（固体力学专业论文）岩石热力化学TMC耦合断裂韧度与断裂机理研究.pdf

，。i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：墨里旦盘日期：皇旦生年上月尘日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录剑中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：娶亟日需一导师签名： e t 期：递年月三 t k +， 、 一 - ， 、 摘要 本文针对众多岩体工程中迫切需要解决的岩石温度一应力一化学 耦合断裂问题，采用理沦分析与试验验证相结合的方法，开展岩石温 度一应力一化学耦合断裂韧度与断裂机理研究，不仅对岩石断裂力学理 论的发展具有重要的理论意义，而且对岩体工程的强度计算、安全评 估、灾害预测等具有重要的实际意义。 通过化学动力学将化学与温度联系起来，提出了岩石温度一化学 损伤模型。考虑化学反应对温度的影响，通过温度作用下的弹性模量， 提出了岩石温度损伤模型。将温度一化学损伤和温度损伤综合考虑， 建立了岩石温度一应力一化学耦合损伤模型。基于损伤力学与断裂力学 理论，建立了岩石温度一应力一化学耦合应力强度因子计算公式。临界 应力强度因子耳| j 断裂韧度值与化学溶液初始浓度、化学反应时间、温 度以及岩石成分有关。 通过三点弯、平面压剪、反平面压剪实验分别测定了岩石热一力一 化学耦合i 型、i i 型、i i i 型断裂韧度，它们均随温度和化学溶液浓 度的增加而降低。断裂韧度实测值与理论值对比，两者吻合较好，验 证了岩石温度一应力一化学耦合应力强度因子计算公式的正确性。 从化学动力学的角度探讨了岩石热一力一化学耦合断裂机理，通过 能量守恒原理，推导出热损伤能变化率公式和化学功率公式，建立了 岩石热一力一化学耦合断裂能量率方程，为分析岩石热一力一化学耦合裂 纹扩展提供重要依据。 关键词热一化学一应力耦合，断裂韧度，损伤，断裂机理，岩石 亟堂位论塞 旦s ! 丛! a bs t r a c t t h e r m a l m e c h a n i c a l - c h e m i c a l c o u p l i n g f r a c t u r et o u g h n e s sa n d m e c h a n i c so fb r i t t l er o c ki ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a ll y , w h i c hi ss i g n i f i c a n tn o to n l yf o rt h ed e v e l o p m e n to fr o c kf r a c t u r e m e c h a n i c s b u ta l s of o rt h ec a l c u l a t i o no ff r a c t u r es t r e n g t h ，a s s e s s m e n t o fs a f e t ya n dp r e d i c t i o no fd i s a s t e ri nr o c km a s s t h e r m a l c h e m i c a lc o u p l i n gd a m a g em o d e la n dt h e r m a ld a m a g e m o d e lo fb r i t t l er o c ka r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h e m i c a lk i n e t i c sa n d c o n s i d e r a t i o no fe f f e c to ft e m p e r a t u r eo ne l a s t i cm o d u l u s ，r e p s e c t r i v e l y t h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gd a m a g em o d e lo fb r i t t l er o c ki s e s t a b li s h e db a s e do n d a m a g em e c h a n i c s b yc o m b i n i n gd a m a g e m e c h a n i c sa n df r a c t u r em e c h a n i c s t h ef o r m u l a eo f t h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ri sd e d u c e d i