热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构关系研究_郤保平
温度作用下花岗岩力学性质实验研究
中图分 类号 ：Ｄ ３ ５ Ｔ １ 文献标 识码 ： Ａ
０ 引 言
随着世界对能源的开发 ， 给岩石力学工作者提出了新课题。建立地下仓库用以贮藏核废料、 天然气 、 石油等的０ ＝ ０ ３０ｃ 的变 【
３ 燕 山大学 建筑工程与力学学 院， ． 河北 秦皇岛 ０ ６０ ） ６ ０ ４
摘
要： 实时高温作 用下（ 对 常温 一 ５ 和高温作用冷却后（ ８０ｏ Ｃ） 常温 一 ０ １ ０℃） 岗岩试件单轴 ３ 花
受压破 坏全 过程 进行 了试 验研 究 ， 到 了实 时高温 作 用下花 岗岩 的全 应 力 一应 变曲 线 、 得 高温 作 用
了试验研 究 。
１ 试 验 条 件 及 方 法
１ １ 试验 设备 ．
与常温下岩石力学声发射试验不 同， 高温下需要解决 ２个问题 ： 温度 的施加； 试验加载控制系统和声
＋ 收稿 日期 ： ０ ７—１ ２０ １—２ ０
金 项 目（０ ７ ０ ２ ５５ ９ ４ ）
责任编辑 ：杨忠民
基金项目 ： ７ ９ ３国家重 点基础研究发展规划项 目பைடு நூலகம்０ ２ Ｉ ２０ ， ０ Ｃ ４ ２０ ） 国家创新群体项 目（ ０２ ４ ２ ； ２０ Ｃ Ｍ１７ ５ ２ ２ Ｂ １７７ ； ０ ５２ １０ ） 国家 自 然科学基 作者简介： 徐小丽 （９ １ ， ， １８ 一） 女 江苏如皋人 ， 博士 ， 主要从事岩石热力学、 热损伤研究 ．
第２ 卷 第４ ８ 期
２０ ０ ８年 １ ２月
西 安 科
技 大 学 学 报
Ｖｏ ． ８ Ｎ ． １２ ｏ ４ Ｄｅ ． ０ ８ ｃ ２ｏ
片麻花岗岩实时温度环境的力学特性研究
1．峰值应力随温度的变化规律
图 2 为片麻花岗岩峰值应力与温度的关系曲线。从图中 可以看出：从常温至 40℃，温度作用片麻花岗岩峰值应力随 温度有所下降，但在 40~50℃下峰值应力随温度略有上升， 增幅约为 5.71%，70℃片麻花岗岩峰值应力下降，峰值应力 从 165.99MPa 下降到 137.29MPa，降幅达 17.29%，可 以认为片麻花岗岩围压恒定时峰值应力随温度的升高而降 低，变化规律明显。
基于 Drucker-Prager 破坏准则，片麻花岗岩温度作用 下损伤演化方程的表达式：
I J m0 (1 DT ) 2 D 1 exp 1 F0 (1 DT )
3．考虑温度效应的损伤本构方程
依据试验方案及试验条件假定不同温度片麻花岗岩轴向 有效应力为 1 ' ，围压有效应力 2 ' （ 2 ' 3 ' ） ，与其对应的 应变分别为 1 和 2 （ 2 3 ） 。由广义胡克定律、应变等效原 理得：
图1
片麻花岗岩破坏形态
二、试验概况 1．试样材料
片麻花岗岩试样选自汕头东海岸新城项目，料源福建漳 浦地区，依据岩石力学试验标准，加工成直径与高度比为 1： 2 的 圆 柱 体 ， 尺 寸 为 φ 50mm × 100mm ， 平 均 密 度 为 2.66g/cm3。为确保选择的岩样性质均一，降低试验结果的 离散性，试验前，采用 NM-4A 非金属超声分析仪和 ZC4 型 回弹仪对试样分别进行声波检测和回弹测试，选取号：1006-7973（2017）06-0334-02 三、试验结果与分析
图 1 显示了试验后片麻花岗岩试样的破坏形态及断口形 态。从片麻花岗岩的破坏形态及断口形态可以发现：温度发 生变化，片麻花岗岩的破坏形态差异不大，均为一条贯通的 剪切破裂面，破坏的断口较为平整。随着温度的升高，除了 主破裂面外， 试样表面出现多条平行于主破裂面方向的裂纹。 说明三轴压缩时片麻花岗岩在温度 20~70℃影响下仍以剪切 破坏为主，其变形形式、破坏机制尚未发生变化。
显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究pdf
司生产的 Somaton-plus 螺旋 CT 机，其空间分辨率 为 0.35 mm×0.35 mm，层析厚度最小为 1 mm，根 本无法分辨岩石裂纹的起裂与扩展特征，更无法分 辨岩石在热及化学作用下孔隙的变化。因此，迫切 需要研制更高精度的显微 CT 机，以满足高分辨率 的岩石细观方面的研究。
本文主要介绍太原理工大学与中国工程物理研 究院应用电子研究所共同研制的µCT225kVFCB 型高 精度显微 CT 试验系统的技术原理、主要技术性能 参数和部分关键技术，进பைடு நூலகம்介绍采用该试验系统进 行的花岗岩热破裂特征的细观研究。
(3) 系统功能。该系统可以实现对各种金属及 非金属材料的三维 CT 扫描分析，放大倍数为 1～ 400 倍，岩石试件尺寸为φ 1～50 mm，扫描单元分 辨率为 0.194 mm/放大倍数，对于放大 400 倍的试 件而言，其扫描单元的尺寸为 0.5 µm，即可以分辨 1～2 µm 的孔隙和 1 µm 宽度的裂缝。转台旋转角度 分辨率为 655 360 step/rev，重复定位精度小于±5 s。 X，Y 和 Z 方向全部采用数控移动，可实现高精度的 定位。
It is a precise experimental system for intensive investigations on the meso-structure of either metallic or
non-metallic materials. Series of dimensional triaxial meso-structure investigations on granite thermal fracturing under temperatures ranging from 20 ℃ to 500 ℃ were carried out with the system. It was demonstrated that the crystal grain size of the granite specimen is 100–300 µm with irregular shapes. The fracturing was developing
花岗斑岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究
