基于数字体散斑法煤样内部三维应变场的测量

煤岩内部三维应力应变场的测量对冲击地压、气体吸附及煤与瓦斯突出的机理研究具有重要意义,但在实验室中很少有方法能够直接测量煤岩内部三维应力应变场。采用新近发展的数字体散斑法与微焦点工业CT相结合的方法分别测量了单轴压缩和CO2气体吸附过程中煤样内部的变形,由变形获得煤样内部的三维应变场。研究表明,煤样内部天然结构可以作为携带变形信息的散斑结构,用于变形测量。通过单轴压缩煤样内部等效应变及体积应变的可视化,直观地显示出试件内部应变局部化区域孕育发展的过程,煤样的变形破坏具有明显的应变局部化特征,应变局部化区域与煤样最终破坏断裂区域位置一致。利用DVSP法测得了煤样吸附CO2过程中的三维应变场,并与应变片测量结果进行了对比,两者具有较好的一致性。通过体积应变的分布图直观揭示出煤样在吸附气体过程中存在膨胀区与压缩区,由于非均质性造成内部变形不均匀。     

基于CT图像的混凝土单轴压缩裂隙与应变场分析

利用X射线计算机层析术(CT)对混凝土试件单轴压缩过程进行原位扫描,获得了不同荷载下试件的CT图像.通过对CT图像进行分析,获得了灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数随荷载变化的规律.结合数字体散斑法(DVSP)获得了试件内部三维位移场与应变场.结果表明:试件内部不同尺度裂隙的发展导致灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数发生相应的变化,灰度均值及其均方差可以揭示小于CT尺度裂隙的发展规律,孔隙率和计盒维数更适用于描述大于CT尺度裂隙的特征.试件内部的位移场与应变场能够直观地揭示出小于CT尺度微裂隙引起的应变局部化区域的产生及发展过程,为混凝土细观破坏机理研究提供了新方法.     

基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场

 基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像,采用数字体相关(digital volume correlation,DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析,揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构,成为变形信息的载体,DVC法的精度可达0.05体素;红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征,在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域,并逐渐发展至试件破坏,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明,DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程,为岩石内部变形可视化提供了方法。     

一种基于光栅计量原理的离层位移测量技术

顶板离层监测是锚杆支护监测最重要的内容之一。总结并分析了现今顶板离层测量方法及离层监测系统,以及依据光栅计量原理研制的新型顶板离层传感器的现场应用。该传感器可以与井下分站组成顶板离层监测系统,实现地面的实时监控。该系统已在吕梁店坪煤矿进行了地面、井下联机试验。试验结果表明,该系统运行稳定,数据传输准确。     

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。     

岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演

煤炭对于我国经济发展与能源安全起到压舱石和兜底保障的作用,在"碳达峰、碳中和"国家重大战略决策背景下,研究如何充分发挥煤炭的保障能源与战略资源的作用、实现煤炭绿色智能低碳开发利用迫在眉睫.煤炭生产开发活动打破了地层初始应力平衡,引起围岩应力场重分布,诱发工程灾害.岩石是煤炭生产开发与工程建设的主要对象,研究和解决煤炭绿...     

盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究

结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例,提出钢筋混凝土衬砌结构三维非线性有限元计算模型,应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构计算模型采用三维实体单元,考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的非线性性质,通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质的影响。为验证数值分析结果,进行了衬砌结构的相似模型试验。给出了衬砌结构的应力场、应变场、结构整体位移以及裂纹的分布图。     

基于CT纤维增强复合材料三维变形场的测量与分析

利用工业计算机层析技术(Computed Tomography,简称"CT")和自制的加载装置,实现了玻璃纤维增强复合材料试件三点弯曲加载过程的原位扫描,获取了不同加载阶段的CT图像。采用数字体图像相关法(Digital Volume Correlation,简称"DVC")测量分析了试件内部三维位移场和应变场,揭示了试件内部的应变演化特征及破坏机理。纤维增强复合材料内部细观结构特征可以作为变形信息的载体,实验中测量精度为0.063体素(2.8μm)。DVC获取的位移场及应变场分布能直观反映试件内部的结构特征,由横向切应变的分布显示出在试件破坏前已产生了剪切带,最终导致试件在该区域产生层间开裂。此外,由横截面位移分布验证了因横向切应力而导致截面产生翘曲的现象。结果表明,DVC法与工业CT结合所得测量结果能够直观地反映出复合材料内部结构的变形特征,为研究材料内部变形破坏及验证理论模型提供了新方法。     

基于数字体图像三维裂隙的分形计算及应用

根据计盒维数(CBD)的计算方法,提出了基于三维裂隙的数字体图像计算其分形维数的立方体覆盖法,并用MATLAB软件实现了该算法.利用工业CT扫描获取了不同围压下破坏煤样的数字图像,通过数字图像处理获取裂隙并生成裂隙体图像,应用立方体覆盖法计算三维裂隙的分形维数;通过对破坏煤样块体质量-频率的统计,计算了块度分形维数.两种分形维数分别从裂隙的发育程度和煤样破碎程度来评价煤样的破坏,两种分形维数越大,煤样的破碎程度越高,裂隙越发育,变化趋势具有一致性.结果表明:提出的计算三维裂隙分形维数的立方体覆盖法是可行的,得出的三维裂隙的分形维数可以作为分析裂隙空间分布的定量参数.基于三维裂隙的数字体图像的分形维数还可以用于对裂隙演化过程的定量描述.     

轴向荷载作用下煤岩吸附瓦斯特性试验研究

为了揭示应力、气体吸附共同作用下煤岩的结构变化规律,对不同轴向载荷、不同瓦斯压力条件下的煤样进行CT扫描,基于CT图像定义了体素孔隙率α,分析了煤样体积应变、CT图像灰度及孔隙分布的变化规律。结果表明:体素孔隙率α可以反映应力、气体吸附共同作用下煤样内部不同尺度孔隙结构的变化;0α≤20%时体素区域在瓦斯作用中起主导作用,α40%时体素区域主要起着瓦斯运移通道作用;瓦斯吸附首先发生在0α≤10%的体素区域,随着轴压的增大,吸附逐渐对10%α≤20%的体素区域产生作用;应力比气体吸附对煤样孔隙结构的改变作用更为显著。