06 热应力作用下的岩石破裂过程分析
《热-力耦合作用下单裂隙花岗岩裂隙及渗透性演化规律研究》范文
《热-力耦合作用下单裂隙花岗岩裂隙及渗透性演化规律研究》篇一一、引言随着对地质工程和地球科学领域的深入研究，热-力耦合作用下的岩石力学行为及其对裂隙和渗透性的影响逐渐成为研究的热点。
花岗岩作为地球上广泛分布的岩石类型之一，其裂隙和渗透性演化规律的研究对于地质工程、岩石力学、地下水动力学等领域具有重要意义。
本文以热-力耦合作用下的单裂隙花岗岩为研究对象，探讨其裂隙及渗透性演化规律。
二、研究背景与意义花岗岩作为一种典型的岩石类型，具有高度的结构复杂性和物理特性变化多样性。
其裂隙发育及渗透性能在自然环境与工程实践中都发挥着重要作用。
随着地下工程建设（如隧道、矿井等）的不断发展，岩石的稳定性问题及地下水动力学问题日益突出。
因此，研究热-力耦合作用下的单裂隙花岗岩裂隙及渗透性演化规律，有助于揭示岩石的力学行为、预测裂隙发育趋势、评估地下工程的稳定性及地下水动力学特性，具有重要的理论意义和实际应用价值。
三、研究方法与实验设计本研究采用热-力耦合实验装置，对单裂隙花岗岩进行模拟实验。
实验过程中，通过控制温度和应力条件，观察并记录花岗岩的裂隙发育及渗透性变化情况。
具体方法如下：1. 实验材料选择：选用具有代表性的单裂隙花岗岩样品。
2. 实验装置：采用热-力耦合实验装置，包括温度控制系统、应力加载系统及渗透性测试系统。
3. 实验过程：首先，在室温下对花岗岩样品进行应力加载，观察其应力-应变关系；然后，在保持应力不变的情况下，逐渐升高温度，观察温度对裂隙发育的影响；最后，测试不同条件下的渗透性变化情况。
4. 数据记录与分析：记录实验过程中的应力、温度、裂隙发育及渗透性变化数据，分析热-力耦合作用下的裂隙及渗透性演化规律。
四、实验结果与分析1. 裂隙发育规律：在热-力耦合作用下，单裂隙花岗岩的裂隙发育呈现一定的规律性。
随着温度的升高和应力的增大，裂隙逐渐扩展、连通，形成更为复杂的裂隙网络。
同时，温度和应力的相互作用也会影响裂隙的发育方向和形态。
岩体的热力学分析
岩体的热力学分析摘要岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量，岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。
根据非平衡热力学理论，从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。
在岩石的变形破坏过程中，热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源，导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化，从无序分布逐渐向有序发展，形成宏观裂纹，最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整体失稳(灾变)。
从力学角度而言，它实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。
从热力学上看，岩石(岩体)这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程，包含能量耗散和能量释放。
两者关系：岩体总体灾变实质上是能量耗散和能量释放的全过程，而灾变瞬间是以能量释放作为主要动力。
1、为什么要进行岩体的热力学分析？岩石是自然界的产物，是由多种矿物晶粒、胶结物和结构面组成的混杂体。
亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动，使得岩石中含有不同尺度的随机分布的各种形状的孔隙和裂纹。
这表明岩石是一种很特殊很复杂的地质材料，它不是离散介质(存在结构面的联结)，但也不是完全义上连续介质(存在各种缺陷)，因此岩石的力学响应具有明显的非线性各向异性以及随时间变化的流变特性¨。
岩石组织结构上的这些特点决定了不能完全从经典的固体力学理论出发去研究岩石力学，必须要从认识上进行研究思路变革，发展新的理论和方法来准确描述岩石这种地质材料的本质特征与力学行为 。
因此 ，在考察岩石的力学特性时 ，所研究的并非是一个孤立体系或封闭体系，而是一个远离平衡的开放体系 ，这就必须采用非平衡热力学的研究方法，传统的经典理论及断裂理论采用平衡热力学进行描述只能是一个近似。
对于非平衡 热力学的研究 ，应用最广的是普利高津(Prigogine)提出的耗散结构理论。
所谓耗散结构是指，在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中通过能量耗散过程和内部的非线性动力学机制来形成或维持的宏观时空有序结构。
《2024年三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》范文
《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程是地质学、岩土工程学等领域的重要研究内容。
随着科技的发展，对岩石破裂过程的研究已经从传统的实验室试验逐渐转向了数值模拟和计算机仿真。
本文旨在分析三维条件下的岩石破裂过程，并探讨其数值试验方法，为相关领域的研究提供理论依据和指导。
二、岩石破裂的基本原理岩石破裂是岩石在外力作用下产生的破坏现象。
岩石的物理性质、地质构造、温度和压力等因素都会对岩石的破裂过程产生影响。
岩石破裂过程中，通常伴随着能量释放和裂纹扩展等现象。
为了研究这些现象，我们需要了解岩石的物理性质和力学性质，如弹性模量、泊松比、强度等。
三、三维条件下的岩石破裂过程分析在三维条件下，岩石的破裂过程变得更加复杂。
需要考虑的因素包括地应力场、岩层结构、节理裂隙等因素的影响。
这些因素不仅会影响岩石的力学性质，还会影响裂纹的扩展和演化过程。
因此，在分析三维条件下的岩石破裂过程时，需要采用多种方法和手段。
首先，需要利用地质勘探手段获取岩石的物理性质和地质构造信息。
这些信息是进行数值模拟和计算机仿真的基础。
其次，需要利用岩石力学理论分析岩石的力学性质和破坏机理。
这包括对岩石的弹性、塑性、断裂等力学行为的深入研究。
最后，需要利用数值模拟和计算机仿真技术对岩石的破裂过程进行模拟和分析。
这可以更好地理解岩石的破裂机制和演化规律。
四、数值试验方法研究数值试验是研究岩石破裂过程的重要手段之一。
在三维条件下，需要采用更加先进的数值试验方法。
其中，有限元法、离散元法和颗粒流法等是常用的数值试验方法。
有限元法是一种常用的数值模拟方法，可以用于模拟岩石的弹塑性变形和破坏过程。
在有限元法中，将岩石划分为有限个单元，通过求解单元的力学平衡方程来模拟岩石的变形和破坏过程。
离散元法则是一种适用于模拟非连续介质的方法，可以更好地模拟岩层结构、节理裂隙等因素对岩石破裂过程的影响。
颗粒流法则是一种基于颗粒间相互作用的方法，可以更好地模拟岩石的颗粒特性和破坏机制。
爆破作用下的岩石破碎和破裂机理研究
爆破作用下的岩石破碎和破裂机理研究岩石爆破技术已经广泛的应用于矿山开采及工程施工中，然而，爆破作用下的岩石破碎和破裂机理非常复杂，需要进行系统的探讨。
介绍了常见的爆破破岩理论，分析了炸药在岩石中爆破作用的范围，包括压碎区、破裂区及震动区，分析了各范围的作用机理及破坏特点。
标签：爆破岩石破碎压碎区破碎区震动区1引言在工程施工、矿山开采等活动中，经常需要对岩石进行爆破。
爆破时，需要根据施工要求及岩石的特点，选择合适的爆破手段。
研究爆破作用下的岩石破碎和破裂机理，对于精确掌握爆炸作用下的岩石破碎区域、破裂程度与炸药类型的关系，掌控爆炸效果，优化爆破方案具有重要的意义。