no r d e rt op r e d i c tt h ec r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ( i e f r a c t u r e t o u g h h e s s ) o fb r i t t l er o c ku n d e rt h e r m a l - m e c h a n i c a l - c h e m i c a lc o u p l i n g c o n d i t i o n t e n s i l e ( m o d ei ) ，p l a n es h e a r i n g ( m o d ei i ) a n da n t i - p l a n es h e a r i n g f m o d e i i i ) f r a c t u r e t o u g h n e s s o f b r i t t l er o c ku n d e r t h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gc o n d i t i o n a r ed e t e r m i n e db y t h r e e p o i n tb e n d i n g ，p l a n ea n da n t i p l a n ec o m p r e s s i o n s h e a rt e s t s t e s t r e s u l t ss h o wt h a tm o d ei ，m o d ei ia n dm o d ei l lf r a c t u r et o u g h n e s so f b r i t t l er o c k0k j c ，k | ”k c 、) a r e a l ld e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o no ft h ec h e m i c a ls o l u t i o n t h et e s t e dv a l u e s o ff r a c t u r et o u g h n e s sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t hc a l c u l a t i o nv a l u e so f f r a c t u r et o u g h n e s s ，w h i c hv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ef o r m u l a eo f t h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gs t r e s si n t e n s i t yf a c t o r t h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gm e c h a n i s mi ss t u d i e db yt h e c h e m i c a lk i n e t i c s t h ef o r m u l ao ft h e r m a ld a m a g ee n e r g yr a t ea n d c h e m i c a lp o w e ra r ed e d u c e da n de n e r g yr a t ee q u a t i o no ft h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gf r a c t u r eo fb r i t t l er o c ki se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e ，w h i c hp r o v i d e st h ei m p o r t a n t b a s i sf o r a n a l y z i n gt h e c r a c kp r o p a g a t i o no fb r i t t l er o c ku n d e r t h e r m a l m e c h a n i c a l c h e m i c a lc o u p l i n gc o n d i t i o n k e yw o r d s t h e r m a l c h e m i c a l m e c h a n i c a lc o u p l i n g ，f r a c t u r et o u g h n e s s ， d a m a g e ，f r a c t u r em e