制了溫度對花崗巖峰值強度、峰值應變、彈性模量的劣化影響。
　

5、?。?）熱處理北山花崗巖的熱損傷變量DT隨著溫度的升高而增加，但在200℃時，DT略有下降，且呈現(xiàn)負值。隨著溫度的升高，花崗巖礦物的最大衍射強度先增大后減小，并且?guī)r石內(nèi)部結構越來越破壞，各種裂紋的發(fā)育程度也越來越高，且無規(guī)律性，礦物鏡像逐漸變暗，但在200℃時微裂紋有閉合的趨勢。
　　（4）變形特性試驗數(shù)值模擬結果表明，巖石細觀力學損傷模型能較好地描述不同圍壓和溫度條件下北山花崗巖的主要力學特征，反映了不同熱處理溫度下花崗巖應力-

6、應變曲線峰前的四個典型階段的變形特征。隨著溫度的升高，壓密段逐漸延長、線彈性段的裂紋法向剛度逐漸減小以及裂紋萌生與擴展階段的塑性特征增強。剪脹角ψc、初始損傷密度d0的敏感性較強；裂紋法向剛度kn0對壓密段和線彈性段的敏感性較大；c1只對Ⅳ裂紋階段有較強敏感性，但較ψc、d0及kn0要小。
　?。?）在低溫低圍壓條件下，熱處理北山花崗巖的破壞形式以張拉劈裂為主，且試樣破壞后極為破碎，在破壞面附近存在多條貫通的軸向裂紋；而在高溫和高