岩石温度-化学耦合作用下力学性能及实验研究
岩石热应力及其影响因素的试验研究与数值模拟

岩石热应力及其影响因素的试验研究与数值模拟岩石作为地球深部的主要构成物质,在地壳运动和高温高压环境下承受着巨大的热应力。
研究岩石热应力及其影响因素对理解地壳构造演化、岩石变形与破裂等地球科学问题具有重要意义。
本文将通过试验研究和数值模拟的方法,对岩石热应力及其影响因素进行探讨。
1. 研究方法为了研究岩石热应力及其影响因素,我们采用了实验室试验和数值模拟两种方法相结合的方式。
实验室试验通过设定不同的温度梯度和载荷条件,测量岩石样本的变形和破裂情况,获取岩石在热应力作用下的力学响应。
数值模拟则通过建立适当的数学模型,将岩石的物理性质和实验条件输入计算机,通过模拟计算得到岩石热应力的分布和变化规律。
2. 岩石热应力的影响因素岩石热应力受到多种因素的影响,主要包括温度梯度、载荷条件、岩石物理性质等。
首先,温度梯度是岩石热应力的主要驱动力。
当岩石受到不均匀的温度变化时,会产生热胀冷缩的应力。
其次,载荷条件也会对岩石热应力产生显著影响。
外界施加在岩石上的力或应力会改变岩石的应力状态,从而影响其热应力的分布和大小。
最后,岩石的物理性质也是决定热应力的重要因素。
不同的岩石具有不同的热膨胀系数和热导率,这会直接影响岩石在热应力作用下的变形和破裂行为。
3. 实验研究为了深入了解岩石热应力及其影响因素,我们进行了一系列的实验研究。
首先,我们选择了几种常见的岩石样本,如花岗岩、页岩等,并在实验室中进行了加热实验。
通过在样本上设置不同的温度梯度和载荷条件,我们观察并记录了岩石的应力状态和变形情况。
实验结果显示,温度梯度和载荷条件对岩石热应力的影响显著,较大的温度梯度和载荷会导致岩石的热应力集中和增大。
此外,不同种类的岩石具有不同的热应力响应特征,这与其物理性质和组成有关。
4. 数值模拟为了进一步探究岩石热应力及其影响因素,我们进行了数值模拟。
通过建立岩石的数学模型,输入实验条件和岩石物理性质等参数,我们可以在计算机上模拟得到岩石的热应力分布。
岩石黏聚力对力学特性的影响试验研究与应用

岩石黏聚力对力学特性的影响试验研究与应用岩石是地球构成的基础性材料,其力学特性对于地质工程和土木工程具有重要影响。
岩石中存在的黏聚力是决定岩石力学特性的关键因素之一。
本文将对岩石黏聚力对力学特性的影响进行试验研究和应用讨论。
1. 引言岩石的黏聚力是指岩石颗粒间由于吸附或化学反应而产生的内聚力,也被称为强度参数。
黏聚力是岩石的基本力学参数之一,影响着岩石的稳定性、强度和破坏性。
因此,了解岩石黏聚力对力学特性的影响对于地质工程和土木工程的设计和施工具有重要意义。
2. 实验方法为了研究岩石黏聚力对力学特性的影响,我们可以采用以下实验方法:2.1 剪切试验剪切试验是一种常用的评价岩石力学性能的方法。
通过在岩石样本上施加正应力和剪切应力,可以得到岩石的抗剪强度和剪切变形特性。
在进行剪切试验时,可以调整样本中的黏聚力参数,并观察其对于岩石的强度和变形行为的影响。
2.2 压缩试验压缩试验是评价岩石抗压强度和变形特性的重要实验方法。
在进行压缩试验时,可以调整岩石样本中的黏聚力参数,然后施加压力,记录压力-变形曲线,以及岩石的抗压强度和变形模量。
通过比较不同黏聚力参数下的试验结果,可以评估黏聚力对于岩石力学特性的影响。
3. 实验结果与分析通过实验方法的应用,我们可以得到不同黏聚力参数下的试验结果。
例如,在剪切试验中,我们可以发现随着黏聚力参数的增加,岩石的抗剪强度也会增加。
此外,较高的黏聚力参数还会导致岩石在剪切过程中产生较少的变形和裂纹扩展。
类似地,在压缩试验中,较高的黏聚力参数会使岩石具有更高的抗压强度,并且在受力过程中表现出更小的侧向膨胀。
这表明岩石的黏聚力对于其力学特性具有显著的影响。