c h a n i s m ，r o c k i l 目录 摘要一l a b s t r a c t 一i l 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 热力( t m ) 耦合断裂研究现状2 1 2 2 力化学( m c ) 祸合断裂研究现状4 1 2 3 热力化学( t m c ) 耦合断裂研究现状6 1 3 本文主要工作7 第二章岩石t m c 耦合应力强度因子公式推导8 2 1 岩石t m c 耦合损伤模型8 2 1 1 热化学( t m ) 耦合损伤8 2 1 2 热力( t m ) 耦合损伤1 1 2 1 3 热力一化学( t m c ) 耦合损伤一1 2 2 2 岩石t m c 耦合应力强度凶子1 2 2 3 本章小结13 第三章岩石t m c 耦合断裂韧度实验研究15 3 1 试验方案1 5 3 1 1 材料15 3 1 2 试件15 3 1 3 测试方法一l 6 3 2 结果与分析1 8 3 2 1 断裂轨迹18 3 2 2 溶液浓度变化函数1 9 3 2 3 岩石t m c 损伤分析2 4 3 2 4 岩石t m c 耦合断裂韧度一2 7 3 3 本章小结3 6 第四章岩石t m c 耦合断裂机理分析3 8 4 1 岩石t m c 耦合作用机理3 8 4 1 1 热化学( t c ) 耦合作用机理3 8 4 1 2 力化学( m c ) 耦合作用机理3 9 4 1 3 热一力化学( t m c ) 耦合作用机理4 0 4 2 岩石t m c 耦合断裂能量分析4 1 4 2 1 热损伤能变化率4 2 4 2 2 化学功率4 2 4 2 3 能量率方程4 4 4 3 本章小结4 4 第五章结论与展望4 5 5 1 全文结论4 5 5 2 工作展望4 5 参考文献4 7 致谢5 1 硕士期间主要研究成果5 2 1 1 课题背景 第一章绪论 岩石类材料是由颗粒或晶体相互胶结在一起的矿物集合体，其物理力学性质 ：t 要取决于岩石的矿物成分和颗粒之间的胶结形式以及存在于岩石内部的微裂 纹。由于成岩过程的特殊性，岩石内部从微观到细观以及到宏观孕育了不同尺度 的断层、节理和层里等，导致岩石不可避免地存在着初始微裂纹和缺陷，对岩石 的力学性质产生直接而重要的影响。j 下是由于岩石的这一性质，许多重大灾害事 故如美国t e t o n 坝溃坝事故、意大利v a j o n t 拱坝库区岩体大滑坡等，都与裂隙 岩体断裂有关，因此岩石断裂问题受到了国内外科学工作者的重视。 在核废料深埋处置、油气地下储备、资源深部开采、水利水电和地下空间的 开发利用等众多岩体工程中，岩石所处的地质环境十分复杂，热( t h e m a l ) 、力 ( m e c h a n i c a l ) 、化学( c h e m i c a l ) 耦合( 简称t m c ) 作用，致使岩石的力学性 质更为复杂。随着核电技术的不断发展，核能在能源消耗结构中的比例不断增大， 核废料处置问题已r 益受到人们的重视。仅我国的大亚湾核电站、秦山核电站以 及其余四个兴建核电站每年就产生核废料几百立方米，如何安全处置核废料逐渐 成为涉及我国生存环境的问题。目前常用的方法是将核废料存储于地层深处，但 由于受到核辐射放热和地下化学腐蚀的作用，使得对存库周罔岩体的安全性分析 和评估变得相当复杂，要解决这一难题必须对岩石热一力一化学( t m c ) 耦合断裂 问题进行深入研究。随着世界能源的r 趋紧张，我国开始加大石油、天然气等战 略能源的储备，深部岩体能源战略储备已变得越来越重要。同时，由于地表矿产 资源的同益枯竭导致资源逐步转入深部开采以及深部地下空间的开发及利用使 得我国在相关重大地下工程实践中面临科学技术上的挑战，因而对j 二岩石热一力一 化学( t m c ) 耦合断裂问题的研究就变得尤为重要。此外，随着我国经济的高速 发展，环境日趋恶化，大量排放的工业废水、被化学因素污染的地表水和地下水 以及同趋严重的酸雨对水库大坝基坝的腐蚀己变得不可忽视。在温度变化以及这 些化学溶液腐蚀的长期作用下岩石发生变形断裂进而导致工程事故的发生，因而 岩石热一力一化学( t m c ) 耦合断裂问题的研究已成为一项紧迫任务。 本文针对岩体工程中迫切需要解决的岩石热一力一化学耦合( t m c ) 断裂问题进 行理论和实验研究，分析热一力一化学耦合( t m c ) 作用对岩石断裂韧度与断裂机理 的影响，不仅对岩石断裂力学发展具有重要的理论意义，而且对困民经济建设具 有重要的应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 热一力( t m ) 耦合断裂研究现状 1 热一力耦合力学特性研究 岩石热丌裂已有三十多年的研究历史，大多数人主要是在实验的基础上对岩 石热开裂现象进行研究。