力學(xué)大會(huì)2015集高溫作用下紅砂巖特性與聲發(fā)射特征研究

Researchonmechanicalpropertiesandacousticemissioncharacteristicsofredsandstone1，1，1，2，龍ZhangQiaona1,LiYushou2,LiuWeiqun2,WuYong3,WangZhaolong1（1StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering,221008, ；2NantongPolytechnicCollege,Nantong,226002, 摘要數(shù)隨溫度變化規(guī)律為：α3109T38107T20.0087T0.9803；低溫階:Therealtimelaboratorytestsaboutshyanzhouredsandstoneweredoneunderthetemperaturerangefrom25℃to900℃,andsimultaneouslydetectedacousticemissionssignal. yzedtheredsandstone’schangeofpeakstrain,modulusofelasticity,peakstress,thecoefficientofthermalexpansionwithtemperature.Observateredsandstone’smesofracturemorphologyunderdifferenttemperaturewithscanningelectronmicroscope.Establishredsandstonedamageconstitutivemodelofhightemperature.Theresultsshowthatthepeakstressofredsandstoneincreasedwiththetemperature,andreachedtheumat300C.Between300℃with900℃,thepeakstressofredsandstonereducedwithtemperatureandthepeakstrainincreasedrapidlywithtemperature.Thechangeofelasticitymoduluswithtemperatureonthewholeinaccordancewithnegativeindex,butthechangeisnotobviousbetween300℃with500℃.Thevariationofthecoefficientofthermalexpansionwithtemperature:α3109T38107T20.0087T0.9803.Inthelowphase(25℃~300℃),redsandstonecharacterizedbybrittlefailureintheprocessofcompression,andtheacousticemissionphenomenawerebursttype.Withtheincreaseoftemperature,therupturechangedfrombrittlefailuretoductilefailure,andtheacousticemissionphenomenawereearthquakeswarmtype.Onedimensionalthermo-mechanicalcouplingdamageconstitutiveequationcoincidewellwithexperimental：hightemperature;redsandstone;mechanicalproperties;的深部開采、高溫核廢料處理、巖石工程災(zāi)后重建、地?zé)岬拈_發(fā)與利用及煤炭的氣化等工程所處的地質(zhì)環(huán)境均涉及到高溫下的巖石力學(xué)問(wèn)題。因此，研在，針對(duì)高溫環(huán)境下及高溫后巖石力學(xué)特性的試驗(yàn)已經(jīng)有了大量的究。[3]等通過(guò)MTS815.03電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)焦作方莊煤層頂板加載兩種情況下的單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)不同高溫下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。另外還有很多學(xué)者做了相關(guān)的研究[1~3]現(xiàn)為內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)時(shí)伴隨聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)進(jìn)對(duì)高溫下及高溫后巖石力學(xué)特性與聲發(fā)射特性的綜合研究尚少。、等[6]對(duì)花崗巖的聲發(fā)射特性做了研究得到其熱破裂門檻溫度。[7~]先后研究了高溫后砂巖的聲發(fā)射特性和高溫下鹽巖的聲發(fā)射特性。韜[9]在20～800℃實(shí)時(shí)高溫下及400～800高溫冷卻后兩種情況下對(duì)徐州大理巖進(jìn)行了單軸壓縮和聲發(fā)射試驗(yàn)討了溫度對(duì)聲發(fā)射特性的影響。色。根據(jù)試驗(yàn)要求，將巖石加工成20mm×50mm的圓柱體試樣。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為6個(gè)為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散最小，本文所采用的紅砂巖試樣均取自一完整巖塊單軸壓縮試驗(yàn)采用的MTS810電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載，加熱設(shè)備采用生產(chǎn)的MTS653.04高溫爐，該高溫爐具有測(cè)控精度高、加溫速度快、保溫性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是MTS試驗(yàn)系統(tǒng)的配套設(shè)備。用顯微鏡取得巖石斷裂面并分析巖石破壞機(jī)理。聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍非表1經(jīng)歷不同實(shí)時(shí)高溫與單軸壓縮后紅砂巖的力學(xué)參量與表觀形態(tài) 54643（舍去 76 6 4762 44355 53734 7959583 Fig1Relationbetweenpeakstrainofredsandstoneand圖2紅砂巖峰值應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)Fig2Relationbetweenpeakstressofredsandstoneand圖3紅砂巖彈性模量與溫度的關(guān)Fig6RelationsbetweenElasticModulusofredsandstoneand根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將紅砂巖彈性模量隨溫度變化的曲線分為三個(gè)階的彈紅砂巖彈性模量隨溫度升高有明顯別為20.95%和28.6%彈性模量波動(dòng)較小，由300時(shí)的5.02GP升至500時(shí)的5.21GP僅有3.79%彈性模量降低主要是因?yàn)榧t砂巖的礦物組分熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致試件發(fā)生了擴(kuò)試件承載燒結(jié)作用使得試樣內(nèi)部黏土結(jié)合的更加緊強(qiáng)化了紅砂巖彈總體上看紅彈性模量在這一溫度段內(nèi)保持穩(wěn)紅砂巖試件內(nèi)部的燒結(jié)補(bǔ)其熱變形導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)試件的彈性模量隨著溫度的變化急劇下降。E6480.1exp(5104T R2 溫度的升高而增加，即巖體變形一直處于熱膨脹階段。對(duì)圖4曲線進(jìn)行多項(xiàng)式εT7107T32105T20.003T R2 圖4紅砂巖熱應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)Fig4Relationbetweenthermalstrainofredsandstoneand