4. 应用与展望岩石黏聚力对力学特性的影响在地质工程和土木工程中具有广泛的应用。
通过深入了解黏聚力参数的变化对于工程设计与施工的影响,可以更好地预测和控制岩体的稳定性和固结行为。
例如,在隧道工程中,适当调整岩石样本中的黏聚力参数,可以有效减少隧道开挖过程中的塌方与裂隙扩展问题。
高温高压条件下的岩石变形实验研究

高温高压条件下的岩石变形实验研究在地球深处,高温高压是普遍存在的条件。
在这种极端环境下,岩石经历了巨大的变形和改变。
研究岩石在高温高压条件下的变形过程,对于理解地壳运动、地震活动以及资源勘探等方面都具有重要的意义。
本文将重点讨论高温高压条件下岩石的变形实验研究,并探讨其应用。
一、高温高压实验装置高温高压实验需要一个可以模拟地球深部环境的装置。
一种常用的装置是高温高压石英容器。
石英容器具有较高的熔点和较好的耐压性能,可以承受高温高压的作用。
实验时,将待研究的岩石样品置于容器内,通过加热和增加压力,可以使岩石样品达到高温高压条件。
二、高温高压下的岩石变形实验1. 岩石的变形类型在高温高压条件下,岩石的变形主要表现为塑性变形和蠕变变形。
塑性变形是指岩石在外力作用下产生永久性变形,而蠕变变形是指岩石在恒定应力下随时间发生变形。
通过实验可以观察到不同类型的岩石变形过程,并研究其机制。
2. 实验参数的选择在进行高温高压岩石变形实验时,需要选择合适的实验参数。
温度、压力和时间是重要的参数。
温度的选择根据所模拟的地球深部环境来确定,一般高温可达数百摄氏度。
压力根据实际需求来确定,可以通过增加石英容器内部的液体或气体来增加压力。
时间的选择考虑到实验的持续性和观察的需要。
3. 实验结果的分析通过高温高压岩石变形实验,可以得到大量的数据。
这些数据可以通过各种仪器和设备进行测量和记录。
实验结果的分析可以采用图表等形式展示,以便更好地理解岩石在高温高压条件下的变形过程。
同时,还可以通过比对实验结果和理论模型的差异,进一步验证和修正现有的理论。
三、高温高压岩石变形实验的应用1. 地壳运动和地震活动岩石在地壳运动和地震活动中起着重要的作用。
通过高温高压岩石变形实验,可以模拟地震过程,研究岩石在高温高压条件下的变形行为,从而深入理解地震的产生机制和发展过程。
2. 资源勘探高温高压岩石变形实验对于资源勘探也具有重要意义。
通过模拟地球深部环境,可以研究岩石在高温高压条件下的变形特征,对石油、天然气等资源的勘探与开发提供有价值的参考。
THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展

THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展随着科技的不断发展,THMC(热-水-力-化学)多场耦合作用在岩石力学领域中的应用日益广泛。
THMC多场耦合作用是指热、水、力、化学等多种因素相互作用影响岩石力学性质的现象。
在岩石力学实验与数值模拟研究中,THMC多场耦合作用下的岩石力学性质成为研究的热点之一、本文将介绍THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究的最新进展。
一、THMC多场耦合作用下岩石力学实验研究进展1.热-水-力-化学耦合实验平台的建立:近年来,越来越多的研究者开始搭建热-水-力-化学(THMC)耦合实验平台,用于研究岩石在多场耦合作用下的力学性质。
这些实验平台不仅可以控制温度、水分、应力等多个因素,还可以监测岩石的物理化学变化,为研究THMC多场耦合作用下的岩石力学性质提供了良好的实验条件。
2.THMC多场耦合作用下岩石强度实验研究:研究者通过实验方法,探讨了THMC多场耦合作用对岩石强度的影响。
实验结果表明,热-水-力-化学多场耦合作用可以显著影响岩石的强度和破坏模式,对岩石的稳定性和安全性产生重要影响。
