细观尺度下岩石热变形破坏的实验研究

利用带扫描电镜的高温疲劳试验机等目前最先进的实验手段,实时观测了在温度和载荷同时作用下岩石在单向压缩和和拉伸中微细观结构的变化、缺陷演化方式和变形破坏过程,针对岩石的热膨胀是不可逆的,即它会受加温历史的影响,加热时和冷却后岩石结构有差异的特点,对岩石在温度载荷作用下的细观结构特征和细观破坏机理进行了较为系统的实验研究。得到了在不同载荷和温度作用下岩石中微裂纹萌生、扩展、断裂破坏等各个阶段清晰的SEM图像和数据。结合实时观测得到的数据和高清晰度图片,分析研究了岩石热细观损伤特性,探讨了载荷和温度的变化对岩石细观结构的影响。

加载历史对岩石热开裂破坏的影响

为了解决现有研究一般不考虑加载和加温的顺序,不论引起其热开裂破坏的加载历史如何,认为只要所加的载荷和温度值相同,其损伤演化过程和破坏强度将相同的问题。结合带扫描电镜的岛津SEM高温疲劳实验系统实时观测了石灰岩在不同加温和加载顺序下的热开裂破坏过程。从岩石微裂纹扩展的角度,计算不同加载顺序下其裂端能量释放率。理论与实验结果表明:岩石热开裂破坏受加载历史的影响,加温加载对岩石损伤破坏的影响是非线性耦合关系,高应力、低温和低应力、高温必须考虑其热-力耦合效应。岩石的热损伤是不可逆的,它会受加温历史的影响,在不同的加载顺序下其结果不同。

岩石热损伤-力耦合能量破坏准则研究

通过先升温后加载、先加载后升温的实验研究,论证了加载和升温历史对材料损伤破坏的影响。采用连续损伤力学方法,研究了岩石材料在变温环境下的热损伤破坏问题,基于能量理论推导出材料在同时考虑温度、载荷和损伤耦合效应的计算材料损伤余能释放率的余能函数。根据损伤余能释放率,建立了岩石热损伤破坏准则。指出研究岩石在温度和机械载荷作用下的损伤破坏行为,应考虑热损伤-力耦合效应。

岩石热-力作用过程的耦合

针对现有研究很少探讨加载和加温的历史对岩石热-力破坏的影响,利用带扫描电镜的岛津SEM高温疲劳实验机系统,通过先升温后加载和先加载后升温两种不同加载加温顺序的细观实验,实现了岩石试样在温度和力作用下的热-力耦合破坏全过程的实时监测,结果表明:加温加载途径对材料的变形破坏是有影响的,它们是相互耦合的非线性作用过程。从能量的观点理论计算了两种不同加载途径的应变能。理论和实验证明,岩石在温度载荷作用过程中,应考虑其热-力耦合效应。