岩石蠕变损伤扩展机理细观分析初探

利用已经研制成功的CT机配套的专用三轴加载实验设备,在国内外首次完成了单轴压缩岩石蠕变损伤扩展和持性CT实时分析实验,得到了岩石蠕变损伤演化全过程的细观机理,研究卫需变损伤深化过程中裂纹宽度,长度的变化规律,定义了CT数减小速度的概念来分析岩石蠕变损伤第三阶段的门槛值。     

岩石卸荷损伤演化机理CT 实时分析初探

 利用作者已研制成功的与CT 机配套的专用三轴加载试验设备, 在国内外首次完成了岩石卸荷损伤断破裂坏全过程的实时CT 试验。得到了岩石卸荷损伤演化过程中从裂纹发育、扩展、贯通到断裂破坏全过程的CT 图像。通过与岩石连续加载破坏过程细观试验结果的比较发现, 岩石卸荷破坏比连续加载情形下岩石破坏更具突发性。由静态连续加载岩石细观损伤机理出发, 将静态岩石全过程曲线划分为5 个阶段。得到了卸荷条件下岩石损伤扩展的初步规律。     

岩石损伤扩展力学特性的CT分析

将ＣＴ识别技术用于岩石损伤扩展研究,对岩石损伤扩展过程进行即时ＣＴ扫描。发现ＣＴ数的大小、分布规律及其变化情况与岩石损伤扩展密切相关,揭示了岩石损伤扩展过程中ＣＴ数与应力、应变间的定量关系,为建立岩石损伤扩展本构关系奠定了基础。     

岩石损伤CT数分布规律的定量分析

在岩石CT扫描CT数分布规律的基础上，建立了CT数分布规律的数学模型，推导了岩石损伤密度与CT数的定量关系。重要的是将CT数和岩石损伤变量联系起来，推导了用CT数表达岩石损伤变量的公式，并和Bellion公式和Lemaitre用材料密度表达损伤变量公式进行计算分析比较，从而验证本文用CT数表达岩石损伤变量公式的正确性。     

岩石裂纹流变扩展的细观机理分析

应用裂纹奇异单元,建立了用于裂纹流变扩展计算的细观力学模型。采用这一模型,分析了含微裂纹的紧凑拉伸试件,在给定位移和给定荷载作用下,主裂纹流变扩展过程;研究了给定位移加载和给定荷载加载条件下主裂纹与微裂纹相互作用过程,得到了裂纹流变扩 的细观力学机理。     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

煤岩三轴细观损伤演化规律的CT 动态试验

利用本文第一作者主持设计和研制的与ＣＴ机配套的专用加载设备,进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的即时动态试验。得到了在不同荷载作用下煤岩中微孔洞被压密→微裂纹萌生→分叉→断裂→破坏→卸载等各个阶段清晰的ＣＴ图象,引入了初始损伤影响因子,定义了一个基于ＣＴ数的新的损伤变量。     

岩石损伤特性的CT识别

首次将ＣＴ检测技术用于岩石损伤特性的研究，分析了ＣＴ扫描对岩石损伤的定性和定量的成果与规律。     

岩石单轴细观损伤演化特性的CT实时分析

利用最新研制成功的CT(Computerized Tomography,简称CT)专用岩石三轴试验加载设备,完成了三轴(单轴)压缩荷载作用下岩石损伤扩展规律的CT实时试验.得到非常清晰的岩石破坏全过程中从微孔洞被压密到微裂纹发生、发展、贯通、卸荷破坏等各个阶段的CT图象.引入了初始损伤影响因子及闭合影响系数,建议了一个新的损伤变量.从CT细观试验结果出发,给出了应力损伤门槛值,将准静态岩石应力应变全过程曲线分为5个阶段,得到了岩石损伤演化的初步规律.结果表明,利用这套设备进行岩石细观损伤力学特性的研究是一种创新的方法,CT专用加载设备的研制是成功的.     

周期荷载作用下岩石疲劳损伤性能的分析研究

从宏观力学性能和微观损伤两方面,对周期荷载作用下岩石疲劳损伤特性进行了深入地分析。岩石的疲劳破坏过程宏观上可视为一个轴向不可逆变形逐渐发展积累、直到失稳破坏的过程;微观上是一个微裂纹萌生、扩展和贯通,最终断裂的过程。并指出岩石疲劳损伤的宏观力学特性只不过是微观损伤演化的综合表现而已。最后展望了岩石疲劳损伤研究方面有待进一步解决的问题。     