花岗斑岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究闻磊;李夕兵;吴秋红;苏伟【摘要】Quality,elasticity modulus,poisson ratio,uniaxial compressive strength,and tensile strength of granite porphyry from Yulong coppermine were obtained utilizing the relevant experiments.Typical dynamic stress-strain curves were obtained by SHPB ing relevant experimental results and finite element software LS-DYNA,HJC model parameters were got.On the basis of parameter sensitivity analysis,the method for taking values of HJC parameters was obtained.There are four parameters (A, B,N,fc )are sensitive.When the four parameters change between -30% and 30%,change rate of strength is greater than 1 1%.By combined with the experimental data and numerical simulation,reliable parameters can be obtained.This method can reflect HJC model based theory and balance workload of experiment and numerical simulation.This study is helpful for numerical simulation of rock dynamics.%对取自玉龙铜矿边坡的花岗斑岩进行相关物理和静力学实验,获得岩石的密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。
高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究
花岗岩具有强度高、孔隙率小、渗透性小的特 点，是石油、天然气、地热等能源赋存和高放核废 料贮存的极佳场所 [1]。高放核废料地下处置和地热 资源开采等工程均涉及岩石高温后的力学性质问
题，尤其是在地热开发钻孔施工过程中，由于泥浆 和钻井液的共同作用，导致钻井围岩在短时间内温 度迅速降低 [2]，高温岩体产生强烈的热冲击，发生 热破裂，造成矿物发生不可逆的物理化学变化，极
CHEN Yu2) XU Nengxiong3) QIN Yan XIE Yuan
(School of Engineering and Technology, China Universityg), Beijing 100083, China)
Abstract With the uniaxial and triaxial compression tests of the water-cooled granite samples under high temperature, the mechanical properties of the water-cooled granite under high temperature within 800 ◦C against the temperature change and the confining pressure are determined. The experimental results indicate that: (1) The threshold for the effect of high temperature heating and rapid cooling with water on the mechanical properties of the granite is 400 ◦C. (2) Under the same temperature condition, the peak deviator stress and the peak strain increase with the increase of the confining pressure. The elastic modulus increases first and then decreases with the increase of the confining pressure. (3) In uniaxial tests, when the temperature is lower than 400 ◦C, the rock samples will be in a form of composite failure. With the increase of the temperature, the damage morphology changes to a tensile failure. While in the triaxial test, the rock samples all have the shear failure. Key words high temperature, water cooling, granite, mechanical properties
风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究
第22卷 第10期岩石力学与工程学报 22(10)：1673～16772003年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，20032002年6月4日收到初稿，2002年7月12日收到修改稿。
* 国家重点基础研究发展规划资助项目(973)(2002CB412704)。
作者 李 铀 简介：男，1961年生，博士，1982年毕业于山东矿业学院，现为副研究员，主要从事岩土力学与工程方面的研究工作。