文献【1 2 对温度作用下岩石的变形模量、泊松比、抗拉 强度、抗压强度、内聚力、内摩擦角、粘度等参数进行了测定，并讨论了热膨胀 系数对岩石热开裂的影响。文献【3 】从断裂力学的角度研究了应力强度因子与晶 内裂缝之间的关系。岩石热丌裂主要与矿物成分的热学与力学性质有关，会受到 矿物热膨胀不匹配、热膨胀各向异性以及矿物颗粒形状的影响1 4 j 。文献【5 】研究了 石英长石的热膨胀系数与温度和围压的关系及其对岩石内部和表面热开裂的影 响。文献【6 】根据不同温度热处理的花岗岩试件的裂隙微观特征及宏观力学性质， 建立了抗拉强度与微裂隙密度的关系式，当裂隙密度较小或者说热处理温度不 高( 低于4 5 0 ) 时，其理论结果可与实验结果较好吻合。 对于金属材料，强度随温度升高而降低，由脆性变为塑性【7 】。对于混凝土等 材料，变温荷载也会引起力学性能的改变1 8 l 。对于岩石，一般情况下随着温度的 升高，其承载能力会得到加强，当温度超过某一j 瞄界值以后强度会减小。岩石断 裂韧度随温度变化的规律与强度相似，在达到临界值以前，随温度的升高断裂韧 度会随之增大，当超过临界温度后，断裂韧度会随温度的升高而减小。文献【9 】 通过实验研究不同温度作用下小尺寸双边缺口砂岩试件的断裂韧度，发现温度与 断裂韧度存在非线性指数关系，当温度从2 5 升至l j l 5 0 时，断裂韧度会随之升 高；当温度由1 5 0 。c 升高n 3 0 0 ，断裂韧度则随之下降，+ 1 5 0 是断裂韧度的临 界温度。文献【1 0 】通过巴西圆盘试验研究了高温高压石灰岩的断裂韧度，在温度 不是太高时断裂韧度比室温情况下的要大。文献【1 1 】利用改进的三点弯曲试验， 研究了温度作用下花岗岩的断裂韧度，7 5 c 时断裂韧度出现极值，在2 0 0 。c 以后呈 下降趋势。可见，在热一力耦合作用下岩石断裂力学特性主要与岩石矿物成分的 热学与力学性质有关，无论强度值还是断裂韧度值，均与温度存在非线性关系， 一般情况下还存在一个临界温度，当达到此临界温度时，岩石强度、断裂韧度值 为最大。 2 热一力耦合断裂机理研究 岩石的热开裂( t m ) 是一个微裂纹的萌生、扩展、贯通乃至失稳的过程，是 一个从细观到宏观的过程。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，直至整个模型最后失稳。岩石破裂后发生应力转移，导致岩石进一步发生破 2 裂直至失稳，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。 文献【1 2 建立了热力耦合作用的数值模型，并进行了岩石热丌裂数值模拟。结果 表明：升温过程中，当基质的热膨胀系数小于内嵌颗粒的热膨胀系数时，基质与 内嵌颗粒分别处于拉伸状态和压缩状念，摹质最终是以径向裂纹的形式破坏；当 基质的热膨胀系数大于内嵌颗粒的热膨胀系数时，基质和内嵌颗粒分别处于压应 力和拉应力状态，基质最终是以环向裂纹的模式破坏。文献【1 3 】对致密花岗岩在 热作用下形成的裂缝进行了研究，发现岩石的连通性有所提高，产生的新裂缝的 长度取决于晶粒形状和尺寸。文献【1 4 】对高温作用下的石英孔隙度变化机理进行 了研究。文献【1 5 】发现在不同温度条件下细砂岩微结构具有明显变化，微裂纹的 形成与发展与温度有关，细砂岩微裂纹的宽度、长度随温度的变化具有突变性。 文献 1 6 1 通过实验发现花岗岩的微观孔隙半径随着温度的升高会先减小，当温度 超过1 2 5 后，孔隙半径会随温度升高增大。文献 1 7 】通过声发射和弹性波速测 量法对不同温度下的玄武岩热开裂进行了监测，大量的热开裂发生在3 0 0 - 6 0 0 范围内。文献 1 8 1 9 表明：在临界温度以前，岩石中粘土矿物因温度升高而改变， 同时内部吸附水或层间水分的蒸发使粘土胶结物强度升高，导致岩石整体强度增 大；在达到临界温度以后，粘土胶结物表面出现热干裂，矿物颗粒表面的发生热 开裂，导致岩石强度随温度升高而降低；随着温度的继续升高，岩石结构开始从 晶态向非晶态转变，岩石性质发生了脆塑性转变的相变行为，岩石失去承载能力。 可见，岩石在温度作用下会发生热开裂，这与岩石本身的矿物组成和结构有关； 同时，在温度作用下岩石中粘土矿物会发生改变，吸附水或层问水分会蒸发；若 温度达到一定高度，岩石还会发生相变行为，这些冈素的综合作用决定着热一力 耦合作用下岩石的力学特性。 3 热一力耦合断口形貌研究 断口形貌的研究最仞是用于金属材料的，岩石断口形貌的研究最近3 0 多年才 发展起来，由于岩石的均质性较差，对其研究要比金属困难一些。岩石的断裂是 外部荷载、温度和内部缺陷的共同作用结果，其断口记录了岩石断裂不可逆变形 和裂纹的发生、扩展直至断裂的信息，因而通过断口分析可以定性地分析岩石断 裂机制，揭示岩石的断裂性质和破坏机理。