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黄金科学技术 ›› 2022, Vol. 30 ›› Issue (6): 935-947.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2022.06.041

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    下一篇

温度影响下花岗岩宏、细观力学性质演化规律

杜广盛1(),陈世江1,2(),武海龙3   

  1. 1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010
    2.六盘水师范学院，贵州 六盘水 553000
    3.乌拉特前旗元大商贸有限责任公司，内蒙古 巴彦淖尔 014400
  • 收稿日期:2022-03-15 修回日期:2022-09-12 出版日期:2022-12-31 发布日期:2023-01-06
  • 通讯作者: 陈世江 E-mail:313362343@qq.com;chenshijiang_2003@163.com
  • 作者简介:杜广盛（1993-），男，陕西渭南人，博士研究生，从事矿山岩石力学细观分析研究工作。313362343@qq.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“考虑三维岩体结构面各向异性特征的剪切强度研究”(51564038);内蒙古自治区自然科学基金项目“岩石细观组构非均质定量化表征及其力学参数的评估”(2019MS05011);内蒙古自治区高等学校青年科技领军人才支持项目“煤岩裂隙界面特征及渗流力学机理的研究”(NJYT-20-A21)

Evolution of Macro and Meso Mechanical Properties of Granite Under the Influence of Temperature

Guangsheng DU1(),Shijiang CHEN1,2(),Hailong WU3   

  1. 1.College of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China
    2.Liupanshui Normal University, Liupanshui 553000, Guizhou, China
    3.Urad Front Banner Yuandashangmao Com. , Ltd. , Bayannur 014400, Inner Mongolia, China
  • Received:2022-03-15 Revised:2022-09-12 Online:2022-12-31 Published:2023-01-06
  • Contact: Shijiang CHEN E-mail:313362343@qq.com;chenshijiang_2003@163.com

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1

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477

摘要：

在地下工程中，温度变化对岩体力学性质有着极大的影响，而宏观力学性质与细观微裂隙发育损伤密不可分。为探究在温度循环条件下岩石细观损伤机理与宏观力学性质之间的关系，对花岗岩进行不同温度下的高温水冷循环试验，并采用低场核磁系统进行细观孔隙参数检测，同时开展了单轴抗压强度试验。结果表明：（1）温度的上升和循环次数的增加均会导致花岗岩弹性模量和单轴抗压强度力学性质的降低，400 ℃是花岗岩性质变化的临界点；（2）核磁检测可以获取试件的孔隙分布参数，由该参数及试件宏观性质变化可以得出，200~600 ℃时温度循环所引起的细观损伤规律有明显差异；（3）花岗岩损伤值随着温度的升高而升高，但温度循环引起的多次损伤随温度的升高呈现出先增加后减小的趋势。微裂隙尺度、含量与试件单轴强度、应变的相关性分别为-0.943和0.935。

关键词: 温度场, 温度循环, 损伤变量, 裂隙尺度, 裂隙含量, 强度特征

Abstract:

In many underground engineering construction，the temperature change has a great impact on the macro mechanical properties of rock mass.The macro mechanical properties of the rock mass are closely related to the development and damage of micro cracks.In order to explore the relationship between meso damage mechanism and macro mechanical properties under the condition of temperature cycling，the granite was tested with different cold and heat cycles under five temperature conditions of 200，300，400，500 and 600 ℃，and then the micro pore parameters were detected by low field NMR（nuclear magnetic resonance） system.The macro uniaxial compressive strength of granite specimens under different temperature conditions was tested by universal hydraulic testing machine.Finally，through the fitting analysis of macro mechanical properties and damage parameters，as well as the correlation detection and analysis of meso parameters and macro parameters，the evolution relationship between micro pore fracture parameters and mechanical properties of granite under the condition of temperature cycle was studied.The results show that：（1）The increase of temperature and the number of cold and hot cycles will lead to the decrease of mechanical properties such as elastic modulus and uniaxial strength of granite，and the influence of cold and hot cycles on the decrease of rock strength after 400 ℃ is more obvious.（2）Nuclear magnetic testing can effectively obtain the pore distribution parameters of specimens under different temperatures.Combined with the changes of meso parameters and macro properties，it can be concluded that when the temperature is below 400 ℃，the micro cracks and damage formed in the rock are mainly caused by factors such as water overflow and internal stress concentration，while when the temperature is higher than 400 ℃，the micro cracks are mainly formed by mineral crystal creep and crystal denaturation，and at this time，a large-scale fracture group will be formed.（3）The damage value of granite increases with the increase of temperature，but the multiple damage caused by cold thermal cycle increases first and then decreases with the increase of temperature.The correlation parameter between the size of micro cracks in granite and the uniaxial compressive strength of the specimen is -0.943，and the correlation parameter between the content of micro cracks and the strain of the specimen is 0.935.