2爆破破岩理论介绍2.1爆炸气体产物膨胀压力破坏理论根据爆炸气体产物膨胀压力破坏理论，岩石中的炸药爆炸时，产生了大量的气体，温度和压强不断增大，随着气体的不断膨胀，产生了强大的压力作用在岩石岩壁上。
因为各方位的作用力不同，引起了不同的径向位移，形成了剪切应力。
当剪切应力达到一定程度后，会引起岩石的破裂。
根据爆炸气体产物膨胀压力破坏理论，岩石只有在爆炸气体作用的时间内发生破碎，且产生冲击波的能量仅占炸药总能量的5%～15%，这样少的能量很难使整块岩石破碎。
实际应用说明，在爆炸时，还有其他作用对岩石产生了巨大的影响。
2.2冲击波引起应力波反射破坏理论根据冲击波引起应力波反射破坏理论，岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。
该理论的主要依据：（1）冲击波波阵面的压力比爆炸气体产物的膨胀压力大得多；（2）岩石的抗拉强度比抗压强度低得多，在自由面处确实常常发现片裂、剥落现象。
（3）根据应力波理论：压缩应力波在自由面处反射成为拉伸应力波。
2.3爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用根据该理论，岩石的破坏是高温、高压气体和应力波共同作用的结果。
爆炸时产生的高温、高压气体和应力波有不同的作用。
炸药爆炸后在岩石中产生爆炸冲击波，使炮孔周围附近的岩石被“粉碎”；由于消耗大量的能量，冲击波衰减为应力波，在粉碎区之外造成径向裂隙，反射应力波使这些裂纹进一步扩展；爆炸时产生的高温、高压气体，会发挥“气楔作用”使裂隙扩大，并最终贯通形成岩块。
地质工程领域中岩石破裂机理的研究
地质工程领域中岩石破裂机理的研究岩石破裂机理的研究在地质工程领域中具有重要意义。
了解岩石的破裂机理有助于预测地质灾害风险、设计工程结构、选择合适的工程钻孔方案等。
本文将从地质力学、岩石力学以及地质工程中的破裂机理三个方面探讨岩石破裂的原因和机制。
地质力学是研究地球的力学性质和形变规律的学科，对于理解岩石的破裂机理至关重要。
地质力学认为，岩石的破裂是由地球内部的应力和岩石本身的力学性质共同作用所引起的。
地球内部的应力主要来源于地壳板块的运动和地质构造的活动，而岩石的力学性质取决于其组成、结构和成岩历史等因素。
当外界应力超过岩石的强度极限时，岩石就会发生破裂。
破裂过程包括岩石的裂纹扩展、断裂面的形成以及岩块的位移等。
岩石力学是研究岩石在外界载荷的作用下的变形和破坏规律的学科，对于揭示岩石的破裂机理起着重要的作用。
岩石力学认为，岩石在承受外界载荷时，会发生弹性变形、塑性变形或破坏。
弹性变形是指岩石在外加载荷作用下发生临时性的形变，当外力撤离时，岩石会恢复原状；而塑性变形是指岩石在外加载荷作用下发生永久性的形变，即超过岩石的弹性限度；破坏是指岩石承受外界载荷超过其强度极限时发生的失稳过程，包括岩石的断裂、破碎以及位移等。
地质工程中的破裂机理研究需要结合地质力学和岩石力学的理论，并在实际工程中进行观测和实验。
例如，在岩土工程中，需要了解地下岩石的裂缝分布和性质，以选择合适的工程钻孔方案、地下开挖方案以及支护措施。
又如，在岩石爆破工程中，需要了解岩石的破裂特点和断裂面发展规律，设计合理的爆破参数，以减少地震震动和岩石飞溅对周围环境的影响。
破裂机理研究的方法主要包括实地观测、实验室试验以及数值模拟。
实地观测是通过采集岩石样本或直接观察地质现象来获取数据，如钻孔取芯、岩石裂纹分析等。
实验室试验是在控制条件下进行的，可以模拟出不同应力状态下岩石的变形和破裂过程，如压力试验、拉力试验等。
数值模拟是利用计算机进行的，通过建立数学模型和模拟算法对岩石的破裂过程进行模拟，如有限元法、离散元法等。
06 热应力作用下的岩石破裂过程分析
第25卷第10期岩石力学与工程学报V ol.25 No.10 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006热应力作用下的岩石破裂过程分析唐世斌1，唐春安1，2，朱万成3，王述红3，于庆磊3(1. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622；3. 东北大学岩石破裂与失稳中心，辽宁沈阳 110004)摘要：热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。
岩石热破裂研究的工程意义重大。
根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。
数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。
运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。
研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。
数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。
RFPA2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。
关键词：岩石力学；热应力；非均匀性；数值模拟；热开裂中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2071–08 NUMERICAL INVESTIGATION ON ROCK FAILURE PROCESS INDUCEDBY THERMAL STRESSTANG Shibin1，TANG Chun′an1，2，ZHU Wancheng3，WANG Shuhong3，YU Qinglei3(1. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China；2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；3. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China)Abstract： Rock failure induced by thermal stress is called thermal cracking. It is the result of thermal and mechanical coupling. Based on the basic theory of rock deformation and thermodynamics，considering the heterogeneity and the coupling of thermal and mechanics，a numerical model，RFPA2D-thermal code，is proposed. With this model，the temperature and stress fields can be determined. The most important is that the failure process of rock induced by thermal or external stress can be simulated. Using this numerical model，the failure progresses of a rock sample with an inlaid grain was modelled during the