3.THMC多场耦合作用下岩石渗透性实验研究:研究者还通过实验方法,研究了THMC多场耦合作用对岩石渗透性的影响。
实验结果表明,热-水-力-化学多场耦合作用会导致岩石渗透性的变化,进而影响地下水流动和岩石的稳定性。
1.基于离散元法的THMC多场耦合作用下岩石模拟:离散元法是一种用于模拟岩石颗粒间相互作用的方法,可以很好地模拟THMC多场耦合作用下岩石的行为。
研究者利用离散元法开展了大量的数值模拟研究,揭示了THMC多场耦合作用对岩石结构、力学性质和破坏模式的影响。
2.基于有限元法的THMC多场耦合作用下岩石模拟:有限元法是一种广泛应用于岩石力学领域的数值模拟方法,能够准确地描述THMC多场耦合作用下岩石的力学行为。
研究者对THMC多场耦合作用下的岩石进行了有限元分析,从而揭示了多场耦合作用对岩石应力、变形和破坏的影响规律。
岩石力学特性研究 – 试验和模型分析

(平、剖面图)
数学、
力学
分析
法
水压力、地震力等)
(现场试验、模拟试验)
开挖后的重分
布应力、大小
力学模型建立(介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理…..)
稳定性分析计算(刚体极限平衡理论、有限元…..)
安全系数
工程设计要求
综合评价
稳定、合理
反馈分析
监测
工程设计
施工
试
验
法
不稳定、不合理
处理方案或修改角
岩浆岩具有较高的力学强度,可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但
各类岩石的工程性质差异很大。如喷出岩:玄武岩,安山岩,流纹岩等;侵入岩:
花岗岩,橄榄岩,闪长岩等。
2. 沉积岩
─ 碎屑岩的工程地质性质一般较好,但其胶结物的成分和胶结类型影响显
著;
─ 粘土岩和页岩的性质相近,抗压强度和抗剪强度低,受力后变形量大,
✓ 不规则试样
Rt
Pm ax
V 2/3
V :所试验试件的体积(m3)
▪
岩石的抗拉强度比抗压强度小的多,约为抗压强度的1/10~1/4,根据
岩石的类型而异。
31
二、岩石室内常规试验
3. 单轴压缩试验
岩石的抗压强度:岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值,它在数值上等
于破坏时的最大压应力。岩石的抗压强度一般在实验室内用压力机进行加压
•岩体流变与长期强度问题
•岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理
19
3.著名期刊
岩
石
力
学
国际岩石力学学会(ISRM)主办的国际岩石力学与采
矿科学学报(International Journal of Rock Mechanics and
石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

图#
6-7 8 #
高温加热系统
9:;<-.7 =>=<:, ?@A B-7B <:,C:A;<DA:
高温前后均测试 试 样 的 纵 波 波 速, 超 声 波 测 试 采 用 EF3’4 型 非 金 属 超 声 检 测 分 析 仪, 发射电压为 $&& G,采样周期为 & 8 ’ ! =,传感器与试样之间用黄油做耦合剂。 采用中国科学院 武 汉 岩 土 力 学 研 究 所 研 制 的 HFI3*$&J 型 伺 服 试 验 机 进 行 单 轴 压 缩 试 验,力行程控制方式加载,速率为 # KE+=; $ ,, 位 移 传 感 器 测 量 试 样 的 轴 向 位 移, *&&& KE 的力传感器测量试样的轴向荷载。
研究,总结出高温花岗岩力学性质的变化主要与其结构成分中矿物颗粒热膨胀效应发生热应
