高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11768-10科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:周传涛,田文岭,杨圣奇,等.高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟J.科学技术与工程,2023,23(27):11768-11777.Zhou Chuantao,Tian Wenling,Yang Shengqi,et al.Mechanical behavior of granite after thermal treatment under cyclic
2、loading-unloadingcompressionJ.Science Technology and Engineering,2023,23(27):11768-11777.高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟周传涛1,田文岭2,杨圣奇2,甄治国1(1.中铁二十局集团第四工程有限公司,青岛 266061;2.中国矿业大学力学与土木工程学院,徐州 221116)摘 要 高放核废料处置库在开挖和使用过程中围岩不断承受周期荷载,进而影响了高放核废料处置库的安全稳定。基于此,使用数值模拟方法研究了高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为,在得到一组可以反映高温作用后花岗岩三轴压缩力学行为细观参数的基础
3、上,分析了温度及围压对循环加卸载应力-应变曲线、弹性模量和破裂过程的影响。研究结果表明,常温下循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,循环加卸载造成宏观裂纹两侧晶粒脱落;600 C 高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加,导致应力-应变曲线偏离较多。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及 Felicity 效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小,但循环加卸载会造成宏观裂纹两侧出现晶粒压碎现象。弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600 C 处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。关键词 岩石力学;
4、花岗岩;循环加卸载;晶粒单元;高温中图法分类号 TU45;文献标志码 A收稿日期:2022-12-04;修订日期:2023-07-07基金项目:国家自然科学基金(42107159)第一作者:周传涛(1985),男,汉族,山东青岛人,高级工程师。研究方向:隧道及地下工程。E-mail:。通信作者:田文岭(1990),男,汉族,山东菏泽人,博士,副教授。研究方向:岩石力学。E-mail:。Mechanical Behavior of Granite after Thermal Treatment underCyclic Loading-unloading CompressionZHOU Chuan
5、-tao1,TIAN Wen-ling2,YANG Sheng-qi2,ZHEN Zhi-guo1(1.China Railway 20thBureau Group 4thEngineering Co.Ltd.,Qingdao 266061,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract During the excavation and using process of the high level
6、nuclear waste(HLW)disposal repository,the surroundingrock bear the periodic loading,which has a significant effect on the safe and stable operation of HLW disposal repository.Therefore,numerical simulation were adopted to investigate the mechanical behavior of thermal treated granite under triaxial
7、tiered cyclic loading-unloading compression.After obtained a group of micro-parameters which can simulated the mechanical behavior of thermal treatedgranite under triaxial compression,the variation of stress-strain curves,elastic modulus and failure process with temperature and confi-ning pressure w
8、as analyzed.And,the results show that the stress-strain curves of granite under cyclic loading are in good agreementwith that under monotonic loading at room temperature,but cyclic loading lead to the grain fall off near the macro-crack.The differenceof stress-strain between cyclic and monotonic loa