国内外多是研究常温下岩石断口形貌， 岩石断口微观形貌最为典型的花样可概括为以下几种【2 0 】：( 1 ) 河流状花样( 解 理断裂) ；( 2 ) 台阶状花样( 解理断裂) ；( 3 ) 舌状花样( 解理断裂) ；( 4 ) 鱼骨状花样( 解理断裂) ；( 4 ) 根状花样( 解理断裂) ；( 5 ) 晶界断裂花样( 沿 晶断裂) ；( 6 ) 平行滑移线花样( 剪切断裂) ；( 7 ) 蛇行滑动花样( 剪切断裂) 。 文献【2 1 2 2 通过地质断裂面研究认为利用断口形貌可以推测断裂的起源和断裂 模式。关于高温下i 型断裂断1 2 1 形貌研究表明【2 3 j ，随着温度的升高，砂岩由脆 3 性断裂逐步向局部脆性和延性耦合断裂机制转变，而且低温下的断口较为光滑平 坦，高温下的断口较为；f f l 糙。文献【2 4 】对室温至3 0 0 c 范围内的花岗岩断v i 形貌 进行了分析，断口宏观表现较为粗糙，四周无明显的剪切唇，为脆性的结晶状断 口；微观表现为解理断裂，微观断口相对较平整光滑，没有明显的二次裂纹；在 2 5 0 - 3 0 0 温度区问内出现严重的破碎形貌，断口上有长而深的二次裂纹，显示 了颗粒间( 晶问) 断裂为主的特征。同时也表明，在主裂纹形成的过程中，断裂可 能是沿着几个方向同时发展的。文献 2 5 2 6 对高温i i 型断裂断1 ：3 形貌进行了研 究，随着温度的升高，断口微观特征表现为岩石裂纹核增大，断口多为穿晶断裂， 晶面光滑且具有多而密的平行条状纹和较多岩屑等典型的剪切形貌。岩石的宏观 断裂轨迹基本上沿原裂纹面破坏，红砂岩多表现为穿晶断裂与沿晶断裂混合型， 在温度达至1 j 2 5 0 之前，穿晶断裂居多；在温度达至1 j 2 5 0 之后，沿晶断裂开始多 于穿晶断裂，并且晶体断裂面出现小的晶屑及孔坑。目前，关于岩石高温断裂的 断口相貌研究仍然较少。 1 2 2 力一化学( m c ) 耦合断裂研究现状 1 力一化学耦合力学性能研究 对于金属材料，其弹性模量和屈服强度在化学腐蚀作用下会减小【2 7 j 。对于 岩石，在化学溶液腐蚀下，矿物组成和微细观结构会发生变化，同样会使岩石强 度发生改变。而且岩石强度具有很强的时间效应，不但与岩石的物理性质和矿物 成分以及岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性有关，而且与溶液种类、浓 度、p h 值密切相关，其中p h 值的影响更为明显，当p h 值越小( 酸性) 和p h 值越大 ( 碱性) 时，化学腐蚀效应越大。文献 2 8 1 发现化学溶液对岩石强度腐蚀效应表 现为化学溶液浸泡后，岩石强度一般会有所下降，浓度、p h 值均相同时，化学溶 液对岩石腐蚀程度受化学成分影响明显；当浓度、化学成分相同时，p h 值的变化 对强度腐蚀效应亦很明显；在相同化学环境下，不同岩石的强度腐蚀效应、规律 不同。文献 2 9 1 发现在溶解阶段，相同的溶解时间内岩盐试样所溶解的质量( 即 宏观溶解速率) 与岩盐试样所处的应力一应变状态有关。应力作用下岩盐溶解速 率的变化可以通过溶解质量( 即宏观溶解速率) 与轴向塑性应变和溶解时间之问 的关系来进行定量的描述。也有不少人研究了力一化学耦合作用对岩石断裂韧度 和应力强度因子的影响，表明断裂韧度与水一岩化学反应的强度成反比，水一岩反 应的断裂力学效应和抗压缩性效应存在一致性：岩石中的含铁离子或钙离子的矿 物及胶结物成分是水一岩化学作用力学效应的关键离子或物质成分，尤其是含铁 离子的矿物作用对水一岩反应具有正反两方向的力学效应。文献【3 0 】对不同化学 性质的水溶液作用下的两种花岗岩和两种砂岩进行了三点弯曲试验，结果表明水 4 岩化学作用对岩石裂纹的断裂韧度和临界张开位移有显著的影响，并且具有时 间效应。文献31 1 通过不同应力状态下的试验，对岩石断裂特性的化学环境侵蚀 进行了研究，与空气侵蚀条件相比，裂纹尖端的水或化学溶液使岩石的断裂韧度 明显地降低；应力腐蚀断裂也明显地受至0 化学环境的影响；抗拉强度明显地受到 化学集结物的影响，三轴强度不会冈化学集结物的变化而明显地变化。文献f 3 2 1 研究了h c l 和n a o h 溶液对应力强度因子，发现流体化学成分对裂纹扩展速率和应 力腐蚀速率具有控制作用，应力强度因子与远场应力、裂纹长度等之间存在着定 量关系。文献 3 3 3 5 讨论了化学腐蚀对摩擦系数和摩擦变形以及化学环境对断裂 韧度的影响。文献 3 6 在探讨静水压力、动水压力及水化学损伤对裂纹尖端应力 强度因子影响的基础上，推导出考虑水压力和水化学作用等不同条件下的含闭合 或张开裂纹的岩体断裂强度新准则。可见，力一化学耦合作用下岩石力学性质不 但与岩石的矿物组成、结构以及物质成分空间分布有关，而且与化学溶液的种类、 浓度和p h 值密切相关，化学腐蚀对岩石断裂韧度会有明显的影响。 2 力一化学耦合断裂机理研究 岩石在各种化学溶液的腐蚀下，其矿物成分与各种溶液发生各种化学反应， 如离子交换作用、溶解作用、水解作用和氧化还原作用等化学作用，这些化学反 应导致岩石力学特性不同程度改变，而这种宏观上的力学特性的改变是与其微细 观结构的改变紧密相关的。