Key words: temperature field, temperature cycle, damage variables, fracture scale, fissure content, strength characteristics

中图分类号: 

  • TD315

图1

试件制备及温度作用曲线"

表1

不同工况下的温度试验设计"

循环次数

/次

温度梯度及试样编号
200 ℃300 ℃400 ℃500 ℃600 ℃
2200-2300-2400-2500-2600-2
4200-4300-4400-4500-4600-4
6200-6300-6400-6500-6600-6
8200-8300-8400-8500-8600-8
10200-10300-10400-10500-10600-10

图2

温度循环及力学性质检测设备"

图3

不同温度及循环次数条件下试件质量损失率"

图4

不同温度工况下单轴压缩试验结果"

图5

不同温度及循环次数条件下花岗岩试件单轴应力—应变曲线"

图6

不同温度和循环次数条件下花岗岩试件单轴抗压强度"

图7

模量计算数据点选取"

表2

不同温度和循环次数条件下花岗岩试件弹性模量值"

循环次数/次不同温度条件下花岗岩试件弹性模量值
200 ℃300 ℃400 ℃500 ℃600 ℃
223.5319.0413.257.553.13
421.4717.2611.886.962.11
621.4117.0910.105.331.89
820.9415.688.984.430.38
1020.4914.218.883.540.37

图8

不同温度和循环次数条件下花岗岩试件弹性模量的变化"

图9

不同温度条件下花岗岩试件孔隙率变化规律"

图10

受温度场影响的花岗岩试件T2孔隙分布情况（a）~（e）温度相同、不同循环次数条件下试件T2孔隙分布情况；（f）~（j）循环次数相同、不同温度条件下试件T2孔隙分布情况"

表3

不同温度条件和温度循环次数后花岗岩试件损伤变量值"

循环

次数/次

不同温度条件下试件损伤变量值
200 ℃300 ℃400 ℃500 ℃600 ℃
20.12070.28850.50490.71780.8830
40.19770.35500.55610.73990.9212
60.19990.36140.62260.80080.9294
80.21750.41410.66440.83450.9858
100.23430.46940.66820.86770.9859

图11

不同温度循环次数与损伤变量关系"

图12

加热温度与循环损伤参数的关系"

表4

试件力学参数和细观孔隙参数"

温度工况单轴抗压强度/MPa应变/%Td/（n/a）Tn/ms
200-2104.820.47777.50422.241
200-4109.520.537109.69830.041
200-6109.160.536144.81131.371
200-8115.060.560126.03825.261
200-10105.490.516144.81135.983
300-298.900.478191.16429.931
300-4111.620.569191.16436.240
300-688.340.488191.16433.045
300-886.540.541204.90733.829
300-1086.930.543270.49634.615
400-285.960.604289.94239.848
400-494.020.704310.78654.052
400-686.790.806382.74955.569
400-888.180.864410.26557.884
400-1074.490.791439.76055.722
500-272.690.908439.76062.122
500-472.750.954410.26573.637
500-665.251.095580.522112.459
500-856.471.114580.522135.556
500-1048.771.224622.257155.082
600-260.611.637580.522162.011
600-431.711.455666.992188.872
600-635.711.766580.522192.529
600-88.922.202880.488516.347
600-109.582.328666.992479.786
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