9、ding is obvious when T=600 under uniaxial compression,which due to that the in-crease of micro-crack during the loading and unloading process.However,confining pressure can restrain the increase of micro-crackduring the unloading process and Felicity effect,and results in the difference of stress-st
10、rain curves between cyclic and monotonic load-ing decreases,but cyclic loading result in the grain crushing near the macro-crack.The variation of the elastic modulus with cyclenumber can be divided as the pre-peak stage,post-peak fracture stage and residual strength stage.Due to a lot of thermal cra
11、cks wereinduced by high temperature when T=600,elastic modulus increases obviously at initial loading stage,and it more sensitive to con-fining pressure.Keywords rock mechanics;granite;cyclic loading-unloading compression;GBM;high temperature 在核废料处置库的开挖过程中,由于不断地打眼放炮、机械开挖及地应力重新分布造成隧道内围岩不断承受周期荷载。同时,在核
12、废料处置库使用过程中,由于机械振动,也会在处置库围岩中形成周期荷载。周期循环荷载不断地作用于围岩,造成围岩的持续损伤,对处置库的安全稳定运行造成重大安全隐患。同时,循环荷载可以为研究岩石损伤及变形特征提供一种有效的方法1。关于循环荷投稿网址:2023,23(27)周传涛,等:高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟11769载下花岗岩力学行为的研究由来已久,并取得了一系列成果。循环加卸载主要分为恒定最大应力加卸载和递增最大应力加卸载两种方式,恒定最大应力加卸载又称为疲劳加载,研究岩石长时周期荷载作用下的力学行为2,广泛用于评估隧道、硐室围岩长期动荷载下的稳定性3-4。但在工程实践中循环应力一般不
13、是等幅值的,所以有必要研究递增最大应力循环加卸载岩石损伤演化机理。递增最大应力加卸载主要用于测试岩石弹性模量、残余应变、泊松比、能量5在加载过程中的演化,进而用于评价试样加载过程中的损伤,已经得到了广泛的应用。借助声发射系统可以记录花岗岩破坏过程的声发射信号6,花岗岩振铃计数突变点大致在峰前 90%处,可将此点作为判断花岗岩破坏的前兆7。同时借助声发射定位技术,可以分析岩石全应力-应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,揭示 岩 石 在 压 缩 变 形 各 个 阶 段 的 破 裂 演 化机制8-9。由于处置库围岩受到核废料衰变放热的影响,其力学行为将发生改变。高温作用引起花岗岩晶粒膨
14、胀、脱水及化学变化,改变了花岗岩的基本物理特征10-11,进而影响了花岗岩的力学行为12。实时高温单轴压缩试验,温度可以达到 1 200 13,主要研究单轴压缩强度、变形、破裂及声发射特征随温度的变化14。实时高温常规三轴压缩试验对设备 要 求 较 高,使 用 液 压 油 加 热 最 高 温 度 为600 15。主要研究强度及剪切参数随温度变化,配合声发射监测技术可以鉴别特征应力16。然而,试验手段较难获得高温作用花岗岩损伤破裂微细观机理,例如微裂纹及能量演化,需要借助考虑花岗岩细观结构的数值模拟软件来解决该问题。Zhao17使用二维颗粒流程序(PFC2D)模拟了 Lac duBonnet 花
15、岗岩实时高温及高温作用后的裂纹分布情况。在此基础上,Yang 等18使用 PFC2D中的Cluster 单元模拟了花岗岩实时高温单轴压缩力学行为,研究高温及晶粒尺寸对花岗岩单轴压缩损伤破裂过程的影响。上述研究主要使用室内试验研究了循环加卸载及高温作用花岗岩力学行为演化,而室内试验较难从细观层面上观察高温后花岗岩三轴循环加卸载损伤破裂过程19。因此,现在前人研究的基础上,使用 PFC 中的 Cluster 单元研究了高温作用后花岗岩循环加卸载损伤破裂过程,为保障核废料处置库安全稳定运行提供一定的理论基础。1 模拟方案1.1 模拟加热过程Chen 等20使用 XRD(X-ray diffracti
16、on)衍射分析高温作用后花岗岩的矿物成分,表明高温处理对矿物成分影响较小,高温主要影响矿物晶粒几何特征。所以在模拟过程中不需要考虑高温造成花岗岩矿物成分的改变,只需模拟因高温作用矿物晶粒热膨胀导致热裂纹产生过程。在加温过程中,由于花岗岩的摩擦系数会随着温度升高几乎线性增加21,所以模拟过程中需要考虑温度对摩擦系数的影响。采用均匀加热的方式模拟加热过程,每次加热1 C,循环100 次后继续加热,降温过程与加热过程相似。为了模拟石英发生-相变,当加温至573 C 时,赋值石英颗粒半径膨胀 1.004 6 倍22。同理在降温至 573 C 时,石英发生-相变,石英颗粒半径缩小 0.995 4 倍。图
17、 1 给出了高温 600 后花岗岩内微裂纹分布特征23。为了研究高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为的影响,温度同样设定为常温和 600。图 1 数值模拟循环加卸载的加卸载过程23Fig.1 The loading and unloading process in PFC2D 231.2 模拟循环加卸载模拟循环加卸载时,其加载过程与单调加载相同:使用左右两侧墙对试样进行伺服控制,保持围压(3)恒定,而上下端墙通过位移控制加载,速度(v)设置为0.025 m/s,如图1(a)所示。当加载至设定轴向应变时进行卸压,卸压过程中侧向墙依然采用伺服控制保持围压恒定,轴向采用伺服控制24。首先将轴向伺服控制