[ )"]力作用有关 ;朱合华等 !""’ 年对不同高温后 熔结 凝 灰 岩、 花 岗 岩 及 流 纹 状 凝 灰 角 砾 岩 的
力学性质进行了研究,分析比较了 * 种岩石峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变 化规
[ ))] [ )!] 律 ;苏承东等 !""( 年研究了粗砂岩高温后各力学参数的变化 ;谌伦 建等 !""# — !""( 年 [ )* , )+] 研究了石灰岩和砂岩的膨胀特性和微观结构变化 。目前,这一方面的研究仍在多领域多
收稿日期: $%%&>%?>!# 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( "%$@?%#A , "%"@?%#@) 。 作者简介:秦本东 ( !&@@>) ,女,讲师,主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。 0>BCD8: EDFG:FH7FI J K;L 9 :HL 9 MF
多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究进展

多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性研究进展煤岩是一种由煤和固体岩石组成的复合岩体,其物理性质和力学特性受到煤和岩石之间的多场耦合作用影响。
多场耦合作用指的是煤岩在外部载荷、温度、湿度、气体渗流等多个环境条件的共同作用下,煤和岩石之间的相互作用与联合作用。
煤岩的多场耦合作用对其损伤破坏特性产生重要影响,对于理解煤岩的力学行为、安全开采煤矿等具有重要的理论和实际意义。
一、煤岩的多场耦合效应。
多场耦合效应是煤岩损伤破坏特性研究的基础和关键。
研究发现,外部载荷、温度变化、湿度、气体渗流等因素会引起煤岩内部应力、潜在裂隙、含水率等的变化,从而影响煤岩的物理性质和力学特性,进而导致煤岩的损伤破坏行为发生变化。
二、煤岩的物理性质与力学特性。
煤岩的物理性质和力学特性受到多种因素的耦合作用影响,如温度升高会导致煤岩的热膨胀和软化,湿度变化会引起煤岩的吸湿膨胀和脱水收缩等。
煤岩受到外部载荷作用时,其破坏行为也会发生变化,如破坏模式从拉伸破坏转变为剪切破坏等。
三、煤岩的损伤破坏特性。
多场耦合作用下,煤岩的损伤破坏特性表现为裂缝扩展、岩体破碎、煤与岩石分离等现象。
研究发现,煤岩的损伤破坏过程是一个复杂的微观-宏观耦合过程,包括裂纹形核、裂纹扩展、岩石破碎等多个阶段,不同的多场耦合作用会影响这些阶段的演化规律。
四、耦合作用下的煤岩破坏机理。
多场耦合作用引起煤岩损伤破坏的机理涉及多个领域,如热力学、力学、化学等。
研究发现,温度、湿度等因素改变了煤岩内部的孔隙结构和孔隙度,从而改变了煤岩的破坏机制;外部载荷作用下的煤岩破坏主要包括岩层滑动、裂隙扩展等。
多场耦合作用下煤岩损伤破坏特性的研究是一个复杂而重要的课题。
目前,国内外学者在该领域的研究取得了一些进展,但仍存在许多问题需要进一步深入研究。
随着煤炭资源的日益紧缺和煤矿开采的不断深入,对于多场耦合作用下煤岩的损伤破坏特性的研究将具有更加重要的意义。
岩石热损伤-力耦合能量破坏准则研究

V01.27 No.3 Sept.2007
岩 石 热 损 伤 一力 耦 合 能 量破 坏 准则 研 究
谢 卫红 ,李顺才 ,高 峰
(1.徐州空军学院 机场工程系 ,江苏 徐州 221000;2.中国矿业大学 理学院 ,江苏 徐州 221008)
