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。