18、压力设置为当前压力,并通过不断减小轴向压力(1,0.01 MPa/步)进行卸压,当轴向偏应力减小至 1 MPa 时结束卸压,如图1(b)所示。图 2 给出了循环加卸载典型应力、应变随时步的变化,从图 2 中可以看出加载过程中轴向卸载投稿网址:11770科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 2 循环加卸载典型应力应变曲线Fig.2 Typical stress,strain curves of specimen underloading-unloading cyclic compression应变不断增加,峰前设置
19、 7 个循环,峰后设置 5 个循环,整个加载过程中围压保持不变。2 高温作用后花岗岩循环加卸载宏观力学行为 由于 PFC 中的细观参数与宏观力学行为之间不存在直接的关系,一般通过“试错法”匹配细观参数,即通过不断调整细观参数,使得模拟结果与试验结果能较好匹配。由于晶粒单元(grain-basedmodel,GBM)中含有的细观参数较多,在调试过程中首先固定石英、长石、云母和角闪石的细观参数,通过调整节理细观参数完成细观参数的标定。通过不断试错,得到了一组细观参数,如表 1 所示23。为了验证该模拟方法的可行性,首先进行高温作用后常规三轴压缩模拟,得到如图 3 所示花岗岩三轴峰值强度随温度及围压
20、演化特征25。从图 3中可以看出单轴压缩下,峰值强度在温度 T=150 时略有升高,其后开始缓慢下降,而在 T=450 600 时峰值强度开始快速降低,其后峰值强度缓慢降低。当围压 3=10 MPa、T 450 时,峰值强度随着温度的增加波动降低,但变化不明显,而在T=600 时,有较大的突降,其后峰值强度随温度增加变化不明显。当 320 MPa、T 450 时温度对峰值强度的影响不大。但当 T=600 时,峰值强度都会有较大的突降。数值模拟得到峰值强度随温度的演化趋势与室内试验结果吻合较好,说明该组细观参数可以较好地反映高温作用后花岗岩三轴力学行为。在此基础上,可以开展高温作用后花岗岩循环加
21、卸载研究。图 4 所示为不同高温作用后花岗岩试样单调加载与循环加卸载应力-应变曲线室内试验及数值模拟结果。从图 4 中可以看出总体上峰前循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,表现为良好的记忆特征。而当 T=600 时,由于此时试样内较表 1 花岗岩晶粒内部及晶粒边界细观参数23Table 1 Micro-parameters of intra-grain and inter-grain in the granite specimen23细观参数斜长石(59.85%)石英(11.12%)角闪石(6%)云母(21.25%)晶粒内部细观参数颗粒半径范围 r/mm0.150 0.2450.150
22、 0.2450.150 0.2450.150 0.245密度 /(kg m-3)2 6002 6502 6002 850颗粒有效弹性模量 Ec/GPa32402515平行黏结有效弹性模量 E-c/GPa32402515颗粒法向与切向刚度之比 kn/ks1.71.01.61.1平行黏结法向与切向刚度之比 k-n/k-s1.71.01.61.1颗粒摩擦系数 1.21.21.21.2平行黏结参考半径 rg/mm0.10.10.10.1平行黏结半径因子-0.60.60.60.6弯矩贡献系数-1111平行黏结法向强度 n/MPa10612110660平行黏结内聚力 c-/MPa276291276160平
23、行黏结摩擦角-/()50505050晶粒边界细观参数光滑节理法向刚度系数0.6光滑节理切向刚度系数0.95光滑节理摩擦系数1.2光滑节理法向强度/MPa4光滑节理内聚力/MPa60光滑节理膨胀角/()50颗粒线膨胀系数/K-18.7 10-624.3 10-628 10-63.0 10-6投稿网址:2023,23(27)周传涛,等:高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟11771图 3 高温作用花岗岩试样常规三轴峰值强度随温度的变化Fig.3 Variation of the peak strength of granite specimensunder triaxial compressio
24、n with temperature多热裂纹,循单轴压缩环加卸载应力-应变曲线与单调加载曲线差别较大,其峰值强度明显降低。针对产生该现象的原因,接下来将从细观层面予以解释。常温单轴压缩峰后呈现脆性破坏,而围压作用下试样具有一定的残余强度。600 高温处理后单轴压缩单调加载峰后残余强度不明显,而循环加卸载存在一定的残余强度。三轴压缩下,残余强度有所增加。在偏应力较小时,加载和卸载过程中轴向应力应变曲线存在明显的下凹段。说明在卸载过程中当应力较小时试样中的裂隙会张开,而在加载过程中裂隙会重新闭合。同时可以看出随着围压的增大,下凹段越来越不明显,说明围压一定程度上抑制了裂隙的张开。而峰后下凹段更加明
25、显,说明加载过程中造成的裂隙在卸载过程中也会一定程度上张开。但第一次卸载后,继续加载对应的下凹段有所减弱,可能由于第一次循环加卸载导致部分闭合的裂隙未能完全张开。压密阶段结束后进入弹性阶段,从图中可以看出即使试样中已经出现损伤,依然存在弹性阶段。说明试样虽然已经出现损伤,即使在峰后阶段,但当应力不足以使裂纹继续扩展或剪切面产生滑移时,试样依然表现为弹性特征。弹性阶段结束后进入塑性阶段,此时应力应变曲线表现为上凸特征。图 4 不同高温作用后花岗岩循环加卸载应力应变曲线室内试验结果与数值模拟结果对比Fig.4 comparison of stress-strain curves of granit
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