化学溶液在岩石的空隙中渗透并与矿物颗粒或晶体发 生不同的化学反应，使岩石中孔隙增加，岩石变得松散脆弱，因而导致力学性质 劣化。离子的交换作用对于临界断裂扩展具有重要作用，其作用强度取决于裂隙 尖端处溶液与外界环境扩散交换的难易程度1 3 。水是一种溶解能力很强的溶剂， 与岩石接触时会发生溶解作用，在化学成分上，不仅破坏了岩石粒间连接，而且 破坏了晶粒本身，对岩石裂隙扩展作用也会有影响1 3 8 0 9 1 。水一岩化学作用也可能 生成难溶盐，可能由于水溶液中离子浓度提高而生成可溶盐，形成结晶物沉淀于 岩石颗粒的表面或裂纹、孔隙及裂隙等缺陷上，这对岩石力学性质具有重要作用。 初期这种沉淀物和结晶盐对岩石的力学性质有好处，即正的力学效应。但是，晶体 随着时间的推移会不断增长，其体积逐渐增大，便产生结晶压力，从而改变岩石的 结构，也削弱了岩石的强度，即产生负的力学效应1 4 0 l 。水化学作用产生的次生孔 隙率是矿物颗粒遇水发生溶解、溶蚀等化学反应而形成的，且往往伴随有粒内溶 孔。不同离子浓度和p h 值对砂岩次生孔隙率的变化存在影响。水溶液中离子浓 度越高，次生孔隙率越大；离子浓度越低，次生孔隙率越小。在相同离子浓度下， 水溶液酸性越强，次生孔隙率越大，且酸性水环境下的次生孔隙率要较碱性环境 下大。在不同水环境作用下，无论溶液的初始酸碱度如何，其p h 值均有向中性 溶液变化的特点，即水岩作用使其随时问而趋于酸碱度平衡1 4 。文献【4 2 】考虑 了水一岩化学作用下岩石结构或非均匀性的影响，由于岩石的结构或非均匀性及 其渗透性的初始差异性，造成差异性水一岩化学作用，为进一步的差异性水一岩 化学作用创造条件。岩石均匀性越差，水化学作用差异腐蚀作用越强，岩石强度 的下降越大。人们从化学动力学的角度或者从能量的角度来研究岩石化学一应力 耦合断裂机理。文献 4 3 1 建立了岩石断裂作用的反应一迁移一力学耦合动力学模型 并编制了模拟程序。文献【4 4 】运用化学动力学和断裂力学的理论和方法，建立了 拉剪状态下碳酸岩水化一水力耦合模型，并对围岩裂隙岩体中的应力强度因子及 渗透张量进行了计算；文献【4 5 基于化学动力学理论和溶质迁移理论，建立水岩 系统的对流一扩散一反应模型，运用孑l 隙率的变化来定量描述由于水岩作用引起 的岩石细观结构的变化。岩石的腐蚀是一种能量的平衡过程，这一过程中岩石的 内聚能不断减少，在外部能量的不断作用下，总是通过各种反应向着与周围环境 相适应的平衡态调整。文献 4 6 4 7 从能量的观点来解释水化学作用导致岩石力学 性质改变的机理。无论是从动力学角度，还是从能量的角度，由于岩石矿物之间 存在化学不平衡导致了水一岩之间不可逆的热力学过程，此过程改变着岩石的物 理状态和微观结构，削弱了矿物颗粒之间的联系，腐蚀品格使受力岩体变形加大、 强度降低。因此，岩石水化学作用的机制取决于水一岩化学作用与岩石中裂纹及 其颗粒、矿物的结构之间的耦合作用。水化学作用的最终结果是导致岩石的微观 成分的改变和原有微观结构的破坏，从而改变了岩石的应力状态和力学性质。因 而可知，在化学溶液的腐蚀下，岩石会与化学溶液发生各种化学反应，岩石微舰 结构发生变化，孔隙率也会随之改变，进而导致岩石力学特性发生变化，对此可 以从化学动力学的角度或者从能量的角度开进行研究。 3 力一化学耦合断裂断口形貌研究 关于力一化学耦合断裂断口形貌的研究多集中在合金材料，其断口具有多种 形态，可以是沿晶断口形态或者穿晶断口形态等h 引，而且由于金属元素和外部环 境的不同，断口可呈塑性特征或者脆性特征h 9 i 。关于岩石力一化学耦合断裂断口 形貌的研究目前甚少。 1 2 3 热一力一化学( t m c ) 耦合断裂研究现状 目前热一力一化学耦合断裂问题的研究成果主要涉及混凝土、金属等材料。文 献【5 0 】在多孔介质理论基础上建立了早期混凝土热一力一化学模型，模拟混凝土的 水化、养护、破坏和徐变过程，预测混凝土的水化热程度和水化热的变化过程。 对于不锈钢金属材料，溶液腐蚀可使其开裂，浓度越大，温度越高越容易丌裂， 并且裂纹通常优先发生在温度最高的部位。文献【5 1 5 2 通过研究3 0 4 不锈钢在不 同浓度沸腾的n a o h 溶液腐蚀作用下的开裂情况，对上述观点进行了证实。对于 6 岩石热一力一化学耦合断裂问题的研究，目前国内外大都刚刚起步，无论在理论方 面还是在实验方面的研究成果都还很少。 综上所述，目前国内外主要对热力耦合和力化学耦合作用下岩石断裂问 题进行研究，包括力学特性、断裂机理和断口形貌三方面，而对于岩石热一力一 化学耦合断裂问题的研究刚刚起步，需要进一步深入研究。 