摘 要 :通过 先升 温后 加载 、先加 载 后 升 温 的 实验 研 究 ,论 证 了加 载 和升 温 历 史 对材 料 损 伤破 坏 的影响 。采 用连 续损伤 力学方 法 ,研 究 了岩石 材料 在 变温 环境 下 的热 损 伤破 坏 问题 ,基 于能 量理 论推导出材料在 同时考虑温度 、载荷和损伤耦合效应的计算材料损伤 余能释放率 的余 能函数。 根 据损 伤余 能释放 率 ,建 立 了岩 石 热 损 伤破 坏 准则 。指 出研 究 岩 石在 温度 和机 械 载 荷 作 用下 的 损伤破 坏行 为 ,应 考虑 热损 伤 一力耦 合效 应 。 关键词 :SEM 实时 实验 ;损 伤 ;能量 ;准 则 ;热损 伤 一力耦 合 中图分 类号 :TD 315 文 献标识 码 :A
342
西 安 科 技 大 学 学 报
2007卑
跃 ,董聪 等将 损伤力 学 引入 了金 属 材料 。谢 和平 等对 岩石类 材 料 的损 伤力 学 特 征及本 构 方 程进 行 了研 究 ,得出了许多有意义的结果 ,但这些研究成果都是针对常温情况下的。事实上 ,温度对岩石性质的影响 作用极其 明显 ,高温下的损伤破坏特征与常温下损伤破坏特征是有区别 的。在常温情况下 ,温度对摩擦、 破裂强度的影响较小 ,但岩石内不同组分 的不均匀性膨胀使破裂增多 ,强度降低和模量减小 ;在高温情况 下 ,晶粒 滑移 由于 晶粒边 界 间的夹 杂和胶 结物 的软 化变 得更 加 容 易 ,粘 结 力减 小 ,变 形机 制 都带 有 扩散 性 质且随着温度的增加 ,热运动量增强,使得岩石 的损伤破坏更加复杂 ,因此考虑温度对岩石材料 的影响作 用就 显得 极为 重要 。笔者 通过 先升 温后 加 载 、先加 载后 升 温 的实 验 研究 ,实 时 观测 了加 载 和 升温 历 史 对 石灰 岩 的热损 伤 一力 耦合 效应 影 响 。采 用 连 续损 伤 力 学方 法 ,研 究 岩 石 材料 在 变 温 环境 下 的损 伤 问题 , 在严格的不可逆热力学理论基础之上 ,基于能量理论 ,用损伤余能释放率建立起岩石热损伤破坏准则。
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岩石温度-化学耦合作用下力学性能及实验研究
作者:方振
来源:《城市建设理论研究》2012年第29期
摘要:目前,裂隙岩石的温度-化学耦合过程研究已成为国际岩土工程领域最前沿的课题之一。
在地下处理及边坡工程中,裂隙岩石所赋存的地质条件十分恶劣,所涉及的物理-化学过程复杂,主要有热传输过程(T)、介质应力变形(包括断裂、损伤)过程(M)、化学反应(C)等几个过程。
一方面裂隙岩体受地热、水化学溶液侵蚀作用后,使其物理化力学性质发生很大变异,另一方面,水溶液通过溶蚀岩体而将溶蚀物质带走,使岩体性状变差,严重影响岩土工程的长期稳定性。
因此耦合过程研究是相关的岩石工程的最基础性研究之一,具有十分重要的科学意义和工程意义。
关键词:力学性能腐蚀损伤变量单轴试验
中图分类号:C33 文献标识码:A 文章编号:
一、化学损伤变量的定义
(1)损伤机理岩石被浸泡在各种化学溶液里发生的化学作用,主要有溶解作用、水解作用和碳酸化作用等。
而且岩石中有很多矿物能溶解于水,如K+、Na+等氯化物,Ca2+
,Mg2+等氯化物和碳酸盐以及Fe3+ ,A13+等氧化物和硅酸盐,所以岩石受到化学作用后,其中岩石中胶结物质反应掉而使剩余难溶矿物丧失相互胶结能力,使岩石变得松散脆弱,有效承载面积降低。
(2)化学损伤变量根据有效承载面积定义化学损伤变量:
DC==(1)
其中,R,V0, 分别是岩石初始有效承载面积,承载体体积,及质量。
,,,分别是化学腐蚀后岩石没有承载能力部分的面积,体积及质量。
二、化学损伤变量的计算
设化学溶液与岩石反应的一般化学反应方程式为:
(2)
其中A为与岩石反应的溶质,B为岩石中参与反应的成份,G,H为化学反应生成物
由化学动力学方程得:
(3)
其中是A物质化学反应速率,是化学反应速率常数,,分别为A物质与B物质的浓度,,是反应级数。