圖5紅砂巖熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)Fig5RelationbetweenCTEofredsandstoneand熱膨脹系數(shù)在不斷增加。從100℃的1.80×10-3/℃到900℃的7.08×10-α3109T38107T20.0087T

R2 （e）700 圖6高溫下紅砂巖應(yīng)變-應(yīng)力-計(jì)數(shù)率關(guān)Fig6RelationsbetweenStrainandStress,RingCountRateofRedSandstoneunderHighTemperature圖6為實(shí)時(shí)高溫下紅砂巖應(yīng)力應(yīng)變、計(jì)數(shù)率曲線，從曲線上來(lái)看聲發(fā)射信號(hào)與應(yīng)力曲線對(duì)應(yīng)的比較好。聲在塑性變形階段，此時(shí)對(duì)應(yīng)于裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。計(jì)數(shù)率開始逐漸上然增大，巖石將的能量釋放產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，裂紋急劇擴(kuò)展、貫通，20℃時(shí)聲發(fā)射信號(hào)比100℃時(shí)聲發(fā)射信號(hào)活躍、頻繁，但是峰值計(jì)數(shù)率隙擴(kuò)張變大，紅砂巖脆性增強(qiáng)，所以峰值計(jì)數(shù)率變大。變強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間也變長(zhǎng)，計(jì)數(shù)率峰值也略有減小，這主要是由于溫度升高后紅砂巖試樣在整個(gè)變形破壞過(guò)程中都表現(xiàn),作了以下假設(shè)：①與載荷損傷損傷熱損傷為0載之前載荷損傷也為0損傷的主軸與應(yīng)軸應(yīng)變主軸重合。D(T)1

T T

7高溫作用下典型紅砂巖應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲Fig7ExperimentalandTheoreticalStress–strainCurvesofRedSandstoneunderDifferentTemperatures圖7為典型紅砂巖應(yīng)力（1（100℃~500℃階段紅砂巖峰值應(yīng)力較大，并在300℃時(shí)達(dá)到最大。紅砂巖峰（3（紅砂巖熱膨脹系數(shù)隨溫度上升不斷升高，其變化規(guī)律為α3109T38107T20.0087T0.9803（4（聲發(fā)射信號(hào)主要集中在塑性階段、應(yīng)變軟化與破壞階ZHAOYangsheng,WANGZhijun,KANGJianrong.Introductiontohotrockgeothermaldevelopment[M].Beijing:SciencePress,2004:1-14.(in)[2],詠,韜,,.高溫下大理巖力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,06:1237-[7],詠,韜.單軸壓縮下高溫后砂巖的聲發(fā)射特征巖土力學(xué) ,2010,40(2):157-郤保平,.高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