岩石疲劳破坏的变形控制律、岩土力学试验的实时X射线CT扫描和边坡坝基抗滑稳定分析的新方法

介绍了近年来在岩土力学领域方面取得的一些进展:①关于岩石疲劳破坏试验方面的实验结果。大量的试验清楚表明岩石发生疲劳破坏时的变形量受岩石应力-应变全过程曲线控制的规律,介绍了这方面的试验技术及新型的岩石力学试验机--RMT机的特性,对岩石的I型和Ⅱ型分类作了评述。岩石疲劳试验结果也提示我们在研究岩石的强度理论时要特别重视从变形角度去探讨。②简要介绍了岩土力学室内试验方面的一项新的实验技术--实时X射线CT扫描的试验方法和原理。重点给出了南桥砂岩三轴试验的结果,并与典型的全过程曲线作了对比分析。这一新技术为岩土力学界提供了一种新手段,使宏观的力学性能与细观层次上的结构演变和裂纹萌生、扩展直到破坏有机地联系起来,为损伤研究提供了一种新的实验手段。③论述了采用强度储备概念求抗滑稳定安全系数方面的不足之处。基于力是矢量这一基本概念,提出了计算抗滑稳定安全系数的新方法--矢量和分析方法,并与传统分析方法作了对比,指出了这种新方法的优点。除了平面问题外,还论述了三维问题的计算方法和算式。     

断续节理岩体动态疲劳损伤研究

分析了断续节理岩体动态疲劳损伤的复杂性,阐明了疲劳损伤研究的近似处理方法。基于剩余应变强度理论和线性退化准则讨论了断续节理岩体动态疲劳损伤累积过程。研究了岩体破裂概率与疲劳损伤的等效性,建立了疲劳损伤变量与分形维数间的定量关系。最后通过动态疲劳实验验证了结论的正确性。     

钢丝裂纹扩展估算模型及其在预腐蚀疲劳寿命计算中的应用

为给桥梁缆索高强度钢丝损伤容限分析提供实用的裂纹扩展计算参数,根据钢材相关试验的结果统计了珠光体钢丝门槛值ΔKth和裂纹扩展计算数据,建立适用于不同屈服强度和应力比的钢丝裂纹扩展经验模型。在此基础上,提出基于一维裂纹扩展假定的预腐蚀钢丝疲劳寿命预测方法,并对锈蚀钢丝恒幅和变幅疲劳寿命进行实例分析。结果表明,珠光体钢材的屈服强度和门槛值之间的相关性随着屈服强度和应力比的提高而增强|提出的钢丝裂纹扩展模型和初始裂纹深度假定可较好地模拟腐蚀钢丝恒幅疲劳试验的离散性和疲劳极限性质|腐蚀钢丝变幅疲劳评估结果对门槛值变化较敏感|按保守门槛值的预测寿命显示,轻微均匀锈蚀钢丝若及时采取养护措施,可在桥梁常规检修期内继续使用。     

循环荷载作用下石膏质岩的疲劳特性试验研究

 利用MTS 815岩石力学测试系统、声发射系统、环境扫描电镜开展石膏质岩循环荷载作用下的疲劳试验,探讨循环荷载条件对其疲劳损伤特性的影响。结果表明：石膏质岩循环荷载作用下的疲劳损伤特征明显,塑性特性显著。其疲劳试验的应力–应变全过程曲线具有如下形状特征：加载曲线可分为“近线性”的弹性特征段和“呈压扁状”的塑性特征段,塑性特征段滞后效应明显,卸载曲线呈现近线性特征。循环荷载条件对石膏质岩疲劳损伤特性影响显著,疲劳试验过程的声发射信息演化规律及微观结构变化特征能够较好地揭示其疲劳损伤演化过程及宏观破裂特征：循环应力水平高、上限应力大、加载频率低,疲劳试验的应力–应变全过程曲线越饱满疏松、加卸载的滞回环面积越大,声发射信息越强烈而集中、声发射率指标越高,试样的疲劳损伤速率快,每次循环产生的塑性应变量大,微观结构越破碎,试样的疲劳寿命越短。     

冻融条件下岩石损伤扩展特性研究(英文)

在冻融环境条件下,岩石内损伤裂纹的冻胀、开裂是一系列物理、力学复杂过程,所以研究冻融环境条件下岩石的损伤扩展机理具有重要意义。本文从损伤力学角度出发,借助于岩石损伤CT扫描实验研究冻融条件下岩石损伤扩展特性。主要做了以下两方面的工作一是研究冻融循环对岩石损伤的影响,从岩石的含水率、密度、损伤CT数的变化等实验现象,着重探讨冻融条件下岩石内部水分迁移、水冰相变对岩石损伤及其扩展的影响;二是研究了冻结温度对岩石损伤的影响,对实验现象主要从损伤CT数统计频率的变化来研究,分析时主要考虑了水冰相变体积膨胀和岩石材料本身物理特性两方面的因素。研究结果表明,冻融循环与冻结温度对岩石损伤有一定影响,而且就相同的温度条件来讲,岩石孔隙大小、孔隙贯通程度、孔隙率及岩石本身强度对损伤有着重要影响。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。     

冻结裂隙岩石加卸载破坏机理CT实时试验

利用自制的岩石力学三轴CT加载系统 ,完成了具有单一裂纹的裂隙岩石在负温条件下的加卸载损伤破坏机理CT实时对比试验研究。分析了冻结裂隙岩石加卸载损伤全过程的CT图像和CT数的演化规律。结果表明 ,与连续加载情况下相比 ,冻结裂隙岩石的卸围压破坏突发性强 ,岩石扩容强烈