风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究*李 铀 朱维申 白世伟 杨春和(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点试验室 武汉 430071)摘要 对软弱岩石(体)的流变特性进行了许多研究，相比较而言，对坚硬(相对)完整岩石流变特性的研究则少得 多，坚硬完整岩石的流变特性对岩土工程的影响在很多情况下可以忽略。
但在长期恶劣环境作用下，例如，长期浸泡于水中呈水饱和状态，其影响则会大许多。
因而了解坚硬完整的岩石在恶劣环境作用下的流变特性，是很有意义的。
鉴于此，开展了花岗岩在饱水状态下流变特性的试验研究，并与其风干状态作了对比，在强度和变形特性方面获得了重要的资料。
关键词 岩石力学，流变，饱水，风干，花岗岩分类号 TU 458+.4 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)10-1673-05UNIAXIAL EXPERIMENTAL STUDY ON RHEOLOGICAL PROPERTIESOF GRANITE IN AIR-DRIED AND SATURATED STATESLi You ，Zhu Weishen ，Bai Shiwei ，Yang Chunhe(Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics ，Institute of Rock and Soil Mechanics ，The Chinese Academy of Sciences ， Wuhan 430071 China )Abstract A lot of experimental studies have been made on the rheological properties of soft rocks. Compared with this fact ，only a very small quantity of studies have been done on that of hard and integrate rocks. The influence of rheological properties of hard and integrate rocks on geotechnical engineering can be omitted in many cases. However ，the influence may be great enough so that it can not be omitted when hard and integrate rocks are in a very bad environment for a long time ，for example ，submerged in a saturated state. Therefore ，the study of rheological properties of hard and integrate rocks is of great significance in a very bad environment. In this paper ，rheological experimental study of granite is done in a saturated state ，and comparison is made with that of air-dried state. Important data are obtained about strength and deformation properties of granite in the given condition. Key words rock mechanics ，rheology ，saturation ，air-dried ，granite1 引 言在岩石力学领域中，岩石流变特性的研究一直是大家十分关注的一个方向。
液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验
液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验黄中伟;温海涛;武晓光;李根生;杨睿月;李冉;张诚成【摘要】液氮作用于高温岩石能够损伤致裂岩石,因此可用于提高干热岩地层的钻井和压裂效率.为研究液氮快速冷却高温岩石对其物理和力学性质的影响规律,分别采用液氮冷却和自然冷却对不同温度(25～600℃)的干燥花岗岩岩样进行处理,通过对比两种处理方式下岩样的声波速度、渗透率、抗拉及单轴抗压强度的差异,得到液氮冷却对高温花岗岩的损伤特性.结果表明:液氮冷却可有效损伤高温花岗岩;对于实验中150～600℃的花岗岩,经液氮冷却产生的损伤能使其波速降低4.13％～ 10.04％,渗透率提高0.21～182.80倍,抗拉强度降低4.95％～34.54％,抗压强度降低13.95％～29.30％,弹性模量降低7.33％～45.74％;冷却前岩石温度越高,冷却过程中产生的热应力越大,冷却损伤程度越大.【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(043)002【总页数】9页(P68-76)【关键词】液氮冷却;花岗岩;低温损伤;热应力【作者】黄中伟;温海涛;武晓光;李根生;杨睿月;李冉;张诚成【作者单位】中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TU452干热岩是一种不含水或含少量水或蒸汽的高温岩体,温度介于150～650 ℃,渗透性极差[1]。
干热岩通常是结晶花岗岩、火成岩或变质岩。
列车荷载作用下压实花岗岩残积土累积变形特性试验研究
列车荷载作用下压实花岗岩残积土累积变形特性试验研究尹松;刘鹏飞;孙玉周;李新明;闫盼;王志留
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2024(43)4
【摘要】为研究列车荷载作用下应力及湿化条件对压实花岗岩残积土累积变形特性的影响,以围压、动应力幅值、含水率为变量,对压实花岗岩残积土进行循环空心扭剪和循环定向加载试验。
