热力耦合作用岩石的微细观破坏力学

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 岩石力学研究概况 1 1.2 热力耦合岩石力学的工程背景 3 1.2.1 深部开采及煤地下气化 3 1.2.2 核废料深埋地质处置 5 1.2.3 其他背景 6 1.2.4 热力耦合岩石力学研究的意义 7 1.3 温度和应力对岩石力学行为的影响 7 1.3.1 围压对岩石力学性质的影响 7 1.3.2 温度对岩石力学性质的影响 14 1.3.3 岩石多场耦合 18 1.3.4 岩石的热开裂 21 参考文献 23 第2章 带加载装置的微细观破坏实验扫描电镜装置 29 2.1 扫描电镜简介 30 2.2 带加载装置的原位SEM工作原理 32 2.3 带加载装置的原位SEM加载方式 38 2.4 实验样品准备 40 2.5 典型实验结果 42 参考文献 44 第3章 砂岩热开裂的细观机制及模型 46 3.1 岩样制备及成分分析 47 3.1.1 砂岩试件制备 47 3.1.2 砂岩磨片结构分析 48 3.1.3 砂岩成分分析 49 3.2 高温SEM实验系统和升温流程 50 3.3 砂岩热开裂的细观实验 52 3.3.1 温度30℃、35℃、40℃、45℃和50℃的热开裂 52 3.3.2 温度100℃的热开裂 53 3.3.3 温度150℃的热开裂 53 3.3.4 温度200℃的热开裂 54 3.3.5 温度250℃的热开裂 58 3.3.6 温度300℃的热开裂 60 3.4 砂岩渐进热开裂过程及临界热开裂温度 61 3.4.1 砂岩裂缝结构变化的三阶段 62 3.4.2 砂岩热开裂的分类 63 3.4.3 砂岩热开裂的临界温度 63 3.5 砂岩热开裂机制和细观力学模型 65 3.6 不同温度影响下砂岩热裂纹的统计 68 3.7 不同温度影响下砂岩热开裂的分形演化特征 71 3.7.1 沿晶热裂纹的分形模型 74 3.7.2 晶内热裂纹的分形模型 75 3.7.3 沿晶和穿晶热裂纹的分形模型 76 3.8 砂岩热开裂的影响因素 79 3.8.1 岩石矿物成分的影响 79 3.8.2 岩石矿物结构的影响 80 3.8.3 矿物颗粒大小及形状的影响 80 3.8.4 黏土胶结类型和胶结程度的影响 81 3.8.5 升温速率的影响 81 参考文献 83 第4章 热力耦合作用下砂岩的细观拉伸破坏 86 4.1 拉伸破坏加载制度 87 4.2 低温热力耦合作用下砂岩的原位细观破坏过程 87 4.2.1 室温25℃时的破坏过程 88 4.2.2 温度30℃时的破坏过程 89 4.2.3 温度35℃时的破坏过程 90 4.2.4 温度40℃时的破坏过程 90 4.2.5 温度45℃时的破坏过程 91 4.2.6 温度50℃时的破坏过程 92 4.2.7 温度100℃时的破坏过程 93 4.3 高温热力耦合作用下砂岩的原位细观破坏过程 94 4.3.1 温度125℃时的破坏过程 94 4.3.2 温度150℃时的破坏过程 95 4.3.3 温度175℃时的破坏过程 98 4.3.4 温度200℃时的破坏过程 100 4.3.5 温度250℃时的破坏过程 102 4.3.6 温度300℃时的破坏过程 104 4.4 热力耦合作用砂岩破坏实验参数 106 4.4.1 不同温度下砂岩的荷载-位移曲线 106 4.4.2 不同温度下砂岩的名义应力-应变曲线 108 4.4.3 热力耦合砂岩的破坏荷载及位移 110 4.4.4 温度对砂岩抗拉强度的影响 114 4.4.5 热力耦合砂岩破坏位置分布 115 4.5 热力耦合作用砂岩破坏分析和讨论 117 4.6 基于实验的热力耦合作用砂岩的分段强度理论 120 参考文献 123 第5章 热力耦合作用下砂岩拉伸断裂韧性及微变形测量 124 5.1 不同温度影响下砂岩的拉伸断裂韧性 125 