change of temperature. It turns out that during temperature increment，if the thermal expansion coefficient of the inlaid grain is larger than that of the surrounding media，radial-cracks will be generated in the surrounding media，and theta-cracks emerge if the thermal expansion coefficient of inlaid grain is smaller than that of the surrounding media. The results agree well with the experimental results. The RFPA2D-thermal model provides a new method for analyzing the thermal cracking of rock samples in microscopic view.Key words：rock mechanics；thermal stress；heterogeneity；numerical simulation；thermal cracking收稿日期：2005–07–20；修回日期：2005–11–11基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504003)作者简介：唐世斌(1980–)，男，2003年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事热应力作用下的岩石破裂数值分析方面的研究工作。
岩石热损伤微观机制与宏观物理力学性质演变特征研究以典型岩石为例
岩石热损伤微观机制与宏观物理力学性质演变特征研究以典型岩石为例一、本文概述岩石，作为地球的重要组成部分，承载着地壳的稳定性和地形的形成。
然而，在地质活动、地热资源开发和工程建设中，岩石经常受到高温环境的影响，产生热损伤。
这种热损伤不仅影响岩石的微观结构，还进一步影响其宏观物理力学性质，从而对工程安全和地质环境稳定性产生深远影响。
因此，研究岩石热损伤的微观机制与宏观物理力学性质的演变特征，对于理解岩石在热环境下的行为规律，预测和防治地热资源开发和工程建设中的地质灾害，具有重要的理论价值和现实意义。
本文旨在以典型岩石为例，深入探讨岩石热损伤的微观机制，揭示其宏观物理力学性质随温度变化的演变特征。
通过结合实验研究、理论分析和数值模拟等手段，我们期望能够建立一个全面的岩石热损伤演化模型，为地热资源开发和工程建设提供科学的理论依据和技术支持。
本文还期望通过揭示岩石热损伤的微观机制，为岩石力学的相关研究提供新的视角和思路。
二、岩石热损伤微观机制研究岩石热损伤是指岩石在高温环境下，由于热应力、热膨胀和热化学反应等作用，导致岩石内部产生损伤和破坏的现象。
这种损伤不仅影响岩石的物理力学性质，还可能引发地质灾害。
因此，深入研究岩石热损伤的微观机制，对于理解岩石在高温下的行为特征，以及预测和防治相关地质灾害具有重要意义。
在微观尺度上，岩石热损伤主要表现为矿物颗粒间的热应力破裂、矿物颗粒的热膨胀破裂以及热化学反应引起的损伤。
这些微观损伤随着温度的升高而逐渐累积，最终导致岩石的整体力学性质发生变化。
矿物颗粒间的热应力破裂是由于岩石内部不同矿物颗粒的热膨胀系数不同，在高温下产生热应力，当热应力超过矿物颗粒间的结合力时，就会发生破裂。
这种破裂形式在岩石中表现为微裂纹的产生和扩展。
矿物颗粒的热膨胀破裂是指矿物颗粒本身在高温下发生热膨胀，当热膨胀超过矿物颗粒的弹性极限时，就会发生破裂。
这种破裂形式在岩石中表现为矿物颗粒的破碎和重新排列。
《2024年三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》范文
《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程的研究对于地质工程、岩石力学、地震学等多个领域具有重要意义。
随着科技的发展，三维条件下的岩石破裂过程分析逐渐成为研究的热点。
本文旨在探讨三维条件下的岩石破裂过程分析方法，并研究其数值试验方法，以期为相关领域的研究提供参考。
二、三维条件下的岩石破裂过程分析2.1 岩石破裂的基本原理岩石破裂是指岩石在受到外力作用时，内部应力超过其承受极限，导致岩石发生破裂的现象。
在三维条件下，岩石的破裂受到多种因素的影响，如应力状态、岩石性质、温度、湿度等。
2.2 岩石破裂的过程分析在三维条件下，岩石的破裂过程可以分为四个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、破裂扩展阶段和完全破裂阶段。
通过对这四个阶段的分析，可以更好地理解岩石的破裂过程。
三、数值试验方法研究3.1 数值试验方法的选取针对三维条件下的岩石破裂过程分析，常用的数值试验方法包括有限元法、离散元法、边界元法等。
本文采用有限元法进行数值试验，以更好地模拟岩石的破裂过程。
3.2 有限元法的应用有限元法是一种广泛应用于岩土工程领域的数值分析方法。
在岩石破裂的数值试验中，通过将岩石划分为有限个单元，并设定相应的材料参数和边界条件，可以模拟岩石的破裂过程。
在三维条件下，有限元法可以更准确地描述岩石的应力状态和破裂过程。
3.3 数值试验步骤（1）建立岩石模型：根据实际需要，建立三维岩石模型，并划分有限个单元。
（2）设定材料参数和边界条件：根据岩石的实际性质，设定相应的材料参数和边界条件。
（3）施加外力：在模型上施加相应的外力，如重力、地震力等。
（4）数值计算：通过有限元法进行数值计算，得到岩石的应力状态和破裂过程。
（5）结果分析：对数值计算结果进行分析，得出岩石的破裂规律和影响因素。
四、结论本文通过对三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法的研究，得出以下结论：（1）在三维条件下，岩石的破裂受到多种因素的影响，包括应力状态、岩石性质、温度、湿度等。
岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究_张永彬
第25卷第9期岩石力学与工程学报V ol.25 No.9 2006年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006 岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究张永彬1，2，唐春安2，3，梁正召3，徐涛2，李连崇1(1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁沈阳 110004；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622；3. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024)摘要：岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。
大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。
一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。
岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。
在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。
通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA3D-Parallel并行分析系统。
算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。
应用RFPA3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。
关键词：岩石力学；岩石破裂过程；大规模；并行计算；区域分解；消息传递界面中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1795–07RESEARCH ON PARALLEL COMPUTATIONAL METHOD OFROCK FAILURE PROCESS ANALYSIS SYSTEMZHANG Yongbin1，2，TANG Chun′an2，3，LIANG Zhengzhao3，XU Tao2，LI Lianchong1(1. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China；2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；3. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China)Abstract：Rock engineering hazards are closely related to unstable failure of rocks. Numerical analysis of rock failure process of large-scale rock engineering needs effective，accurate and powerful computation，while traditional serial computation becomes incapable to solve these large-scale rock failure problems；and it is necessary to employ large-scale parallel computation technology. Rock failure process analysis(RFPA) code is one of the important numerical tools that can be used to investigate rock failure process. Based on the serial code of RFPA3D，a parallel computation model of rock failure process analysis is proplsed. We complete parallel stress analysis module of RFPA3D using finite element method on a cluster and integrate it with pre-processing and post-processing of RFPA3D installed on windows pc. The parallel program is performed using a distributed memory sparse linear iterative solver with preconditioning based on MPI(message passing interface). The linear收稿日期：2005–07–05；修回日期：2005–09–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374020，50490274，50504003，5047017)；中国教育科研网格计划项目(ChinaGrid)作者简介：张永彬(1979–)，男，2002年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学数值计算方面的研究工作。
材料的热应力和热裂纹分析
材料的热应力和热裂纹分析热应力和热裂纹是材料在高温作用下出现的重要问题。
热应力是指由于温度变化而产生的应力，而热裂纹则是由于热应力过大而引起的裂纹。
热应力和热裂纹的产生对材料的性能和可靠性有着重要的影响。
因此，准确分析和评价热应力和热裂纹是材料研究和工程应用中不可或缺的一环。
热应力的分析是对材料内部和表面温度变化造成的力学响应进行研究。
当材料受热时，由于不同部位的温度变化不一致，会导致材料内部产生形变和应力。
热应力的大小与材料的线膨胀系数、弹性模量以及温度梯度有关。
对于长时间高温作用下的材料，热应力的影响尤为显著。
热应力的分析可以通过有限元模拟方法进行计算，通过建立材料的几何模型和应力分析模型，可以准确地预测材料受热时的应力分布情况。
热裂纹的分析是对材料受热引起的裂纹形成和扩展进行研究。
由于热应力的作用，材料内部会产生应力集中，当热应力超过材料的断裂强度时，就会引起裂纹的产生。
热裂纹的形成和扩展是一个涉及热传导、应力应变和断裂力学等多个因素的复杂过程。
研究热裂纹的形成机理和扩展规律可以为材料的优化设计和使用提供重要参考。
在材料的热应力和热裂纹分析中，还需要考虑材料的物理性质、热传导特性以及加热和冷却过程等因素。
材料的物理性质包括热膨胀系数、热导率、热容等，这些参数会直接影响到热应力和热裂纹的产生和发展过程。
热传导特性是指材料内部热的传递方式和速率，对于材料受热和冷却的过程，需要考虑热传导的影响。
加热和冷却过程中的温度变化速度也会对材料的热应力和热裂纹产生影响，过快或过慢的温度变化可能导致材料的损伤。
为了准确分析材料的热应力和热裂纹，可以采用实验测试和数值模拟相结合的方法进行研究。
实验测试可以通过测量材料的温度分布、应力分布以及裂纹形态等来获取相关数据。
常用的实验方法包括热膨胀系数测量、热应力测量和应变测量等。
数值模拟则可以通过建立适当的数学模型和计算方法，对材料的热应力和热裂纹进行数值计算和预测。
阐述岩石的应力应变全过程曲线
阐述岩石的应力应变全过程曲线应力-应变全过程曲线是研究岩石力学特性的重要指标之一。
它可以描述岩石在不同应力作用下的应变变化规律，揭示岩石的变形、破裂和失稳等行为。
岩石的应力-应变全过程曲线通常包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和破坏阶段。
首先是岩石的弹性阶段。
在这个阶段，岩石在外力作用下发生应变，但在去除外力后，能够完全恢复到初始状态，没有残余应变。
这是因为岩石在弹性阶段内，岩石的分子、原子间只发生了位置的微小位移，没有发生断裂或滑动。
岩石的弹性本性可以用胡克定律来描述，即应力与应变之间存在线性关系。
胡克定律表达为σ = Eε，其中σ为应力，E为弹性模量，ε为应变。
弹性模量是岩石抵抗变形的能力的物理量，它反映了岩石的刚性。
在这个阶段，应力-应变曲线呈现出线性关系，岩石的应力呈现出线性递增的趋势。
随着应力的增加，岩石进入屈服阶段。
在这个阶段，岩石开始发生塑性变形，即应力作用下，岩石发生了不可逆的应变。
当外力减小或去除时，岩石会有残余应变。
在这个阶段，应力-应变曲线的斜率减小，表明岩石的刚性有所降低。
