鲁灰花岗岩高温遇水冷却后断裂特性研究

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高温岩体地热资源开采过程中亟待解决的难题之一是深钻施工问题,施工过程中,钻井液、泥浆的注入对高温围岩起到冷却作用,使高温围岩受到热冲击产生断裂。这种现象一方面对钻井破岩有利,另一方面却对高温围岩的稳定性产生不利,很容易造成井壁失稳。因此,高温遇水冷却后岩石的断裂特性具有重要的研究价值。  本文采用SC3PB方法对鲁灰花岗岩Ⅰ型裂纹的断裂特性进行了实验研究,基于数字图像相关方法(DIC)分析了岩石断裂过程的演化规律。具体研究结果如下:  (1)鲁灰花岗岩断裂韧度KIC随温度升高逐渐减小,花岗岩抗断裂性能逐渐降低,但在100℃时KIC大于常温。常温时KIC为0.90-1.40MN/m1.5,100℃时KIC为1.30-1.50MN/m1.5,到900℃时KIC下降为0.13-0.10MN/m1.5。  (2)在测试温度点范围内,100℃时花岗岩峰值荷载、断裂韧度最大,并且CMODC与CTODC值也较常温与200℃偏高。表明花岗岩在100℃时抗断裂性能最强,力学性能最好,原因是花岗岩在100℃时内部晶体颗粒聚集挤压,导致断裂过程中,颗粒间的粘聚力增大,岩石更不易发生断裂。花岗岩在300℃和600℃时KIC、CMODC、CTODC产生剧烈变化,原因是花岗岩在300℃时开始失去结构水以及石英在573℃时发生相变。  (3)使用两种方式确定了断裂过程区的尾端及尖端位置。方法一:以预制裂纹尖端位置为过程区尾端,以达到水平方向应变门槛值的截面作为过程区尖端。方法二:峰值荷载前以预制裂纹尖端位置为过程区尾端,峰值荷载后以达到临界张开位移的位置为过程区尾端,以张开位移曲线的转折点位置作为过程区尖端。  (4)随温度升高,鲁灰花岗岩进入过程区的荷载水平不断降低。采用应变作为衡量是否进入过程区的参数。常温时初始进入断裂过程区的水平方向应变门槛值为0.11754%,900℃时初始进入断裂过程区的水平方向应变门槛值为1.06492%。随着温度升高,进入过程区的应变值逐渐增大。  (5)在整个三点弯曲加载过程中,过程区长度在峰值荷载到峰后90%荷载之间达到最大值。常温~500℃的过程区长度随荷载的波动较大,600℃~900℃的过程区长度在峰值荷载前波动平缓。  (6)随温度升高,峰值载荷时刻对应的过程区长度整体趋势逐渐增大,但100℃时峰值载荷对应的过程区长度相对常温减小。  (7)载荷-位移曲线、载荷-COD变化规律以及进入过程区的临界应变的增加都表明随着温度的升高,鲁灰花岗岩脆性减弱,塑性增强。花岗岩断裂特性在500℃到600℃之间发生剧烈变化,是花岗岩由脆性向塑性转变的重要转折点。因此,在花岗岩断裂数值模拟过程中,建议常温~500℃可使用KIC断裂准则,600℃~900℃可使用COD断裂准则。
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