[科普中国]-岩体热应力

简介

岩体热应力是指温度变化是影响边坡岩体风化并导致浅层破坏的一个重要因素。边坡岩体内的温度变化比较复杂，且随地面温度的变化呈周期性的变化。温度的变化导致热应力的生成，温度变化的周期性致使热应力具有交变性，在这种应变应力作用下，边坡浅部岩体的破坏表现出疲劳特征，分析了边坡岩体中的温度场和热应力的分布特征以及边坡岩体疲劳破坏的机理及判据1。

岩体内部温度应力岩体浅部温度在常温范围内变化, 对岩石物理力学性质影响甚微。但是岩体内部由于温度变化, 各部分温度分布不均匀, 造成岩体内温度差, 导致各部分膨胀量不同, 相互间约束而产生温度应力。岩体表面温度反复变化, 岩体变温带内温度亦按温度波的规律反复变化, 从而在岩体内反复出现温度应变和温度应力。反复次数相当大, 例如, 一万年中, 年变化周期反复出现变化1 万次, 日变化周期反复变化36 5 万次. 反复出现的应变和温度应力虽然不大, 但红层中, 粗粒钙质砂岩孔隙度较大以及矿物颗粒间, 矿物颗粒与胶结物间热性质的差异都极易产生“ 裂纹源” , 造成应力集中, 在相当多次反复温度应力作用下导致岩石的热疲劳, 内部由“ 裂纹源” 产生微裂隙, 微裂隙的扩大和增多, 最终导致岩石的破坏。这是反复变化的温度应力导致岩石破坏的根本原因。

丹霞层红色砂岩的片状剥落以乐昌坪石金鸡岭下第三系丹霞群红色砂岩为代表, 该岩层以厚层中粒砂岩为主, 夹粗砂岩、砂砾岩, 钙质或泥质胶结, 其物理热学性质及与其他岩层对比见岩石物理热学性质对比说明。第三系丹霞群砂岩与其他类岩石相比, 具有孔隙度大, 导热、导温性能差, 抗拉强度/ 抗压强度比小的特点, 丹霞层砂岩较其他岩层易受交变温度应力的影响, 据此估算, 丹霞地貌区岩体日变温度带深度介于1-2 m 之间1。

总结当大气温度高于岩体温度时, 岩体吸热膨胀, 岩体表面附近为压缩温度压力, 随深度急剧降低变为拉伸温度应力, 又转为压缩温度应力。当大气温度低于岩体温度时, 岩体放热收缩, 岩体表面为拉伸温度应力, 并随深度急剧降低并变为压缩温度应力, 再转为拉伸温度度力。这表明岩体内外层温度不同, 膨胀量不同, 互相约束, 分别产生相反的温度应力。大量岩石力学试验资料表明, 岩石拉伸强度低于压缩强度和剪切强度, 约为压缩强度的1/10~ 1 / 40, 因此, 岩体内首先是位伸温度应力造成岩体破坏2。