接下来是岩石的塑性阶段。
在这个阶段，岩石的应力继续增加，而应变较为显著。
岩石逐渐失去了弹性，产生了更大的变形。
在这个阶段，岩石的应力-应变曲线呈现出韧性变形的特点，应力增加速率逐渐降低。
最后是岩石的破坏阶段。
当岩石的应力继续增加到一定程度时，岩石无法再承受外力的作用而发生破裂。
在这个阶段，岩石的破裂韧性降低，应力-应变曲线呈现出明显的下降趋势。
岩石的破坏通常伴随着岩石断裂带的形成，断裂带中存在裂纹和剪切面。
岩石的应力-应变全过程曲线对岩石力学性质的研究具有重要的意义。
它可以用来评价岩石的强度、变形能力以及抗破裂能力。
通过分析和比较不同岩石的应力-应变全过程曲线，可以对岩石的力学性质进行定量描述和比较，为地质工程设计和岩石工程地质问题的解决提供依据。
此外，岩石的应力-应变全过程曲线还可以用于岩石的动态力学特性研究，例如岩石的动态强度和岩石的动态断裂特性。
岩石破裂与断裂特征的实验研究
岩石破裂与断裂特征的实验研究岩石破裂与断裂特征一直是地质领域研究的重要课题之一。
通过对岩石破裂现象的实验研究，可以深入了解岩石在不同载荷下的应力分布、应力释放方式以及断裂过程中的介质变形等各个方面，为地质灾害预测、资源勘探与工程建设提供重要的理论依据。
本文将通过实验的方式探讨岩石破裂的机理及其断裂特征，并对实验结果进行详细分析和讨论。
实验材料与方法在进行岩石破裂实验之前，我们首先需要准备实验所需的材料和仪器设备。
对于岩石破裂实验而言，常用的材料有花岗岩、石灰岩、砂岩等。
根据实验需求，选择合适的岩石样本，并进行精细的制备和标定。
实验中使用的仪器设备包括应力-应变测量仪、压力仪、扫描电镜等。
应力-应变测量仪用于测量岩石在加载过程中的应力变化，压力仪可用于监测岩石内部的压力情况，扫描电镜用于观察岩石的断裂表面形貌。
实验设计与结果分析根据实验的目的和要求，我们可以设计不同类型的岩石破裂实验。
比如，可以通过加载单轴压缩实验来模拟地壳中的应力状态，观察岩石的变形过程和破裂特征；也可以进行剪切实验来研究岩石的剪切断裂机制。
以单轴压缩实验为例，实验开始时，将岩石样本放置在实验装置中，并施加垂直于样本轴向的加载力。
在加载的过程中，使用应力-应变测量仪记录岩石的应力变化情况，并及时观察和记录岩石的断裂特征。
实验结果显示，在加载初期，岩石的应力随加载力的增加而线性增加。
随着加载力的进一步增加，岩石出现了应力峰值，此时岩石发生了微细的裂纹形成。
当加载力继续增加时，岩石开始发生明显的破坏，断裂面逐渐扩展，最终导致岩石的断裂和破碎。
扫描电镜的观察结果显示，岩石的断裂面呈现出不规则的形态，具有明显的破碎纹理。
讨论与结论通过对岩石破裂实验结果的分析和讨论，我们可以得出一些初步的结论。
首先，在岩石单轴压缩实验中，岩石在加载初期表现出线性的应力-应变关系；当加载力继续增加时，岩石出现应力峰值，断裂面开始扩展，最终导致岩石的破裂和破碎。
岩石爆破破岩机理
岩石爆破破岩机理论文导读：岩体在冲击荷载的作用下产生应力波或冲击波，它在岩体中传播，引起岩石变形乃至破坏。
炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和运动。
爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移，由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样，质点位移所受的阻力就不同，最小抵抗线方向阻力最小，岩石质点位移速度最高。
破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出，形成一倒锥形的爆破漏斗坑。
岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波引起岩石破碎，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的，岩石是被拉断的。
同样，反射拉伸波也加强了径向裂隙的扩展。
关键词：爆炸，气体膨胀，应力波，爆破，自由面，径向裂隙岩体在冲击荷载的作用下产生应力波或冲击波，它在岩体中传播，引起岩石变形乃至破坏。
炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和运动。
由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，从而在岩石表面形成冲击波，并在岩石中传播。
1、爆生气体膨胀作用炸药爆炸生成高温高压气体，膨胀做功引起岩石破坏。
爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移，由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样，质点位移所受的阻力就不同，最小抵抗线方向阻力最小，岩石质点位移速度最高。
正是由于相邻岩石质点移动速度不同，造成了岩石中的剪切应力，一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度，岩石即发生剪切破坏。
破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出，形成一倒锥形的爆破漏斗坑。
2、爆炸应力波反射拉伸作用岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波引起岩石破碎，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的，岩石是被拉断的。
岩石爆破破碎正是爆生气体和爆炸应力波综合作用的结果。
因为冲击波对岩石的破碎作用时间短，而爆生气体的作用时间长，爆生气体的膨胀促进了裂隙的发展；同样，反射拉伸波也加强了径向裂隙的扩展。
岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。
应力波对岩石断裂的相关因素分析_陈静曦
第16卷 第2期岩石力学与工程学报V ol.16N o.21997 1997年4月Chinese J ournal o f Rock Mechanics and Engineering 16(1997),148—154应力波对岩石断裂的相关因素分析陈静曦(中国科学院武汉岩土力学研究所 武汉 430071)提要 岩石类材料具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度,对这类材料在应力波作用下断裂的相关因素分析是目前急待开展的研究课题。
为了解岩石类材料的动态断裂机理,首先就须找出与断裂相关的因素,以及由此导致的裂纹开裂、发展、止裂条件等。
通过拟对这些相关因素进行分析,探讨这些相关因素在动力断裂中的作用。
关键词 应力波,断裂机理,断裂相关因素1 前言动态断裂问题是一个非常复杂的问题。
即使对于静载荷来说是安全的结构物,受冲击荷载后也可能发生断裂或毁损。
岩石类材料的特点是含原生裂隙,这些原生裂隙是该类材料破坏的潜在因素。
当应力波作用于它时,裂隙就会扩展、贯穿,形成网状裂纹分布带,导致岩石材料的破碎和岩体的毁损。
在岩土工程加固问题中,为防止因裂纹的相互贯穿而出现围岩、边坡等失稳破坏,须在坑道或边坡上进行喷锚支护,抑制围岩内或边坡体中的裂纹生长。
在采矿工程施工中,为加快采掘速度,又利用裂纹的扩展以达到提高瓦斯抽放率的效果。
因此,岩石类材料动力断裂问题的研究,在理论上和实际工程应用中都具有较大意义,与之断裂相关因素的分析又是通向成功的必经阶段。