1 3 本文主要工作 本文在湖南省自然科学基金“岩石温度一应力化学耦合( t m c ) 断裂的理论 与实验研究”( 0 8 j j 3 1 1 9 ) 的资助下，采用理论与实验相结合的方法，开展岩石 在热一力化学耦合作用下岩石断裂韧度与断裂机理研究，主要研究内容如下： 1 基于化学动力学、损伤力学、断裂力学理论，推导岩石热一力一化学耦合应 力强度因子表达式，计算岩石热一力一化学耦合临界应力强度因子即断裂韧度值。 2 通过三点弯曲、平面压剪、反平面压剪实验，测定岩石热一力一化学耦合拉 伸( i 型) 、平面剪切( i i 型) 、反平面剪切( i i i 型) 断裂韧度，验证岩石热一力一 化学耦合应力强度因子公式的正确性。 3 采用化学动力学理论，探讨岩石热一力一化学耦合断裂机理，基于能量守 恒原理，建立岩石热一力一化学耦合断裂能量率方程，为分析岩石热一力一化学耦合 裂纹扩展提供重要依据。 7 第二章岩石t m c 耦合应力强度因子公式推导 热一力一化学耦合作用首先会引起岩石微观结构的改变，如微裂纹和空洞的萌 生、扩展等，致使岩石内部产生损伤。损伤的产生和演化会对岩石的断裂韧度产 生影响，使岩石的宏观力学特性发生变化，即热一力一化学耦合作用引起岩石微观 结构改变，进而使断裂韧度产生改变。本文根据化学动力学理论，分析温度和化 学之间的相互影响以及热一力一化学耦合作用对岩石损伤的影响，提出岩石热一力一 化学耦合损伤模型；在此基础上结合断裂力学建立岩石热一力一化学耦合应力强度 因子表达式，为计算岩石热一力一化学耦合临界应力强度因子即断裂韧度值提供重 要依据。 2 1 岩石t m c 耦合损伤模型 2 1 1 热一化学( t m ) 耦合损伤 在化学溶液腐蚀作用下，岩石成分与溶液发生化学反应，其孔隙率和有效承 载面发生变化，宏观上表现为岩石质量的改变。由于同时受到温度的作用，会对 化学腐蚀速率产生影响，进而间接影响岩石的质量变化。故可定义热一化学耦合 损伤为： 防：1 一竺：丝( 2 1 ) 。 mm 其中：m 、历、a m 分别为岩石中反应物的总质量( g ) 、反应后剩余质量( g ) 、化学 腐蚀所消耗的质量( g ) 。 一般化学反应方程式可以表示为： n n + z z = x x + g g ( 2 - 2 ) 式中：n 化学溶液中的溶质； z 代表了岩石中的所有反应物，即将岩石中所有反应物视为一个整体 用z 来表示，并不代表某一个具体的反应物； 卫g 生成物； 拧、z 、x 、g 化学反应系数。 由化学动力学理论可知化学反应速率方程为： u = 圮品c 乡 ( 2 3 ) 式中：d 化学反应速率( m o l ( t 办) ) ； 8 c 化学溶质的浓度( m o t 1 ) ； c z 岩石反应物在溶液中的浓度( m o l , 1 ) ，并不代表某个具体的反应 物的浓度，其大小与化学溶液及岩石种类有关； 尼反应速率常数( k o ，f 】卜”声办一1 ) ： 口、化学反应级数。 反应速率常数与温度的关系可以用a r r h e n i u s l 5 3 】公式表示： 粘e x p ( 一寿 心叫 式中：k 频率因子( m o t i t 办一1 ) ； 目反应活化台e ( g m 0 1 ) ； 足。气体常数( 8 3 1 4 ) ； ，温度( k ) 。 将c ；用系数兄代替，名与岩石的成分有关，可以通过试验和数值计算求得， 同时将式( 2 - 4 ) 代入( 2 3 ) 得： 归砜e x p ( - 嚣) g 他5 ) 由于化学溶液的浓度在不断减小，所以有： d c n - - i )( 2 6 ) 一 z nj 其中：，为总的反应时间( h ) 。 将式( 2 - 5 ) 带入( 2 6 ) 并用积分式表达得： f t 犯= 一0 k e x 卅惫，西7，g o 由式( 2 - 7 ) 求解积分方程，便可求得化学溶液浓度的一般表达式为： 印卜- ( 1 - a ) t 2 k oe x p ( - 掣e c ， 而 8 ， 其中：c 。为化学溶质的初始浓度( t o o l 1 ) 。 在时间f 内参加反应的化学溶质的物质的量为： a t = c j v o v c v ( 2 - 9 ) 其中：( ，) 为参加反应的化学溶质的物质的量( t 0 0 1 ) ，v 为溶液体积( ，) 。 9 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 9 ) 得： 卸肛c 烈h 脚x p ( 一纠矿 ( 2 - 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可知，a t 与初始浓度c 。、化学反应时问，、温度丁成非线性 关系。同时，在丁恒定的情况下，若已知c 。，由式( 2 1 0 ) 可得任意时刻参加 反应的化学溶质的物质的量。 岩石中第i 种反应物与化学溶质的反应方程式为： 玎，n 。+ z ，z ，= x ，x ，+ g ，g ， ( 2 1 1 ) 由于岩石中不同反应物的反应速率及其含量各不相同，因而它们消耗完全所 用的时间也不相同。