■賀小波 于勝超

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院江蘇徐州221116）

紅砂巖高溫強度衰減數(shù)值模擬

■賀小波 于勝超

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)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(shù)（彈性模量、峰值應力、峰值應變）隨溫度的變化規(guī)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(huán)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(huán)境下（100℃、300℃、500℃、700℃、900℃）紅砂巖的力學性質進行數(shù)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(wěn)破壞的全過程進行模擬。

2模型建立與參數(shù)設置

數(shù)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(xiàn)巖石內部的離散性，將計算區(qū)域分成200個小區(qū)域，利用Weibull分布函數(shù)隨機生成分布在不同區(qū)域的巖石力學參數(shù)。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(tǒng)計規(guī)律的彈性模量值，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將100℃、300℃、500℃、700℃、900℃時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℃時的0.383GPa降到300℃時的0.331GPa，降幅達到13.57%，說明在此溫度區(qū)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(guī)律

不同溫度下紅砂巖峰值應力和峰值應變的變化規(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(fā)生熱熔現(xiàn)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(shù)的礦物顆粒，這些顆粒的膨脹不協(xié)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(qū)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(tài)下紅砂巖的材料性質為RFPA中模型的初始參數(shù)，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(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(xiàn)微裂紋，隨著加載的持續(xù)，微裂紋數(shù)目逐漸增多，最終導致試樣整體破壞。

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1000-405X（2016）-8-337-1