实时高温作用下岩石力学特性实验研究

发布时间：2020-08-06 15:34

【摘要】：煤炭地下气化、核废料处理、高温岩体地热开采等地下工程岩体均处在相对较高的温度环境中。高温作用下岩石的力学特性与室温有着很大的不同,对相关地下工程岩体的稳定性有重要影响。本文选取典型的沉积岩(砂岩)、变质岩(大理岩)、火成岩(花岗岩),采用自主设计的加热方法,研究了高温作用下岩石的力学特性,主要结论如下:(1)初步建立了实时高温作用下的岩石力学实验方法。自主设计了用于岩石力学测试的高温加热炉和高温试样单轴抗压、抗拉、剪切夹具,进行了试样温度标定。(2)揭示了砂岩在高温作用下的力学特性。400℃以内,实时高温和温后两种作用下,砂岩单轴抗压强度均随温度升高而缓慢降低,最大降幅相当,均小于9%;400℃以后,随温度升高,实时高温作用下的砂岩单轴抗压强度急剧增加,温后砂岩的强度总体呈下降态势;随着温度的升高,实时高温和温后两种作用下的砂岩的弹性模量均逐渐下降,实时高温作用下的降幅小于温后;实时高温作用下,随着温度的升高砂岩的抗拉强度呈现下降的趋势,在200℃时降幅近50%,800℃时达81.27%。200℃时,砂岩剪切强度与常温时相比下降了23.47%;200~800℃,随着温度的升高,砂岩剪切强度急剧增加,200℃时增幅为9.02%,800℃时,增幅为87.82%。(3)揭示了大理岩在高温作用下的力学特性。400℃以内,实时高温和温后两种作用下,大理岩单轴抗压强度均随温度升高而缓慢降低,且高温作用后下降幅度大;600℃时,实时高温作用下仍呈下降,而高温作用后却比400℃时大,但仍小于常温;800℃时,实时高温作用下大理岩抗拉强度比600℃时大,而温后作用下,却比600℃时小;随着温度的升高,实时高温和温后两种作用下的大理岩的弹性模量均逐渐下降,在600℃内,实时高温作用下的降幅大于温后;到800℃时,下降幅度相当。随着温度的升高,实时高温作用下大理岩抗拉强度呈现下降的趋势。200℃时,大理岩剪切强度与常温时相比增幅为234.55%;200~600℃,随着温度的升高,实时高温作用下大理岩剪切强度减小,800℃时与600℃相比,增幅是141%,且实验所测温度点与常温相比均增大。(4)揭示了花岗岩高温作用下的力学特性。实时高温作用下和高温作用后,花岗岩抗压强度和弹性模量的变化趋势一致,均呈下降趋势。随着温度的升高,实时高温作用下花岗岩抗拉强度呈现下降的趋势。高温作用下砂岩剪切强度200℃时,花岗岩剪切强度与常温时相比增大了81.18%;200~800℃,随着温度的升高,高温作用下花岗岩剪切强度呈减小趋势。(5)揭示了温压耦合作用下岩石的破坏机制。实时高温作用下,室温~400℃,实验用砂岩强度轻微减小的原因是孔隙率增大,实验用砂岩400℃以后内部发生烧结反应,晶体颗粒间的细微颗粒逐渐增多,一方面增大了晶体颗粒间的接触面,另一方面增加了颗粒间的摩擦,产生强度强化现象。实时高温作用下,室温~600℃,实验用大理岩强度降低的原因是孔隙率增大,实验高温作用下大理岩在600℃~800℃阶段,一方面大理岩延性增强,流动性增大,另一方面由于白云岩分解物氧化钙和氧化镁的混合物填充导致其强度增大。实时高温作用下花岗岩强度为总体下降趋势的原因是花岗岩的孔隙率增大。实时高温作用下三种岩石的抗拉强度和高温作用后三种岩石抗压强度总体呈现下降趋势的原因是:经温度作用后其岩石的孔隙率增大。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD315
【图文】：

单轴抗压强度,温度关系,花岗岩

石力学已经成为了岩石力学的一个新方向，高温岩石力学能源安全有着极其重要的作用。现阶段的研究主要集中在从微观角度研究较少。本文主要是选用三种典型的沉积岩过研究其实时高温作用下岩石力学特性以及从微观角度分下岩石力学特性。外研究现状(Research Status at Home and Abro温作用下岩石的单轴抗压强度条件下，岩石的单轴抗压强度仍为最常使用的岩石力学性研究结果表明，不同岩性岩石的单轴抗压强度随温度的变来说，大部分岩石经历高温后其强度呈现出下降的趋势，而岩盐[3]在实验温度区间表现出完全相反的变化趋势。图 1 1-4 分别为文献中花岗岩、钙质岩、大理岩和砂岩正规化变化趋势图。其中正规化是将所需测试温度点的数据与室温数据的倍数关系。

钙质岩,温度关系,单轴抗压强度,大理岩

BB[27]; XL[28]; Mlm, Trs, KKB, LS[29]图 1-2 钙质岩正规化单轴抗压强度与温度关系图Fig.1-2 The curve of dimensionless of uniaxial compressive strength antemperature of calcareous rock, MM[27];XM[28];KP, BT[29];SC[30]图 1-3 大理岩正规化单轴抗压强度与温度关系图

单轴抗压强度,大理岩,温度关系

3, MM[27];XM[28];KP, BT[29];SC[30]图 1-3 大理岩正规化单轴抗压强度与温度关系图 curve of dimensionless of uniaxial compressive strength and temperat-1、图 1-2、图 1-3 可以看出，花岗岩、钙质岩以及大理岩的影响下呈现出总体下降的趋势。400℃前，实验测得的些温度点表现出较明显的差异，其抗压强度无明显变化甚幅下降趋势。400℃后，所有岩石的单轴抗压强度均持续

【参考文献】