2 基本理论在研究岩石动力断裂相关因素之前,需对岩石动力断裂机理及特性进行分析。
动力断裂问题,本质上说是物体在外力作用下原子热运动的结果。
将动力断裂问题分类为:裂纹稳定而外力随时间迅速变化——包括振动、冲击、波动等;另一类为外力恒定,而裂纹发生快速传播。
本文拟对前一类问题进行分析研究。
任何一个物体,在受到冲击荷载作用时,在物体内部将出现应力的传播,我们称之为应力波。
应力波与岩石中的缺陷相遇,在波阵面处若出现材料密度的变化,就会产生波的反射、透射以及折射,在裂纹尖端处还将出现衍射现象,据弹性介质中的基本方程:ij,j+F i= u i(1) 1995年7月6日收到初稿,1995年9月15日收到修改稿。
爆破破岩机理讲解
用n表示，即：
n
r
W（5-1）
爆破作用指数n在工程爆破中是一个极重要的参数。 爆破作
用指数n值的变化，直接影响到爆破漏斗的大小、岩石的破碎
程度和抛掷效果。
3)爆破漏斗的分类
根据爆破作用指数n值的不同，将爆破漏斗分为以下四种:
①标准抛掷爆破漏斗。如图5-5之(a)所示，当r=W，即n=1
时，爆破漏斗为标准抛掷爆破漏斗，漏斗的张开角θ=90°。形
成标准抛掷爆破漏斗的药包叫做标准抛掷爆破药包。
②加强抛掷爆破漏斗。如图5-5(b)所示，当r＞W，即n＞1时， 爆破漏斗为加强抛掷爆破漏斗，漏斗的张开角θ＞90°。形成加 强抛掷爆破漏斗的药包，叫做加强抛掷爆破药包。
③减弱抛掷爆破漏斗。如图5-5(c)所示，当0.75＜n＜1时， 爆破漏斗为减弱抛掷爆破漏斗，漏斗的张开角θ＜90°。形成减 弱抛掷爆破漏斗的药包，叫做减弱抛掷爆破药包，减弱抛掷爆 破漏斗又叫加强松动爆破漏斗。
随后，爆轰气体产物继续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体 “楔入”在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进 一步张开。当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩 块作径向抛掷运动。
对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的作用程度是 不同的。
在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小的 条件下，应力波的破坏作用是主要的；
④松动爆破漏斗。如图5-5(d)所示，当0＜n＜0.75时，爆破 漏斗为松动爆破漏斗，这时爆破漏斗内的岩石只产生破裂、破 碎而没有向外抛掷的现象。从外表看，没有明显的可见漏斗出 现。
W W
W
r 45° 45°
θ
(a)
r
r
θ
(b)
r
岩石破裂过程的化学-应力耦合效应
岩石破裂过程的化学-应力耦合效应在岩石破裂过程中，应力是主要的驱动力。
当岩石受到外界应力的作用时，岩石内部的结构会发生变化，从而引起各种破裂现象，如微观裂纹的扩展、岩石的断裂等。
然而，岩石的化学性质也会对其破裂过程起到一定的影响。
首先，应力可以改变岩石的孔隙压力。
岩石内部存在着不同大小的孔隙，这些孔隙中包含有水、气体等物质。
当岩石受到应力作用时，孔隙中的压力会发生改变。
在一些情况下，如果孔隙中压力的变化超过了一定的临界值，就会引起化学反应的发生。
其次，应力还可以改变岩石中的溶解度和扩散速率。
岩石中存在着各种溶解物质，它们可以通过与岩石矿物的相互作用发生溶解反应。
应力的作用可以改变岩石矿物的结构，从而改变其溶解度和扩散速率。
在一些情况下，这些变化会导致溶液的饱和度改变，从而引起化学反应的发生。
此外，应力还可以引起岩石中的断裂。
岩石内部存在着各种微观裂纹，当受到应力作用时，这些裂纹会扩展并最终导致岩石的断裂。
这种裂纹扩展过程也会引起一系列的化学反应，如矿物的脱水变质、岩石的氧化等。
在岩石破裂过程中，化学-应力耦合效应不仅与岩石的物理性质有关，还与周围环境的化学性质密切相关。
例如，在地下水的存在下，岩石中的水会参与各种溶解反应和离子交换，从而改变了岩石的物理和力学性质，从而影响了岩石破裂过程。
总之，岩石破裂过程的化学-应力耦合效应是指应力引起的岩石破裂过程中发生的化学反应。
这一效应是岩石破裂的重要驱动因素之一，与岩石的物理性质以及周围环境的化学性质密切相关。
研究化学-应力耦合效应对于深入理解岩石破裂机理、预测地壳运动和地震等地质灾害具有重要意义。
有效破碎岩石---热力剥离破碎岩石试验
热力剥离破碎岩石试验①孙瑞民1a,赵秀绍1b,汤凤林1b,M.A.E M eдИH2(1.中国地质大学a.研究生院;b.工程学院,武汉430074;2.莫斯科国立地质勘探大学探矿采矿系,莫斯科117873)摘要:在莫斯科国立地质勘探大学实验室对热力剥离碎岩方法进行的试验研究表明,不同类型岩石(岩浆岩、沉积岩、变质岩)的抗拉强度均随加热温度的升高而降低,且降低幅度较大,因此钻进速度明显提高。
岩石破碎的形式与温度有关,当温度为500～600K时破碎是在组成岩石的矿物颗粒(晶粒)内部进行的;当温度超过600K时,破碎是在矿物颗粒间进行的。
技术比较先进并有发展前景的加热升温方法是火焰喷射法、电子束法、等离子法和激光法。
影响热力钻进发展的主要问题是没有合适的加热升温装置和碎岩工具,建议对此进行研究和开发。
关键词:热力剥离碎岩;岩石抗拉强度;颗粒破碎;颗粒间破碎;加热升温装置;热力碎岩工具中图分类号:P634.5文献标识码:A文章编号:1000-7849(2006)04-0096-05目前无论在地质钻探中,还是在石油钻井中,大多数情况下都采用机械方法破碎岩石,即在轴压和扭矩(剪切力)作用下破碎岩石,该法碎岩效率不高,钻头寿命较短,因此许多国家都在研究新的钻进方法[1]。
热力钻进是新的钻探方法之一。
美国政府的“国家先进钻掘技术计划(N A D E T)”建议大力研究和使用这种方法[2],俄罗斯也在进行这方面的工作[3]。
在热力钻进过程中主要使用2种碎岩方法:熔化碎岩方法和剥离碎岩方法。
俄罗斯和美国对熔化碎石方法已经进行了实验室研究并用于工程实践,取得了明显的技术经济效益;但对剥离碎岩方法,国内外研究却很少[4-6],因此研究这种剥离碎岩方法具有重要理论意义和实用价值。
1不同温度条件下的岩石破碎原理和过程1.1辉长闪长岩的破碎机理辉长闪长岩的组成(φB)为:拉长石25%,安山石35%,辉石33%,石英5%和含矿矿物2%。
岩石破裂与地震破裂的力学机制研究
岩石破裂与地震破裂的力学机制研究岩石破裂与地震破裂的力学机制一直是地球科学领域的研究热点之一。
岩石破裂是指岩石在外力作用下发生裂纹扩展和断裂现象，而地震破裂则是指地球内部能量积累到一定程度，导致断层发生破裂，释放出巨大的地震能量。
两者之间存在着密切的联系，对于深入了解地震发生机理和预测地震具有重要意义。
岩石破裂的力学机制主要与岩石的物理性质和应力状态有关。
在岩石中存在着各种不同类型的裂纹，如微裂缝、中等裂隙和大断层等。
当外力作用于岩石时，这些裂纹会随着应力的增大而扩展，最终导致岩石的断裂。
岩石的物理性质包括弹性模量、泊松比、抗拉强度、剪切强度等，这些参数决定了岩石的应变和变形特性。
应力状态则包括三个方向上的应力分量，即水平应力、垂直应力和剪切应力。
当剪切应力达到一定程度时，岩石就会发生断裂。
地震破裂的力学机制也与岩石的物理性质和应力状态有关。
地震是由于地球内部的构造运动导致断层发生破裂而产生的。
当地球内部能量积累到一定程度时，断层会发生滑动，释放出巨大的地震能量。
断层滑动的过程中，会产生弹性波、剪切波和压缩波等不同类型的波动。
这些波动会传播到地表并引起地震。
岩石破裂和地震破裂之间存在着密切的联系。
