常规三轴压缩下花岗岩断裂表面的分形研究

用花岗岩试件做了常规三轴压缩试验,对在不同围压作用下的岩石断裂表面进行了分形研究。其结果表明,随着围压的增加,沿破坏而剪切错动方向分形维数增加,而垂直于该方向的分形维数则基本不变。用光学显微镜及扫描电镜观察岩石断口的分形特征,分析了岩石断裂机理。结果表明,分形维数是一个能反映岩石损伤断裂机理的特征参数。     

基于数字图像技术的深埋隧洞围岩 卸荷劣化破坏机制研究

 ：卸荷状态下围岩的破坏机制比较复杂,受到多种因素影响,与传统的加载模式有本质区别。以锦屏地区板岩为研究对象,进行岩石力学性质试验和细观结构试验,研究卸荷后板岩力学性质变化和微裂纹细观结构参数的统计规律。通过采用Monte Carlo模拟,形象地再现了卸荷后板岩微裂隙的空间分布,最后得到不同围压、不同阶段卸荷破坏的岩石细观损伤的分形维数。将卸荷岩体的力学性质参数和细观损伤分形维数联系起来,为从传统力学方法研究岩石的损伤和破坏过程提供依据。研究结果表明,随着围压增大,卸荷岩体分形维数增大,相同围压下的岩体,峰后卸围压的分形维数大于峰前卸围压的分形维数。     

岩石直接拉伸破坏过程及其分形特征的 三维数值模拟研究

通过建立带有残余强度的弹脆性拉伸损伤细观力学模型,运用并行有限元计算手段,模拟不同均匀程度的岩石试样在直接拉伸应力作用下的破坏演化过程,得到拉伸断裂位移-应力全过程曲线,并进行理论和试验对比分析验证.通过分析非均匀性对拉伸过程中非线性力学行为及断裂破坏形态,最后讨论了拉伸断裂破坏的分形特征.数值试验结果表明,非均匀程度对岩石直接拉伸破坏过程中的非线性行为有很重要的影响.岩石细观非均匀程度越高,宏观表现出的直接拉伸强度和初始弹性模量越高,破坏的脆性程度越强,但是残余变形能力和残余强度越低,断口表现出更为光滑的形态.三维空间的破坏分形分析表明,分形维数随着拉伸的进行而逐渐增加,当岩石完全拉伸断裂之后分形维数增加到一个恒定的最大值,而分形维数的变化情况同样反映了岩石的非均匀程度和脆性拉伸破坏程度.     

砂岩基于渗流作用下声发射的损伤分形特征研究

岩石在渗流作用下的损伤演化过程是当代岩土工程界最为关注的话题之一,为探究岩石在渗流压—应力耦合下的损伤演化特征,对取自某矿井工程的砂岩进行了三轴压缩渗流声发射试验。研究结果表明:渗透率随着应力的增加呈先减小后增大的整体趋势,在峰值应力附近达到最大值,峰后略有降低,围压越大,渗透率越小;声发射在渗透试验过程中呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;利用weibull分布函数,基于声发射振铃计数计算得出,砂岩在渗流—应力作用下损伤量主要集中于应力加载阶段,渗透损伤仅为整体总损伤的10%~15%,且主要集中于屈服阶段之后,围压越大,渗透损伤量所占比重越小;砂岩的分形维数呈逐渐减小趋势,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。     

三轴应力下致密砂岩裂纹展布规律及表征方法

利用三轴试验机和CT扫描设备,开展了多组不同围压作用下的致密砂岩三轴压缩试验及CT扫描试验,得到了不同三轴应力条件下砂岩破坏裂纹的CT图像;利用图像处理技术和统计学原理提取了裂纹展布的几何形态。引入裂纹的宽度、长度、面积和分形维数等几何参数描述了破坏裂纹的空间形貌,分析了不同围压条件下岩石破坏裂纹面积、长度、宽度和分形维数的分布特征,揭示了围压应力对上述裂纹几何特征的影响规律。研究表明：围压应力对破坏裂纹的面积、长度、宽度和分形等几何特征有显著的影响,低围压条件下,裂纹的面积、长度和宽度都较小,随着围压的增加裂纹的面积、长度和宽度也增大,且概率密度分布函数有了明显的差异;破坏裂纹的分形维数随着围压的增大呈指数递减趋势,低围压条件下裂纹的分形维数大,说明裂纹形态复杂,曲线边界粗糙,产生的小裂纹较多,且相互交错分布,形成的裂纹网络结构占据了整个试件二维横截面图。随着围压的增大,破坏裂纹的分形维数减小,说明裂纹形态趋于规则,小裂纹减少,形成了近似直线的光滑主裂纹。     

