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热力学分析岩体的热力学分析

2022/07/16240 作者:佚名
导读:岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量 ,岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。根据非平衡热力学理论,从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。在岩石的变形破坏 过程中,热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源,导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化 ,从无序分布逐渐向有序发展,形成宏观裂纹,最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整

岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量 ,岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。根据非平衡热力学理论,从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。在岩石的变形破坏 过程中,热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源,导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化 ,从无序分布逐渐向有序发展,形成宏观裂纹,最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整体失稳(灾变)。从力学角度而言,它实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。从热力学上看,岩石(岩体)这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程 ,包含能量耗散和能量释放。两者关系:岩体总体灾变实质上是能量耗散和能量释放的全过程 ,而灾变瞬间是以能量释放作为主要动力。

岩石变形破坏过程中的能量守恒:在岩石的变形破坏过程中,环境提供的能量包括外力所作的功和环境温度带来的热能 。根据热力学第一定律 ,这些能量将转化为岩石的动能 、势能及内能。不妨将岩石抽象为由一系列体积元组成的连续介质,每一体积元包含特定的矿物或类矿物成分以及其它岩石组织。当体积元足够小时,是满足非平衡热力学的局域平衡假设的。

在外载的作用下,岩石体积元将发生变形,当所考察的时间步长较小时,这一变形可视为小变形。在一般情况下,对于岩石的变形破坏过程分析并不考虑体力的影响。岩石体积元的内能变化取决于4部分,一是静水应力作用下体积变形引起的,二是应力偏量作用下形状变化引起的,三是应力偏量作用下位置转动引起的,四就是热量流动引起的。除热流外,其余3 部分均与内力有关,可将其统称为内力能的增量 ,而热流部分则可称为热能的增量Q。于是单位时间内岩石体积元中内能的增量u 等于内力能增量 与热能增量Q之和。可见,在岩石变形破坏过程中,岩石的内能变化主要取决于内力的变化以及热量的流动。由于应力偏量的贡献为非散度 形式 ,说明体积元 的内能并不是一个守恒量 。也就是说,由于应力偏量的作用,使得体积元内能的变化不一定仅仅由外部环境获得,还可能由体积元内部的能量源—— 内力能产生。因此,岩石在变形破坏过程中的能量守恒是一个动态的过程,表现为外载机械能 、热能与岩石内能的转化与平衡。

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