《考慮溫度效應的岩石動態損傷及能量耗損特徵研究》是依託中南大學，由尹土兵擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：考慮溫度效應的岩石動態損傷及能量耗損特徵研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：尹土兵
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
溫度是影響深部岩體工程的重要因素之一。深部礦床開採、核廢料存儲和地熱的開發利用等重大工程在開挖建設過程中都需要掌握岩石在高溫高應力和動載荷聯合作用下的力學特徵和能耗規律。本項目緊密圍繞溫度作用下岩石的衝擊損傷特性這一研究主題，利用溫壓耦合及動力擾動實驗系統,開展不同溫度作用下的岩石衝擊損傷實驗，旨在探討溫度作用對岩石衝擊損傷力學參數特徵、細觀特徵參量及能耗規律的影響。項目以衝擊動力學、損傷力學理論、分形理論、數值仿真等多種理論和分析方法為手段，獲得不同溫度作用下的高應力岩石細觀特徵參量、初始損傷、能量耗散及衝擊載荷的量化關係，確定損傷變數的定義和描述方法，闡明溫度作用下高應力岩石衝擊損傷破壞機理，並建立考慮溫度效應的岩石動態損傷演化方程和本構模型，探索溫度作用下岩石損傷細觀特徵參量與能量耗散的聯繫並建立能耗方程。本項目的研究成果將為深部岩石工程開挖及防災中的溫度效應控制提供可靠的理論基礎。
結題摘要
深部岩體處於高溫和高地應力環境條件下，同時在深部採礦過程中還要承受著爆破崩礦、機械鑿岩和高階段落礦等動力擾動，這使得以衝擊礦壓、岩爆、突水、頂板大面積垮落為代表的深部災害更具突發性，而岩體變形破壞實質上就是一個損傷逐步累積和不斷與外界進行能量交換的過程，因此開展一系列考慮溫度效應的岩石動態損傷及能量耗損特徵的研究顯得尤為必要。在項目實施階段，研究團隊首先開展了高溫作用對岩石基本物理力學性質的影響研究，結果表明隨著處理溫度的升高，岩石的密度和縱波波速減小、熱膨脹係數增大，輔以電鏡掃描的方法觀測到高溫作用後岩石內部微裂紋的擴展和顆粒間結構的斷裂，這些證據均表明高溫使岩石內部結構產生了較大的損傷。同時，為進一步明確高溫作用對岩石巨觀力學特性的影響，我們還分別開展了高溫狀態下和高溫後岩石的靜態壓縮力學特性對比試驗，高溫後花崗岩的動態拉伸力學特性研究以及溫壓耦合與循環衝擊擾動下高溫岩石的損傷力學特性試驗，並得到以下重要結論：（1）高溫對岩石強度具有明顯的劣化作用，隨著處理溫度的升高岩石的抗壓和抗拉強度均持續降低，並且相比於高溫處理後的岩石，高溫狀態下岩石的強度劣化作用更為劇烈，岩石的脆-延轉化溫度也更低；（2）在一定範圍內，岩石具有明顯的應變率強化效應，軸壓也會對高溫岩石的抗衝擊能力有所提高；（3）循環荷載作用下，隨著衝擊次數的增加，岩石的抗壓強度逐漸降低，損傷值持續增大，並且在最後一次衝擊時岩石強度急劇下降，發生突變破壞，隨著處理溫度的升高，岩石能夠承受循環衝擊的次數也在不斷減少；（4）動態載入過程中，低溫岩石的破碎程度與其能量吸收值成正相關，但是隨著處理溫度的升高，岩石內部結構損傷嚴重，即使能量吸收值很小，岩樣也會發生粉碎性破壞。以上結論均表明溫度與疲勞荷載對岩石強度產生了明顯的劣化作用。此外，基於試驗數據，我們在常規損傷演化方程的基礎上引入溫度影響因素，構建了考慮溫度效應的岩石動態損傷本構模型，模型計算結果與試驗曲線具有較好的一致性，並且在模型參數中岩石黏度係數隨著處理溫度的升高而持續降低，這也從另一個方面也表明了高溫對岩石的劣化作用。這對今後採用理論模型法研究高溫岩體的動態力學特性有著重大的意義。