结果表明:循环扭剪应力路径下主应力轴旋转效应增加了试样的累积变形量,甚至改变了累积变形的发展模式,该影响程度随试样含水率的增大而增大;试样的累积应变发展速率在加载初期(N<100)时完成大幅度衰减,围压增大可加快累积应变发展速率的衰减,动应力幅值的增加会延长累积应变发展速率的衰减时间,循环扭剪加载时试样的累积应变发展速率衰减程度小于循环定向加载试验,含水率越高该效应越显著。
通过预测模型能够对两种动力加载应力路径下的稳定型和发展型累积应变发展曲线能够进行拟合,对压实花岗岩残积土的累积变形作出较好预测。
【总页数】9页(P87-95)
【作者】尹松;刘鹏飞;孙玉周;李新明;闫盼;王志留
【作者单位】中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室;中原工学院建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU4
【相关文献】
1.循环荷载作用下花岗岩残积土累积变形与湿化特性试验研究
2.列车振动荷载作用下南京细砂振动累积变形特性试验研究
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5.竖向下压循环荷载作用下单桩承载力及累积沉降特性模型试验研究
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其适用性和合理性。热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构方程的建立为高温岩体地热开发钻井施工及其稳定性
研究提供了依据。
关键词：岩石力学；热力耦合作用；花岗岩；流变机制；流变模型；本构方程
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2009)05–0956–12
STUDY OF CONSTITUTIVE EQUATION OF GRANITE RHEOLOGICAL MODEL WITH THERMO-MECHANICAL COUPLING EFFECTS
合作用下花岗岩的流变机制研究可知：(1) 花岗岩是一种由多种成分构成的具有多晶复合介质特点的脆性坚硬岩
石，具有很大的非均质性，内部微观结构可分为晶粒、晶粒边界、晶间胶结物及晶间孔隙，这样的组分和结构将
决定花岗岩在热力耦合作用下的流变特性。(2) 热力耦合作用下花岗岩流变现象主要是热力耦合作用下岩体内晶
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岩石力学与工程学报
2009 年
线对其参数进行识别，建立热力耦合作用下花岗岩 的流变本构方程，为开发高温高压下岩体工程流变 数值模拟软件提供本构关系。
第 28 卷 第 5 期
郤保平，等. 热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构关系研究
• 957 •
and damage cracking by stress. So macro-mechanical properties of mechanical parameters become a function of temperature. Therefore ， the viscoelasto-plastic rheological elements of mechanical model combining the phenomenon of rock rheology and physical rheology are proposed；and the rheological model of granite with
1引言
流变本构方程是指在不同物理场(如温度、应 力、湿度、辐射、电磁场)作用下，以应力、应变和 时间的物理变量来定量描述所研究的材料状态的方 程，这种方程将由具体材料的本质与结构决定，有 时也称它为流变状态方程[1]。目前，流变本构方程 的研究主要从力学模型和物理模型出发进行研究， 进而发展为现象流变学和物理流变学。岩石现象流 变学以岩石的流变试验为基础建立力学模型，它主 要用 3 种基本元件(弹性元件、黏性元件及塑性元件) 的串联、并联、串并联及其组合成为某种更复杂的 网络来近似地建立所研究岩石的本构关系，用以预 测在任意应力作用史和变化的物理环境条件下的岩 石的变形与破坏性质。岩石物理流变学是从机制学 出发，以岩石的结构本质为基础，建立物理模型， 考虑岩石内部的物理化学特性，目的在于建立岩石 在外力场作用下的材料内部的物理力学过程与亚微 观或宏观力学现象之间的关系，找出岩石在一定的 力场作用下引起的变形与时间的本构关系，以预测 岩石在不同环境下的力学特性，所以它从物质的微 观、亚微观、细观和宏观的结构特性分层次的进行 研究。由此可见，这 2 种流变本构方程的研究方法 出发点虽然不同，但各有侧重点，殊途而同归，本 质是相同的。
为了能建立反映热力耦合作用下花岗岩的流变 模型及与其对应的流变本构方程，本文依托中国矿业 大学“211 工程”重点建设项目自主研制的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”系统深入的对 600 ℃及 150 MPa(6 000 m 埋深静水应力)以内的 φ 200 mm×400 mm 的花岗岩的流变特性进行了试 验研究，继而从花岗岩热力耦合作用下的流变机制 出发，建立流变模型，求得热力耦合作用下花岗岩 流变本构方程，根据各个温度、应力状态的蠕变曲
岩石是颗粒或晶体相互胶结或黏结在一起的聚 集体，在热力耦合作用下其宏观力学效应是一种从 微观结构的变化而导致其宏观力学性质改变的过 程，岩石的内部结构会发生明显的热破裂及各种物 理和化学变化[2]；随着时间的延长(即考虑时间效 应)，这些在热力耦合作用下产生的微观结构变化将 直接影响到岩石的变形，直到岩石发生流变破XI Baoping1，ZHAO Yangsheng1，2，WAN Zhijun2，ZHAO Jinchang1，WANG Yi1
(1. Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China； 2. School of Mining and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China)
