■賀小波 于勝超

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221116）

紅砂巖高溫強(qiáng)度衰減數(shù)值模擬

■賀小波 于勝超

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221116）

為研究溫度對(duì)紅砂巖力學(xué)特性的影響，利用ANSYS和RFPA兩種軟件對(duì)高溫條件下紅砂巖的破裂機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)其力學(xué)參數(shù)（彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變）隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，巖石彈性模量隨溫度的升高而緩慢降低，抗壓強(qiáng)度在100℃時(shí)最低，在溫度為300℃~700℃之間，抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，且在500℃~700℃之間升幅很大，當(dāng)溫度大于700℃以后，抗壓強(qiáng)度迅速下降，峰值應(yīng)變最大值隨著溫度的升高不斷增加。

強(qiáng)度衰減ANSYS RFPA紅砂巖；破裂機(jī)理

在地?zé)豳Y源開采、核廢料處理等工程中都會(huì)涉及到地下高溫問題。研究不同溫度下巖石的力學(xué)性質(zhì)，了解其破壞機(jī)理是解決高溫環(huán)境下巖石工程問題的前提。本文以紅砂巖為研究對(duì)象，利用ANSYS和RFPA計(jì)算軟件，對(duì)不同溫度環(huán)境下（100℃、300℃、500℃、700℃、900℃）紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行數(shù)值研究，揭示紅砂巖的力學(xué)特性與溫度之間的關(guān)系。

1　研究方法

（1）通過ANSYS軟件建立計(jì)算模型，研究溫度對(duì)紅砂巖的彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變等力學(xué)性質(zhì)的影響。

（2）將ANSYS計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入RFPA軟件中，對(duì)巖石破壞過程中的起裂、變形局部化、成核，以及最終失穩(wěn)破壞的全過程進(jìn)行模擬。

2模型建立與參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模型采用二維平面應(yīng)力模型。模型長(zhǎng)10cm，寬5cm，如圖1所示。為了體現(xiàn)巖石內(nèi)部的離散性，將計(jì)算區(qū)域分成200個(gè)小區(qū)域，利用Weibull分布函數(shù)隨機(jī)生成分布在不同區(qū)域的巖石力學(xué)參數(shù)。取40GPa為巖樣的整體彈性模量，在MATLAB軟件中隨機(jī)生成200個(gè)符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的彈性模量值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將100℃、300℃、500℃、700℃、900℃時(shí)巖樣的平均熱膨脹系數(shù)取值為0.18、0.39、0.48、0.65、0.92。

3　結(jié)果分析

3.1彈性模量隨溫度變化規(guī)律

不同溫度下紅砂巖彈性模量的變化規(guī)律如下圖所示。

可以看出，高溫下彈性模量整體上隨著溫度的升高而降低，100℃~300℃降幅較大，由100℃時(shí)的0.383GPa降到300℃時(shí)的0.331GPa，降幅達(dá)到13.57%，說明在此溫度區(qū)間內(nèi)溫度對(duì)彈性模量的影響較大，而在500℃~900℃之間溫度對(duì)巖樣彈性模量的影響較小。

3.2峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨溫度變化規(guī)律

不同溫度下紅砂巖峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的變化規(guī)律如下圖所示。

可以看出，紅砂巖在不同溫度下抗壓強(qiáng)度是不斷改變的，抗壓強(qiáng)度在100℃時(shí)最低，在300℃~700℃之間巖石的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大，且在500℃~700℃之間升幅最大，可能是因?yàn)榧t砂巖內(nèi)部發(fā)生熱熔現(xiàn)象，促使一些小裂紋變小，甚至是愈合，從而導(dǎo)致巖石的致密性增加，抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)溫度大于700℃以后，巖石的抗壓強(qiáng)度迅速下降，由于紅砂巖內(nèi)部存在多種不同熱膨脹系數(shù)的礦物顆粒，這些顆粒的膨脹不協(xié)調(diào)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力，促使紅砂巖內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生。100℃~500℃的溫度區(qū)間內(nèi)紅砂巖峰值應(yīng)變隨著溫度的升高均勻增大，在500℃~900℃之間增大速度相對(duì)較

快，紅砂巖峰值應(yīng)變最大值隨著溫度的升高不斷增加，且增加速率逐漸加快。

3.3單軸壓縮下巖石破裂過程

以在ANSYS中得到的各溫度狀態(tài)下紅砂巖的材料性質(zhì)為RFPA中模型的初始參數(shù)，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，模擬結(jié)果如下（僅列舉100℃情況）。

可以看出，巖石的單軸壓縮破壞形態(tài)多以近似與軸向成一定角度的劈裂破壞為主。隨著溫度的升高紅砂巖斷裂面面積略為增大，且紅砂巖的脆性不斷減小，延性逐漸增大，巖石從脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)換為延性破壞，900℃時(shí)尤其明顯。在加載過程中，巖石內(nèi)部逐漸出現(xiàn)微裂紋，隨著加載的持續(xù)，微裂紋數(shù)目逐漸增多，最終導(dǎo)致試樣整體破壞。

［1］李夕兵，尹土兵，周子龍，等.溫壓耦合作用下的粉砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（12）：2377-2384.

［2］葉洲元，李夕兵，周子龍，等.三軸壓縮巖石動(dòng)靜組合強(qiáng)度及變形特征的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（7）：1981-1986.

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1000-405X（2016）-8-337-1