若岩石反应物共有种，在某一时刻，有，种反应物未消耗完 全，其余一，种反应物已消耗完全。按岩石中反应物消耗完全所需时间长短排序， 取岩石中消耗时间最长的反应物为z 。，且与其他化学反应物z ，反应速率比值为 1 ：f ，则有： ( ，) = 窆。+ 羔n , a ，。( 2 - 1 2 ) 其中：岛= 1 ，a 。表示z 。已消耗的物质的量( t 0 0 1 ) ，a , o 表示反应物z ，在岩石中总 的物质的量( m 0 1 ) 。 由式( 2 - 1 2 ) 可得： ，= 引( ，) 一圭h 。a t o 】( 艺当缶) 一1 ( 2 - 1 3 ) 其中：，为岩石中反应物z 。在未消耗完全的情况下已经反应的物质的量( t 0 0 1 ) 。 由式( 2 - 1 3 ) 可得岩石中所有反应物消耗的总质量为： m = 窆 六q 【( ，) 一杰j o 】( 兰色) 一 + 杰q ，。( 2 - 1 4 ) f _ 】【，= j i + l ，t = l jj，= j i + 1 其中：缈。表示岩石中反应物z ，的摩尔质量( g m 0 1 ) 。 将式( 2 - 1 4 ) 带入式( 2 一1 ) 得热一化学损伤为： 窆 六q ( ，) 一壹n ，ta t 0 】( 艺毒) 1 + 窆哆。 三l ：! ! ! 一一一! 生二! l 一一旦l 尘l ( 2 一1 5 ) 由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 5 ) 可知，d ( 与初始浓度c 。、化学反应时间f 、温 1 0 度丁有关，同时还与岩石的成分有很大关系。c 。和丁越大，反应时间越长，坟 越大。 2 1 2 热一力( t m ) 耦合损伤 在绝热环境下，系统不能与外界发生热交换，化学反应会放出或者吸收热量 由式( 2 - 1 0 ) 、( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可知，在绝热环境下，研与初始浓度c 。、 化学反应时间，、温度丁有关，同时还与岩石的成分有很大关系。 2 1 3 热一力一化学( t m c ) 耦合损伤 对于岩石等弹脆性物质，可认为岩石的断裂为线弹性断裂，在断裂前发生弹 性变形，外力做功完全转变为弹性应变能，此时岩石无应力损伤，则可得热一力一化 学耦合损伤为： e = ( 1 一d 7 ) ( 1 一d ，) e ( 2 2 2 ) 其中：为热一力一化学耦合作用下岩石弹性模量( g p a ) 。 定义： 豆= ( 1 一d ) e ( 2 2 3 ) 其中：d 为热一力一化学耦合损伤。 则有： d = 1 一( 1 一d 7 1 ) ( 1 一d c ) ( 2 - 2 4 ) 将式( 2 - 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 代入( 2 2 4 ) 得： d ：l 一生 e o 窆 六够【( ，) 一圭，o 】( 兰争幺) 一 + 圭q ，。 1 ，= 1 l ，= j ，+ l t ，= l j j f j ，+ 1 ( 2 - 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 即为岩石热一力一化学耦合损伤模型。由式( 2 2 4 ) 、2 2 5 ) 可知，d 由 d ，和皿确定，而岛和d ( 均与初始浓度c 。、化学反应时间，、温度t 和岩石 成分有关，当岩石成分一定时，根据c 。、t 、t 即可确定d 。 2 2 岩石t m c 耦合应力强度因子 基于岩石热一力一化学( t m c ) 耦合损伤d ，可定义： 畏i = - - d ) k | 更h = ( 1 - d ) k | l - - ( 1 一d ) k m 1 2 ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 其中：k ，、k ，、k ，分别为岩石初始i 型、i i 型、i i i 型应力强度因子 ( 脚口朋聊l 2 ) ，霞，、霞、k 分别为热一力一化学祸合作用下岩石i 型、i i 型、 i i i 犁应力强度因子( m p a x m m m ) 。 将式( 2 2 2 ) 分别代入式( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 8 ) 得： 耻竽卜 霰沪t k t z e f = t k i i i e 于 窆 六q 【( ，) 一壹r l ，o 】( j , f i ) _ t + 壹够，。 # l l j = j i + l lt = l i jk + ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 式( 2 2 9 ) ( 2 3 1 ) 即为岩石热一力一化学耦合作用下的i 型、i