大理岩卸围压破坏全过程的声发射及分形特征

采用极点对称模态分解方法对大理岩卸围压破坏的声发射数据进行去噪处理,分析大理岩卸围压变形破坏全过程的声发射变化特征。加载初期声发射振铃较小且增长缓慢,扩容点后声发射振铃计数率迅速增加。声发射时频变化呈现波动特征,峰值强度前频率出现突增,临近峰值强度时频率明显降低。利用关联维数方法计算大理岩卸围压破坏过程的声发射分形维数,声发射分形维数呈现阶段性变化,先增大后减小,在应力达到峰值强度的80%附近出现陡增,破坏时分形维数又出现大幅降低。频率变化特征与分形维的变化规律具有对应关系,声发射信号频率突然上升且分形维数陡增可认为是岩石破坏前兆。     

岩石损伤破坏过程中分形与逾渗演化特征

通过细观非均匀单元破坏事件的累积来反映岩石宏观上的逐渐损伤,而通过分析破坏单元的三维空间位置来建立岩石破坏过程中的分形和逾渗模型,并采用RFPA3D软件来模拟不同随机分布的岩石在单轴加载条件下的破裂过程,研究岩石在逐渐损伤破裂过程中的微破裂的分形与逾渗演化特征。微破裂的分形和逾渗特征反映了岩石的非均匀程度,岩石损伤破裂分形维数随着均质度和单轴抗压强度的增加而变小。逾渗分析也表明,在非均匀程度较高的岩石中破坏单元分布更为弥散。当外加载荷逐渐增加时,破裂集团和分形维数都表现出逐渐增加的趋势,但外载达到临界值时,应力突然下降的同时伴随着破裂单元急剧增多、破裂集团合并减少以及微破裂、分形维数增加等突变行为。模拟结果表明,岩石破裂过程中的分形和逾渗变化的规律性并不是偶然的,不同层次(不同尺寸)的岩石材料其力学行为具有的自相似性才是问题的本质。     

岩石类材料损伤演化的分形特征

本文从几何学角度考察了岩石类材料损伤演化过程所表现出的统计自相似性,应用分形几何方法分析了岩石材料损伤演化的分形特征,得到了材料损伤演化过程中分形维数随载荷变化的关系曲线。研究结果表明:材料损伤演化过程是一个分形,分形维数是反映材料损伤程度的某一统计特征量.本文的研究为材料损伤断裂的分析开避了一条新途径。     

堆石料颗粒破碎的分形特性

对伊江上游其培水电站大坝垫层料进行4组高围压大型三轴试验,依据试验前后粒径分布资料,通过建立分形模型,研究堆石料的破碎分形特性.结果表明,试验所用的2种堆石料在颗粒破碎后的粒径分布均有良好的分形特性,破碎分形维数为2.612 7～2.723 2,垫层料下包线的破碎分形维数明显小于垫层料平均线.相同的密度下,随着围压的增加,堆石料破碎分形维数增大,且增大的趋势具有阶段性:当围压较低时,破碎分形维数变化较小;围压升高时,颗粒破碎率增加,破碎分形维数上升的幅度加大.在相同的围压下,破碎分形维数随着密度的增加而增大.破碎分形维数反映了颗粒破碎后粒径的大小,分布的均匀程度,分形维数越大,破碎量越大,并与Marsal颗粒破碎率存在较为显著的线性回归关系.     

基于数字岩心的页岩储层岩石细观损伤机制研究

岩石损伤对储层的力学性能及渗流特性等具有显著影响。为研究页岩储层岩石的细观损伤机制,基于CT扫描试验重构三维数字岩心,基于单轴压缩试验及巴西劈裂试验获取岩石力学参数,结合岩石塑性损伤本构模型开展了单轴压缩数值模拟。结果表明：(1)页岩受压时,损伤从孔隙密集区开始发展,后损伤值升高,损伤范围扩展,直到各损伤区贯通,形成剪切斜裂缝。(2)压缩损伤和拉伸损伤存在不同的应力阈值,页岩受压时,压应力先达到压缩损伤的应力阈值,压缩损伤最先产生;拉伸损伤在压缩损伤较大处产生,且表现出滞后性,其损伤体积小于压缩损伤。(3)研究区页岩的孔隙等效直径分布范围为0～200μm,其中,等效直径为10～40μm的孔隙对孔隙度的贡献最大。随着孔隙度的增加,峰后强度的下降速度变缓,岩石延性逐渐增大。(4)孔隙空间分布对页岩的损伤扩展形式及破坏形式存在极大影响,引入分形维数表征孔隙空间分布的复杂程度,发现孔隙的分形维数仅在孔隙度较大时才影响岩石的峰值强度,相同孔隙度下,分形维数越大,峰值强度越低;分形维数对岩石弹性模量的影响极小;孔隙度和分形维数对岩石的损伤体积均存在较大影响,孔隙度和分形维数越大,损伤体积越大。     