5.1.1 实验介绍 125 5.1.2 热力耦合作用下砂岩拉伸断裂实验结果 126 5.1.3 热力耦合作用下砂岩的断裂韧性分析 127 5.2 不同温度影响下拉伸砂岩断裂的微变形场测量 134 5.2.1 岩石断裂微变形场测试原理 135 5.2.2 砂岩拉伸断裂过程局部微变形测量 137 5.2.3 砂岩拉伸断裂过程全场微变形测量 140 参考文献 143 第6章 不同温度处理后细观砂岩三点弯曲破坏机制 145 6.1 三点弯曲砂岩试件制作及实验介绍 146 6.1.1 三点弯曲砂岩试件尺寸 146 6.1.2 三点弯曲砂岩试件热处理过程 148 6.1.3 三点弯曲砂岩破坏实验流程 148 6.2 不同温度热处理后砂岩三点弯曲细观破坏过程 149 6.2.1 室温25℃的破坏过程 149 6.2.2 温度50℃的破坏过程 150 6.2.3 温度100℃的破坏过程 152 6.2.4 温度125℃的破坏过程 155 6.2.5 温度150℃的破坏过程 157 6.2.6 温度175℃的破坏过程 160 6.2.7 温度200℃的破坏过程 162 6.2.8 温度300℃的破坏过程 164 6.2.9 温度400℃的破坏过程 166 6.2.10 温度500℃的破坏过程 167 6.2.11 温度600℃的破坏过程 169 6.3 不同温度热处理后砂岩三点弯曲破坏的荷载-位移曲线 170 6.4 不同温度热处理后砂岩的断裂机理 172 6.5 均质和非均质砂岩三点弯曲破坏机理的模拟分析 174 参考文献 180 第7章 不同温度热处理后砂岩的弯曲断裂及破坏参数 181 7.1 不同温度热处理后砂岩三点弯曲的断裂韧度 182 7.2 不同温度热处理后砂岩的弯曲断裂能 186 7.3 温度对砂岩的弹性模量影响 191 7.4 温度影响下砂岩的热损伤模型 197 7.4.1 砂岩试件的热损伤 197 7.4.2 热处理后砂岩的损伤演化方程 198 7.5 热处理后砂岩试件的延性比 200 参考文献 204 第8章 热力耦合作用下砂岩的断口形貌及细观机制 206 8.1 热力耦合作用下砂岩的微观断口形貌比较 207 8.1.1 不同温度影响后的局部解理断口 207 8.1.2 不同温度影响后的局部疲劳断口 212 8.1.3 温度影响后的塑性特征 216 8.2 热力耦合作用下砂岩破坏的细观机制 217 8.2.1 解理断裂与准解理断裂 217 8.2.2 疲劳断裂 230 8.2.3 沿晶断裂 234 8.2.4 非主断裂面的二次裂纹和碎裂破坏 236 8.2.5 局部延性断裂 238 8.2.6 其他断口形貌 239 8.3 岩石细观破坏过程的损伤描述 246 8.4 扫描电镜下断口形貌的三维重建及分形维数的测量 247 8.4.1 断口形貌三维重建基本原理 248 8.4.2 岩石断口表面形貌SEM实验 249 8.4.3 岩石断口表面形貌三维重构结果 250 8.4.4 断口表面分形维数的计算 252 参考文献 256 第9章 热力耦合作用下岩石的屈服和流变模型 258 9.1 热力耦合作用下岩石变形破坏过程的能量耗散和能量释放分析 258 9.2 热力耦合作用下岩石破坏的热力学理论基础 260 9.2.1 岩石体积单元的能量守恒定律 260 9.2.2 熵的产生——热力学第二定律 261 9.2.3 热力耦合作用下岩石破坏的本构 263 9.3 基于能量耗散和能量释放原理的热力耦合岩石破坏准则 265 9.3.1 受压情况的整体破坏准则 267 9.3.2 受拉情况的整体破坏准则 268 9.4 热力耦合作用下岩石的屈服破坏 269 9.5 热力耦合作用下岩石流变模型的本构 274 9.5.1 热力耦合作用下的流变元件 274 9.5.2 热力耦合作用下的西原模型的本构 275 9.5.3 模型讨论 282 参考文献 285 第10章 结束语 287