间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程，即温度产生的热破裂和应力产生损伤破裂的复合破裂过程，微观
结构上的变化使得标志着热力耦合作用下宏观力学特性的力学参数成为温度的函数。因此，将岩石现象流变学与
物理流变学结合起来，提出热力耦合作用下岩石热黏弹塑性流变元件力学元件，在广义西原模型的基础上建立热
力耦合作用下花岗岩流变模型，推导出可描述 150 MPa 及 600 ℃以内花岗岩的流变本构方程，用试验结果验证了
Abstract：The change of rock microstructure with thermo-mechanical coupling effects is the main cause for transformation of macroscopic mechanics of rock. The rheological mechanism of granite with thermo-mechanical coupling effects；and rheological model of granite are researched. As a result，it is a kind of feasible way for building rheological constitutive equation. According to the research on rheological mechanism of granite with thermo-mechanical coupling effects，it knows：(1) Granite is a sort of brittleness and hardness rock constituted with multi-ingredient；it is provided with polycrystal multiple medium and prodigious anisotropic. Microstructure inside of granite can be divided into grain，boundary of grain，intercrystalline cement and intercrystalline pore； such ingredient and structure determine the rheological properties of granite with thermo-mechanical coupling effects. (2) The rheological phenomenon is induced by dislocation and cracking of grain and cement of grain with thermo-mechanical coupling effects，which is a compound rupture process with thermal cracking by temperature
(1. 太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024；2. 中国矿业大学 能源与安全工程学院，江苏 徐州 221008)
摘要：热力耦合作用下岩石的微观结构的变化是引起宏观力学变化的主要原因，从热力耦合作用下花岗岩的流变
机制研究出发，建立热力耦合作用下花岗岩的流变模型，从而推导流变本构方程是一种可行的方法。通过热力耦
constitutive equation with thermo-mechanical coupling effects provides a basis for the establishment of high-
temperature geothermal development drilling rock of stability. Key words：rock mechanics；thermo-mechanical coupling effects；granite；rheological mechanism；rheological model；constitutive equation
收稿日期：2008–11–03；修回日期：2009–02–01 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50534030)；山西省基础研究计划项目(2008021032) 作者简介：郤保平(1976–)，男，2000 年毕业于太原理工大学建筑工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学及地下工程方面的研究工作。 E-mail：masterxbp@
热力耦合作用下产生的结构缺陷和微裂隙长期损伤 累计的过程。因此，研究热力耦合作用下岩石的流 变本构方程，必须从岩石的物理流变学出发，研究 岩石在热力耦合作用下的流变机制，同时从岩石现 象流变学分析流变过程中岩石宏观力学参数的变化 规律，建立合理的流变模型，求得流变本构关系。
对于岩石的流变机制及流变本构关系研究，国 内外很多著名学者做了大量的研究工作。许多学者 都认为应综合流变学、晶体微观理论和岩石学建立 岩石流变物理模型，江 燕和臧绍先[3]有目的地进行 大量的高温高压岩石试验来检验并修正理论模型； M. R. Handy[4]从岩石微观结构出发，分析了岩石的 流变机制及流变行为；赵永红等[5]对铁橄榄石高温 高压流变特性进行了试验研究，从微观结构出发对 其流变方程参数进行拟合；杨圣奇等[6]对饱和状态 下硬岩三轴流变变形与破裂机制进行了研究，认为 岩石流变破坏的实质是由于材料结构的缺陷及非均 质性和微裂隙长期损伤累积破坏综合作用的结果； 邓广哲和王广地[7]对北山花岗岩热黏弹性流变特性 进行了研究，得出了流变模型参数随温度变化的规 律；徐卫亚等[8]建立了岩石非线性黏弹塑性流变模 型(河海模型)并对其进行了试验验证等。这些研究 大都是常温下岩石的流变机制或流变本构模型研 究，但对热力耦合作用下岩石的流变机制及流变模 型研究很少。