首先，岩石的物理性质和应力状态对地震的发生和演化具有重要影响。
其次，岩石中存在的各种不同类型的裂纹也是地震发生的重要因素之一。
最后，通过对岩石破裂机制的深入了解，可以为预测地震提供重要参考。
总之，岩石破裂与地震破裂的力学机制是地球科学领域的重要课题之一。
通过对其深入研究，我们可以更好地了解地震发生机理，并为预测地震提供重要参考。
岩石单轴受压条件下的岩石破坏过程
岩石单轴受压条件下的岩石破坏过程岩石是地球表面的主要构成材料之一，它经历了亿万年的压力和变形，因此具有很高的强度和稳定性。
然而，在一定条件下，岩石仍然会发生破坏。
在本文中，将讨论岩石在单轴受压条件下的破坏过程。
单轴受压是指岩石在一方向上受到压力加载的情况。
这种加载方式模拟了自然界中常见的地壳运动和地下工程活动，如地震和地下开挖。
岩石在这种情况下的破坏过程可以分为三个阶段：弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。
在弹性阶段，岩石受到压力加载时会发生弹性变形。
这意味着岩石会对加载产生一个恢复力，并且在加载释放后会返回到原始状态。
这是因为岩石内的矿物颗粒之间存在相互作用力，可以弹性地变形。
在这个阶段，应力与应变呈线性关系，即胡克定律。
弹性模量是岩石弹性特性的一个重要指标，它衡量了岩石受力变形的能力。
随着加载的增加，岩石将进入塑性阶段。
在这个阶段，岩石的变形不再是可逆的，而是它的分子和晶格结构发生了永久性的改变。
这是因为岩石内的微观缺陷逐渐发展，并相互连接形成裂缝。
这些缺陷可以是岩石的微观裂纹、矿物的断裂或晶界的滑移。
塑性变形会引起岩石体积的改变，并导致岩石的强度逐渐降低。
在这个阶段，岩石内的应力集中在存在缺陷的区域，从而加速了裂纹的扩展。
当加载进一步增加时，岩石将进入破坏阶段。
在这个阶段，岩石无法承受更多的应力，并发生不可逆的破坏。
在破坏发生之前，岩石内的裂纹将不断扩展和连接，形成更大的裂缝。
这些裂缝会导致岩石的断裂和破碎，最终导致岩石失去承载能力。
破坏的特征取决于岩石的类型和结构，如压裂、剪切、翻转等。
在单轴受压条件下，岩石的破坏是一个复杂的过程，受多种因素的影响。
首先，岩石的类型和成分将决定其弹性模量和强度。
例如，坚硬的岩石如花岗岩和玄武岩通常具有较高的强度，而软弱的岩石如泥岩和砂岩通常具有较低的强度。
其次，岩石的结构和缺陷会影响岩石的破坏模式和破坏速度。
裂纹和矿物的断裂有时会导致岩石的强度降低，加速破坏的发生。
地质力学与岩石破裂特性分析
地质力学与岩石破裂特性分析地质力学是研究地球表层和内部岩体的力学性质和运动规律的一门科学。
它的研究对象包括岩石、土体、构造和地球表层的各种运动变形现象。
岩石破裂特性是地质力学中的一个重要研究方向，对于地质灾害的预防、地质资源的开发利用以及建筑工程的设计施工都具有重要意义。
岩石破裂是指岩石中的内部断裂或破碎现象。
岩石的破裂过程可以分为两个阶段：前期变形和后期破裂。
前期变形是岩石在外部作用下发生的弹性变形和塑性变形，通过应力的积累和释放来适应外部环境的变化。
随着应力的进一步积累，岩石会达到破裂强度，进入后期破裂阶段。
这个阶段的特点是岩石内部发生破裂，形成裂隙和断裂面。
岩石破裂的特性受到多种因素的影响，主要包括岩石本身的力学性质、外部应力的作用、裂隙的存在和地质构造的影响等。
首先，岩石的力学性质决定了它的抗破裂能力。
不同类型的岩石具有不同的强度和韧性，这些性质直接影响了岩石的破裂过程和破裂形态。
其次，外部应力是驱动岩石破裂的主要力量，它可以由地壳运动、岩石受力变形等引起。
外部应力的大小和方向决定了岩石的破裂位置和方式。
裂隙的存在对岩石的破裂也有重要影响，它可以改变岩石的强度、韧性和渗透性等物理性质，进而影响岩石的破裂特性。
最后，地质构造是地壳中各种地质现象和作用的总称，它对岩石的破裂有重要影响。
构造变形可以改变岩石的受力状态，使岩石发生破裂并形成构造面。
岩石破裂特性的研究可以通过实验和数值模拟相结合的方法进行。
实验可以通过现场野外实验和室内岩石试样力学实验等进行。
现场野外实验可以观察岩石的断裂形式和变形特征等，室内力学实验可以对岩石的强度、韧性和变形特性等进行定量测量。
数值模拟通过建立岩石破裂的力学模型和数值计算方法来模拟和预测岩石破裂的过程和特性。
它可以辅助实验结果，加深对岩石破裂机制的理解。
岩石破裂特性的研究在许多领域都具有重要应用价值。
在地质灾害预防中，了解岩石的破裂特性可以帮助人们预测和评估地震、滑坡、崩塌等灾害的潜在风险，并采取相应的防御措施。
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第25卷第10期岩石力学与工程学报V ol.25 No.10 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006热应力作用下的岩石破裂过程分析唐世斌1，唐春安1，2，朱万成3，王述红3，于庆磊3(1. 大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024；2. 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁大连 116622；3. 东北大学岩石破裂与失稳中心，辽宁沈阳 110004)摘要：热应力引起的岩石破裂称为岩石的热破裂，它是热和力之间相互耦合作用的结果。
岩石热破裂研究的工程意义重大。
根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石的非均匀性和热固耦合作用，在原有的岩石破裂过程分析系统的基础上，建立了具有热固耦合作用的岩石热破裂分析模型。
数值模型再现岩石的热破裂过程，并反映岩石热破裂的规律。
运用数值模型，对含有单个内嵌颗粒的岩石试件在温度变化过程中的热开裂进行了数值模拟。
研究结果表明：在温度升高过程中，如果内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质的热膨胀系数，在基质内产生径向裂纹；如果内嵌颗粒的热膨胀系数小于基质热膨胀系数，便在基质内产生环向裂纹。
数值模拟结果与试验结果有较好的一致性。
RFPA2D-thermal模型为从细观力学角度上分析岩石的热破裂过程和机制提供了一种新的方法。
关键词：岩石力学；热应力；非均匀性；数值模拟；热开裂中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)10–2071–08 NUMERICAL INVESTIGATION ON ROCK FAILURE PROCESS INDUCEDBY THERMAL STRESSTANG Shibin1，TANG Chun′an1，2，ZHU Wancheng3，WANG Shuhong3，YU Qinglei3(1. School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116024，China；2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；3. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning110004，China)Abstract： Rock failure induced by thermal stress is called thermal cracking. It is the result of thermal and mechanical coupling. Based on the basic theory of rock deformation and thermodynamics，considering the heterogeneity and the coupling of thermal and mechanics，a numerical model，RFPA2D-thermal code，is proposed. With this model，the temperature and stress fields can be determined. The most important is that the failure process of rock induced by thermal or external stress can be simulated. Using this numerical model，the failure progresses of a rock sample with an inlaid grain was modelled during the change of temperature. It turns out that during temperature increment，if the thermal expansion coefficient of the inlaid grain is larger than that of the surrounding media，radial-cracks will be generated in the surrounding media，and theta-cracks emerge if the thermal expansion coefficient of inlaid grain is smaller than that of the surrounding media. The results agree well with the experimental results. The RFPA2D-thermal model provides a new method for analyzing the thermal cracking of rock samples in microscopic view.Key words：rock mechanics；thermal stress；heterogeneity；numerical simulation；thermal cracking收稿日期：2005–07–20；修回日期：2005–11–11基金项目：国家自然科学基金资助项目(50504003)作者简介：唐世斌(1980–)，男，2003年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事热应力作用下的岩石破裂数值分析方面的研究工作。
E-mail：tang_shibin@·2072·岩石力学与工程学报 2006年1 引言热应力是引起岩石破裂的一个重要因素，称热应力引起的岩石破裂为热破裂。
随着社会的发展和认识的深化，热破裂机制越来越多地受到重视。
它伴随着核废料的存储、石油开采、地热资源的开发利用等的研究而发展起来。
在核废料的存储中，由于核废料裂变而使围岩温度显著升高，导致岩石的热破裂，地下水的渗入会进一步加剧围岩破坏、甚至导致核素迁移，造成地下水污染；在石油开采中，利用岩石的热破裂，增加岩石的渗透性，有利于提高石油产量和质量，例如在石油的3次开采中，采用火烧油层的方法，降低油的黏度，同时诱发岩石破裂，从而提高储层渗透性，增加石油产量；在地热的开发利用中，从300 ℃以上的地下高温岩体中提取地热，注入的水将使地下岩体温度降低而导致热破裂。
由此以来，研究岩石的热破裂对实际工程意义重大。
引起热应力的基本条件是在约束下有温度的变化。
产生热应力的约束条件大致可以归纳为：外部变形的约束，相互变形的约束，内部各区域之间变形的约束。
就地质岩体而言，各矿物之间的物理力学性质有较大的差异，在温度变化时，由于内部各区域热变形的不协调而产生热应力；当有地温梯度存在时，即使没有外部约束，但由于相互变形的约束，也将产生较大的热应力。
由这些因素引起的热应力很容易导致岩石中弱介质的破坏，从而改变岩体力学性质和力学行为。
热应力引起的破坏问题的研究不仅仅局限于核电站建设、深部油气田开采和地热开发，还涉及到深部隧道掘进、桥梁、道路、建筑工程等众多领域[1～3]。
韩学辉等[4]、张元中等[5]分别对岩石热开裂的研究现状及其在工程学上的意义和应用前景进行了阐述，为热开裂的研究提供了方向。
陈颙等[6]对岩石的热开裂进行了一系列的试验研究，认为岩石热开裂现象可在3次采油中有潜在的应用意义。
吴晓东和刘均荣[7]从试验结果出发，对影响岩石热开裂的因素进行了初步的探讨和分析。
目前研究岩石热破裂的方法主要有试验方法[8～13]、热弹塑性方法[14，15]、断裂损伤力学[16～18]及数值试验方法[19～21]。
这些研究极大地丰富了岩石热开裂的研究成果，为相关领域的研究提供了试验和理论基础。
但是从以往的试验结果中也可以看出，由于试验本身的复杂性以及试验手段本身的局限性，物理试验无法深入了解岩石热破裂的本质特征，无法直观地看出岩石破裂过程中的应力场转移，也难以再现岩石的破坏过程。
断裂损伤理论虽然为裂纹的扩展及损伤的演化研究提供了手段，但他们也难以考虑到岩石的非均匀性特征。
有关热开裂的数值方法虽然取得了突破，有的甚至也考虑到了岩石的非均匀性[21]，但对岩石热破裂过程中的损伤演化缺乏必要的描述，其方法也不能较好地模拟热开裂裂纹的萌生、扩展过程。
正如W. D. Kingery[22]指出：“随着温度的变化，如果岩石是均匀材料，且是各向同性和没有约束的情况下，在岩体内部将不会有热应力产生。
……。
当岩石不满足这种理想假设，热应力的产生是必然的”。
因此，在研究岩石的热开裂中，必须考虑其非均匀性。
但在过去的长期研究中，人们为了研究上的方便，往往忽略岩石复杂的内部结构，把它们平均化和均匀化为宏观均匀连续体。
但事实上，岩石热开裂的实质是一个微裂纹的萌生、扩展、贯通，乃至失稳的过程，是一个细观到宏观的过程。
因此以往的理论模型就无法深入了解岩石在热应力作用下的内部微裂纹的萌生、扩展贯通，直至宏观裂纹形成，试样失稳破裂的整个过程，更无法反映岩石破裂过程中表现出来的变形局部化和内部介质破坏后的应力重分布等基本特征。
同时，岩石的非均匀性就决定了在温度变化的过程中，其内部介质的破裂存在先后顺序，先破裂的内部介质对局部或者整体模型应力场有影响。
当形成一定的裂纹后，在裂纹尖端应力场的作用下，裂纹就会不断地扩展，贯通，直至整个模型最后的失稳。
从模型的起始破裂到最后的失稳，实际上是一个破裂→应力场转移→破裂的循环过程。
内部弱介质的不断破坏对整个模型的最终失稳有不可忽略的贡献。
因此，对其破坏过程的研究也就显得尤为重要。
所以，要能够正确了解岩石的破坏行为，除了需要借助以前的力学理论，还要解决如下两个问题：一是采用何种方法对岩石的非均匀进行描述，以期在计算中能反映岩石的非均匀特性；二是不能忽略岩石破坏过程中力学参数的演化，应对其整个破坏过程进行描述才能反映出岩石破坏中出现的变形局部化以及应力场的转移等特征。
第25卷 第10期 唐世斌等. 热应力作用下的岩石破裂过程分析 • 2073 •为了解决目前热开裂研究中遇到的上述问题，根据岩体介质变形及其热力学的理论基础，充分考虑岩石非均匀性，以及热力之间的耦合作用，继承原有的岩石破裂过程分析系统(RFPA)的特色，开发出了热力耦合的岩石破裂过程分析系统(RFPA- thermal)，以期为热应力作用下的岩石破裂问题提供一种新的研究方法。