基于细观力学的岩石热膨胀特性研究

发布时间：2017-10-28 16:30

  本文关键词：基于细观力学的岩石热膨胀特性研究

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【摘要】：在地热资源开采,煤炭地下气化与液化,石油地下的储存,核废料的深层处置等相关领域应用中,温度对于岩石力学性质的影响是不容忽视的。例如在对核废料的深层处置过程中,因放射性的核废料在衰变过程中会释放大量的热,使得围岩受热升温;热膨胀量较大的岩石受压缩;而热膨胀量小的岩石受到拉伸;彼此相互约束,从而产生热应力。其中,表征材料热膨胀量大小的热物理量——热膨胀系数,与岩石受热时所产生的热应力和热应变密切相关,所以需要确定岩石的热膨胀系数。本文主要研究内容有以下:首先基于细观力学理论,对热膨胀系数进行了细观力学计算,其中理论模型可用于预测由多种矿物成分组成的岩石热膨胀系数值。然后通过x射线粉晶衍射分析、核磁共振、单轴压缩、超声波波速测定以及热膨胀系数的测定试验,得出了一系列岩石力学参数随温度变化的规律。并且对岩石热损伤过程中各个参数对热膨胀系数的影响进行了分析,最后对试验值和理论值进行了对比,研究发现:(1)对于孔隙度对岩石热膨胀系数的影响,试验中所测定的孔隙度在25℃～600℃内较为稳定,对热膨胀系数的影响可忽略不计。板岩的弹性模量、泊松比、峰值应力与应变随温度升高呈现了一定的规律性。(2)各个类别的岩样热膨胀系数都在600℃左右产生了突变,这主要是由其矿物成分石英相变所引起的。石英在573℃出现了α、β两种不同的结构,从而使得其所占的体积产生一个不连续的增大值,导致热膨胀系数发生突变。(3)理论分析发现体积模量对岩石热膨胀系数的影响,在于其主要矿物和次要矿物的热膨胀系数大小关系和体积模量之间比值关系,而在25℃～600℃温度范围内,体积模量的影响只造成了2%～4%的影响,因此可以忽略不计;试验值和理论值存在一定的偏差。
【关键词】：细观力学 热膨胀系数 岩石 热损伤
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 研究目的9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 岩石热损伤研究概况10
• 1.2.2 岩石热膨胀系数研究概况10-13
• 1.3 岩石的热膨胀及热膨胀系数13-15
• 1.3.1 岩石的热膨胀本质13-14
• 1.3.2 岩石热膨胀的影响因素14-15
• 1.4 研究内容与方法15-16
• 1.5 研究意义16-17
• 第2章 热膨胀系数的细观力学研究17-28
• 2.1 ESHELLBY相变问题与夹杂原理17-19
• 2.1.1 Eshellby相变问题17-18
• 2.1.2 等效夹杂原理18-19
• 2.2 岩石材料有效力学性能的计算19-25
• 2.2.1 有效力学性能与集中张量19-21
• 2.2.2 Eshelby法21-22
• 2.2.3 Mori-Tanaka方法22-23
• 2.2.4 自洽法23-24
• 2.2.5 三类均匀化方法比较24-25
• 2.3 岩石热膨胀系数的细观力学计算25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 热损伤对岩石热膨胀特性的影响28-61
• 3.1 岩石的热损伤28-30
• 3.1.1 岩石热损伤概念的引入28-29
• 3.1.2 岩石的热损伤机理29-30
• 3.2 岩石热损伤的影响因素30-31
• 3.3 岩石热损伤的检测技术31-32
• 3.4 岩石热膨胀特性试验的基本内容32-47
• 3.4.1 粉晶X射线衍射试验32-34
• 3.4.2 核磁共振试验34-38
• 3.4.3 单轴压缩变形试验38-40
• 3.4.4 超声波试验40-43
• 3.4.5 岩石热膨胀系数测定试验43-47
• 3.5 试验结果与分析47-60
• 3.5.1 粉晶X射线衍射分析47
• 3.5.2 孔隙度对热膨胀特性的影响分析47-51
• 3.5.3 杨氏模量对热膨胀特性的影响分析51-55
• 3.5.4 泊松比对热膨胀特性的影响分析55-56
• 3.5.5 岩石热膨胀系数随温度变化规律分析56-59
• 3.5.6 相变对于热膨胀特性的影响分析59-60
• 3.6 本章总结60-61
• 第4章 岩石热膨胀系数的细观力学分析61-66
• 4.1 体积模量对岩石热膨胀系数的影响61-63
• 4.2 热膨胀系数试验值与理论计算值对比63-65
• 4.3 本章总结65-66
• 第5章 结论与展望66-67
• 5.1 结论66
• 5.2 展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-73
• 附录73

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本文编号：1109078