紅砂巖高溫強度衰減數值模擬

■賀小波 于勝超

（中國礦業大學礦業工程學院江蘇徐州221116）

紅砂巖高溫強度衰減數值模擬

■賀小波 于勝超

（中國礦業大學礦業工程學院江蘇徐州221116）

為研究溫度對紅砂巖力學特性的影響，利用ANSYS和RFPA兩種軟件對高溫條件下紅砂巖的破裂機理進行分析，對其力學參數（彈性模量、峰值應力、峰值應變）隨溫度的變化規律進行研究。結果表明，巖石彈性模量隨溫度的升高而緩慢降低，抗壓強度在100℃時最低，在溫度為300℃~700℃之間，抗壓強度隨溫度的升高而增大，且在500℃~700℃之間升幅很大，當溫度大于700℃以后，抗壓強度迅速下降，峰值應變最大值隨著溫度的升高不斷增加。

強度衰減ANSYS RFPA紅砂巖；破裂機理

在地熱資源開采、核廢料處理等工程中都會涉及到地下高溫問題。研究不同溫度下巖石的力學性質，了解其破壞機理是解決高溫環境下巖石工程問題的前提。本文以紅砂巖為研究對象，利用ANSYS和RFPA計算軟件，對不同溫度環境下（100℃、300℃、500℃、700℃、900℃）紅砂巖的力學性質進行數值研究，揭示紅砂巖的力學特性與溫度之間的關系。

1　研究方法

（1）通過ANSYS軟件建立計算模型，研究溫度對紅砂巖的彈性模量、峰值應力和峰值應變等力學性質的影響。

（2）將ANSYS計算結果導入RFPA軟件中，對巖石破壞過程中的起裂、變形局部化、成核，以及最終失穩破壞的全過程進行模擬。

2模型建立與參數設置

數值模型采用二維平面應力模型。模型長10cm，寬5cm，如圖1所示。為了體現巖石內部的離散性，將計算區域分成200個小區域，利用Weibull分布函數隨機生成分布在不同區域的巖石力學參數。取40GPa為巖樣的整體彈性模量，在MATLAB軟件中隨機生成200個符合統計規律的彈性模量值，根據實驗數據，將100℃、300℃、500℃、700℃、900℃時巖樣的平均熱膨脹系數取值為0.18、0.39、0.48、0.65、0.92。

3　結果分析

3.1彈性模量隨溫度變化規律

不同溫度下紅砂巖彈性模量的變化規律如下圖所示。

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℃時的0.383GPa降到300℃時的0.331GPa，降幅達到13.57%，說明在此溫度區間內溫度對彈性模量的影響較大，而在500℃~900℃之間溫度對巖樣彈性模量的影響較小。

3.2峰值應力和峰值應變隨溫度變化規律

不同溫度下紅砂巖峰值應力和峰值應變的變化規律如下圖所示。

可以看出，紅砂巖在不同溫度下抗壓強度是不斷改變的，抗壓強度在100℃時最低，在300℃~700℃之間巖石的抗壓強度隨著溫度的升高而增大，且在500℃~700℃之間升幅最大，可能是因為紅砂巖內部發生熱熔現象，促使一些小裂紋變小，甚至是愈合，從而導致巖石的致密性增加，抗壓強度增大。當溫度大于700℃以后，巖石的抗壓強度迅速下降，由于紅砂巖內部存在多種不同熱膨脹系數的礦物顆粒，這些顆粒的膨脹不協調會使結構產生熱應力，促使紅砂巖內部微裂紋的產生。100℃~500℃的溫度區間內紅砂巖峰值應變隨著溫度的升高均勻增大，在500℃~900℃之間增大速度相對較

快，紅砂巖峰值應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下紅砂巖的材料性質為RFPA中模型的初始參數，進行單軸壓縮試驗，模擬結果如下（僅列舉100℃情況）。

可以看出，巖石的單軸壓縮破壞形態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換為延性破壞，900℃時尤其明顯。在加載過程中，巖石內部逐漸出現微裂紋，隨著加載的持續，微裂紋數目逐漸增多，最終導致試樣整體破壞。

［1］李夕兵，尹土兵，周子龍，等.溫壓耦合作用下的粉砂巖動態力學特性研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（12）：2377-2384.

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

［3］Umit Cicekli，George Z.Voyiadjis，Rashid K.Abu Al-Rub.A plasticity and anisotropic damage model for plain concrete［J］.International Journal of Plasticity，2007，23（10）：1874-1900.

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1000-405X（2016）-8-337-1