基于SEM图像分维估算的脆性材料细观结构演化方法研究

借助细观力学试验系统，运用扫描电镜拍摄了不同应力条件下水泥砂浆的实时细观结构图像，综合应用图像分析技术和分形理论，估算了细观结构图像的分形维数，并简要分析了脆性材料的细观结构演化特征。     

冻土断裂韧度测试的理论与方法

在讨论冻土脆性破坏特征的基础上,分析了线弹性适用条件及平面应变断裂韧度测试对试样尺寸的要求。在测试方法上,详细说明了试样的制备,条件载荷值Pq的确定以及实验过程的一些细节问题。最后就冻结黄土KⅠc(Kq)测试结果,分析了KⅠc(Kq)与温度、含水量及加载速率的关系     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

基于分形理论的装配式ECC叠合梁受弯性能及损伤演化研究

为研究水泥基复合材料(ECC)底板及后浇层的梁构件的受弯性能及损伤演化规律，设计并制作了11根梁试件，研究其在不同配筋率、ECC底板厚度和钢筋连接形式下的受弯性能。采用分形理论研究试件的分形维数与试件跨中位移、延性、一阶频率、静动刚度等参数的关系，提出基于动刚度及静刚度退化的损伤演化规律。结果表明：与传统钢筋混凝土梁相比，底部带有ECC预制底板的梁试件的延性、屈服荷载、屈服位移和破坏时的分形维数均有所提高。试件的延性和破坏时的损伤指数随分形维数提高而提高，而弯曲刚度、一阶频率随分形维数提高而降低。采用分形维数估算试件的损伤可作为损伤评定的一种有效的技术手段。     

压应力对岩石破碎的分维的影响

对不同围压的实验中的砂岩破碎碎屑，用筛析法和比重计法分析砂岩碎屑的分布，发现砂岩破碎碎屑是分形分布。不同围压的实验中，碎屑分布的分维值不同。随着围压（有效压应力）的增加，砂岩破碎碎屑的分维增大。文中解释了砂岩碎屑分维增大的原因，研究了碎屑分形分布的物理机制。     

堆石体的填筑标准与级配优化研究

基于分形理论,进行了大量堆石料室内相对密度试验、压缩试验以及三轴试验,对堆石料级配与干密度、压缩模量、破坏强度、颗粒破碎等工程特性之间的关系进行了深入研究。结果表明:(1)级配对堆石料的物理力学性质影响明显,且随着试验应力的增加,其差异性越来越大。如粒度分形维数D在2.22~2.63的良好级配范围内,制样相对密度取1.0时,堆石料干密度在2.026~2.311 g/cm~3之间,相差14%;在3.2~6.4 MPa压力范围内的压缩模量相差2.47倍;制样相对密度取0.8时,在1.6 MPa围压时的三轴试验破坏剪应力相差23%。(2)相同相对密度条件下,随着粒度分形维数的增加,堆石料的极值干密度或孔隙率、压缩模量、破坏应力均表现为先增大、后减小的规律,在D=2.56~2.62附近均存在极值点,对应P5含量在35%左右,细粒含量过多时的"砂化"现象,导致颗粒骨架效应减弱,堆石的工程性质劣化,极值点对应的临界分形维数控制堆石料的工程性质。(3)堆石料的粒度分形维数与颗粒破碎之间存在良好的规律,即粒度分形维数越高,颗粒破碎越小,可通过级配优化设计控制堆石料的颗粒破碎。(4)基于堆石体的孔隙率可描述为粒度分形维数和相对密度的函数,首次提出了基于变形控制的孔隙率和相对密度双控指标,作为高坝堆石体的填筑标准,并结合如美300 m级堆石坝,提出了堆石料级配优化确定的方法。     

模型维数对岩土离散元试验影响的宏-微观研究

对实验室常规三轴试验分别进行了二维和三维的离散元数值试验,从试样宏观力学响应和剪切带演化的角度比较模拟结果,分析模型维数对岩土力学性质模拟结果的影响。数值试验结果表明,最密实状态的、具有相同参数的二维和三维试样,在剪切过程中均会表现出软化特性,试样峰值应力均随围压的提高而增大,其峰值应力的数值相近,但三维数值试样达到峰值应力所对应的应变约为二维试样的1/4。随着围压的增大,二维和和三维离散元数值试样剪切带均趋于集中;但在相同围压作用下,不同维数数值试样宏观剪切带的形状和厚度均不同,二维试样剪切带的范围和厚度均较大。     

岩石节理表面三维形貌特征的分形分析

 利用高精度三维表面形貌测试仪Talysurf CLI 2000对节理试件表面进行扫描,将表面粗糙形状进行数值化表达并实现节理面的三维可视化。在此基础上,运用分形几何理论对节理表面三维形貌特征进行分析,得出节理剖面线的分形维数与JRC之间的函数表达式。以单个节理面为研究对象,探究节理表面分形维数与剖面线分形维数以及JRC之间的关系,这对分形几何理论在节理表面形态研究中的深入应用有重要意义。