由Arrhenius (阿仑尼乌斯)公式[1]可得
其中为前置因子,Ea 为反应活化能,R为气体常数取8.314,T为反应温度。
故化学反应速率方程为
单位:(4)
设岩石在化学溶液中浸泡的时间为t,从0~t时间,温度变化函数为T(t),浓度变化函数为
,溶液体积为V则经过时间t, A物质的消耗量为
N1= (5)
B物质的消耗量为 N2= (6)
设岩石中每种成份都是均匀分布的,反应消耗掉的B物质的摩尔质量为MB ,B物质质量占岩石总质量的比重为p,则化学腐蚀导致岩石结构破坏丧失承载能力部分的质量为
(7)
则化学-温度作用下的化学损伤变量为
DC= = (8)
三、试验验证
本文取文献[4~5](“均质砂岩酸腐蚀的力学性质分析”霍润科等著)中的实验数据验证常温下本文本构模型。
原文实验数据如下
岩石成份:Φ50 mm×100 mm的标准钙质砂岩试件。
岩样的天然密度为2.47 g/cm3,孔隙率4.43%,其主要矿物成分为石英(450 g/kg)、长石(350 g/kg)、岩屑(=100 g/kg),钙质 CaCO3
(40 g/kg)和泥质胶结率(
胶结。
实验温度:恒温20 单个试件浸泡盐酸溶液体积 2L,盐酸浓度0.1mol/L
表1
不同溶液中岩石各阶段的单轴抗压强度值(MPa)
主要化学反应方程式:
2HCL+CaCO3=CaCL2+CO2+H2O
T=293K时,
化学反应速率方程为 (13) [6~7]
表 2
时间t(天) 0 5 9 14
0.776 0.7498 0.7338 0.711
根据表2数据利用牛顿插值法求得盐酸浓度随时间变化函数为
由(5)式,(13)式可得
浸泡 5天后消耗的HCl 量为
= =2.270mol
浸泡 9天后消耗的HCl 量为
=4.0385mol
浸泡 14天后消耗的HCl 量为
=6.2024mol
将上述数据分别代入(6)(7)(8)式可得
浸泡 5天后=28.375g
同理求得浸泡 9天后
浸泡 14天后
代入(11)式得
同理可求得浸泡 9 天后
浸泡 14天后
当时峰值损伤,抗压强度计算值与实验值对比见下表
时间t(天)抗压强度(Mpa)
时间t(天)峰值应变(%)
浸泡5天时的本构模型
同理可得浸泡14天岩石的本构模型:
)
)
应力-应变对比图形见下图
文献实验曲线图[5]:
浸泡5天应力-应变曲线图浸泡14天应力-应变曲线图
本文计算模拟曲线图:
浸泡5天应力-应变模拟图浸泡14天应力-应变模拟图
四、结论
本文在损伤理论的基础上,利用化学动力学原理,建立了温度-化学作用下下的岩石本构模型,并利用文献,中的已有实验数据对本构理论进行了常温下验证,从实验和理论对比可以发现:
峰值应力前,实验数据与计算值吻合较好,峰值应力,应变预测值与实验值基本吻合。
岩石破坏后,实验曲线与理论曲线有所出入。
对于水的物理作用对岩石力学性能的影响,比如溶解作用,水流作用,本文暂未考虑。
不同温度环境下岩石力学性能实验正陆续展开,其计算结果尚需大量试样的进一步分析和验证,以便对模型进行修正和完善。
参考文献
[1] 董元彦,李宝华等,物理化学。
科学出版社,2004
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清华大学出版社,1997
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河海大学报,1989,3,
40~47
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[5] 朱运明,李宁,酸性环境中砂岩强度、变形性质的实验研究,中国优秀硕士学位论文,西安理工大学2001
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