红砂岩高温强度衰减数值模拟

■贺小波 于胜超

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116）

红砂岩高温强度衰减数值模拟

■贺小波 于胜超

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116）

为研究温度对红砂岩力学特性的影响，利用ANSYS和RFPA两种软件对高温条件下红砂岩的破裂机理进行分析，对其力学参数（弹性模量、峰值应力、峰值应变）随温度的变化规律进行研究。结果表明，岩石弹性模量随温度的升高而缓慢降低，抗压强度在100℃时最低，在温度为300℃~700℃之间，抗压强度随温度的升高而增大，且在500℃~700℃之间升幅很大，当温度大于700℃以后，抗压强度迅速下降，峰值应变最大值随着温度的升高不断增加。

强度衰减ANSYS RFPA红砂岩；破裂机理

在地热资源开采、核废料处理等工程中都会涉及到地下高温问题。研究不同温度下岩石的力学性质，了解其破坏机理是解决高温环境下岩石工程问题的前提。本文以红砂岩为研究对象，利用ANSYS和RFPA计算软件，对不同温度环境下（100℃、300℃、500℃、700℃、900℃）红砂岩的力学性质进行数值研究，揭示红砂岩的力学特性与温度之间的关系。

1　研究方法

（1）通过ANSYS软件建立计算模型，研究温度对红砂岩的弹性模量、峰值应力和峰值应变等力学性质的影响。

（2）将ANSYS计算结果导入RFPA软件中，对岩石破坏过程中的起裂、变形局部化、成核，以及最终失稳破坏的全过程进行模拟。

2模型建立与参数设置

数值模型采用二维平面应力模型。模型长10cm，宽5cm，如图1所示。为了体现岩石内部的离散性，将计算区域分成200个小区域，利用Weibull分布函数随机生成分布在不同区域的岩石力学参数。取40GPa为岩样的整体弹性模量，在MATLAB软件中随机生成200个符合统计规律的弹性模量值，根据实验数据，将100℃、300℃、500℃、700℃、900℃时岩样的平均热膨胀系数取值为0.18、0.39、0.48、0.65、0.92。

3　结果分析

3.1弹性模量随温度变化规律

不同温度下红砂岩弹性模量的变化规律如下图所示。

可以看出，高温下弹性模量整体上随着温度的升高而降低，100℃~300℃降幅较大，由100℃时的0.383GPa降到300℃时的0.331GPa，降幅达到13.57%，说明在此温度区间内温度对弹性模量的影响较大，而在500℃~900℃之间温度对岩样弹性模量的影响较小。

3.2峰值应力和峰值应变随温度变化规律

不同温度下红砂岩峰值应力和峰值应变的变化规律如下图所示。

可以看出，红砂岩在不同温度下抗压强度是不断改变的，抗压强度在100℃时最低，在300℃~700℃之间岩石的抗压强度随着温度的升高而增大，且在500℃~700℃之间升幅最大，可能是因为红砂岩内部发生热熔现象，促使一些小裂纹变小，甚至是愈合，从而导致岩石的致密性增加，抗压强度增大。当温度大于700℃以后，岩石的抗压强度迅速下降，由于红砂岩内部存在多种不同热膨胀系数的矿物颗粒，这些颗粒的膨胀不协调会使结构产生热应力，促使红砂岩内部微裂纹的产生。100℃~500℃的温度区间内红砂岩峰值应变随着温度的升高均匀增大，在500℃~900℃之间增大速度相对较

快，红砂岩峰值应变最大值随着温度的升高不断增加，且增加速率逐渐加快。

3.3单轴压缩下岩石破裂过程

以在ANSYS中得到的各温度状态下红砂岩的材料性质为RFPA中模型的初始参数，进行单轴压缩试验，模拟结果如下（仅列举100℃情况）。

可以看出，岩石的单轴压缩破坏形态多以近似与轴向成一定角度的劈裂破坏为主。随着温度的升高红砂岩断裂面面积略为增大，且红砂岩的脆性不断减小，延性逐渐增大，岩石从脆性破坏逐渐转换为延性破坏，900℃时尤其明显。在加载过程中，岩石内部逐渐出现微裂纹，随着加载的持续，微裂纹数目逐渐增多，最终导致试样整体破坏。

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1000-405X（2016）-8-337-1