基于各向同性弹性损伤的巷道围岩应力场分析

煤岩体中存在大量的微裂纹,微裂纹的发生与扩展造成煤岩体的损伤。将各向同性弹性损伤本构关系应用于巷道的损伤分析,得到了损伤效应函数与损伤变量的表达式,确定了巷道围岩损伤范围和应力分布规律,其结果可用于指导巷道支护方式的选择和稳定性分析。结果表明巷道围岩的损伤主要与地应力有关。当巷道埋深较浅或构造应力较小时,巷道围岩只发生弹性变形;当巷道埋深较深或构造应力较大时,巷道围岩发生各向同性弹性损伤。同时巷道围岩的损伤还受围岩的力学性质影响。     

计算机断层X射线技术在岩土工程中的应用

系统综述了计算机断层X射线技术（CT）的基本原理及其在岩土工程中的应用现状,包括CT的图象重建理论、CT图象分析的进展,岩土材料损伤的损测方法,岩土材料结构变化的动态监测、岩土材料本构模型的建立等方面。     

基于最小耗能原理的岩块损伤演变研究

以岩块的各向同性弹性损伤为例,提出了一种基于最小耗能原理建立损伤演变方程的新思路,并推导得到了岩块在单向压缩下的损伤演变方程及临界损伤值。     

考虑节理初始损伤的岩体本构模型

为反映岩体结构特性及荷载效应对岩体损伤及变形破 坏特征的影响,选用 DＧP准则,考虑节理初始损伤的影响,建 立节理岩体多因子耦合损伤模型,并推导模型参数的理论表 达式.研究表明:岩体的损伤演化途径对应着岩体结构变化 所诱发的力学性状与行为的演变.由于节理宏观缺陷的存 在,使岩体性质表现出明显的差异性,当倾角为０°和９０°时, 岩体的初始损伤值和临界损伤值较小,对应的峰值强度值较 大;当倾角为６０°时,岩体的初始损伤值和临界损伤值最大, 对应的峰值强度值最小.由所建模型的应力 应变曲线与 试验得到的曲线具有较好的一致性,说明模型能够较好地描 述不同节理状况下岩体的变形破坏过程.     

软岩巷道在周边爆破反复作用下的损伤疲劳破坏

本文分析了软岩巷道围岩在远区爆破弱应力波反复作用下的损伤疲劳破坏机理,认为：岩石在周期性荷载作用下会产生疲劳损伤,所引起的力学性能变化对岩体工程的长期稳定性有重要影响;岩石的疲劳破坏存在门槛值,只有在局部应变或损伤疲劳累积达到疲劳裂纹扩展门槛时,疲劳裂纹才会形成和扩展;岩石疲劳裂纹的起裂韧度比其断裂韧度小得多,因此岩石会在远低于其断裂韧度的循环应力作用下发生疲劳损伤破坏.     

煤岩细观结构信息提取与三维构建

煤岩宏观断裂及破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的成核、扩展和贯通引起的,对煤岩微裂隙进行细观尺度的深入研究是揭示煤岩裂隙宏观演化规律有效手段。基于细观损伤力学建立了一套煤岩细观结构量化描述的实验方法,利用显微镜对王坡煤矿煤岩进行细观微裂隙观测,得到了煤岩细观初始损伤特征,探讨了初始损伤对煤岩微裂隙细观演化的影响。并基于数字图像处理技术对煤岩细观结构信息进行提取,以煤岩结构信息统计特征为基础,进行煤岩细观结构的三维构建,为进一步量化研究采动煤岩裂隙演化规律奠定了坚实的基础。     

基于CT图像的土石混合体破裂-损伤的三维识别与分析

土石混合体是一种特殊的非连续非均匀地质材料,传统的岩土力学试验方法与分析理论难以直接用于分析其变形破坏行为。发展了一种基于CT扫描和图像处理技术的内部破裂与损伤的三维识别方法,利用自行开发的裂纹识别提取程序提取和分析了单轴压缩下不同含石率土石混合体变形破坏时的内部细观结构变化特征,建立了土石混合体破裂-损伤的三维重构模型,定量地分析了单轴压缩条件下土石混合体的内部损伤演化规律以及含石量的影响和作用。研究表明:该方法可以直观定量地表征土石混合体变形破坏的内部损伤特征与演化规律。石块对土石混合体损伤发展的影响与含石量密切相关,存在一个临界含石率。     

加载速率和初始损伤对砂岩能量演化影响的试验研究

为研究加载速率和初始损伤对砂岩能量演化特性的影响,通过预压使部分岩样产生初始损伤,并进行原始岩样和含初始损伤岩样不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了砂岩试件加载速率和初始损伤影响下的能量演化特征。试验结果表明,预压产生的初始损伤较为真实地反应岩石内部随机分布的微裂隙损伤,声发射技术能较为准确地表征损伤量及其位置信息;加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加;初始损伤的存在使弹性能增长较无损伤岩样变缓,破坏前积聚的最大弹性能减少;从能量耗散的角度建立了岩石损伤演化方程,验算结果表明基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以很好地描述岩石的损伤演化过程。     

硫酸盐腐蚀与冻融共同作用下井壁混凝土损伤劣化研究

通过试验研究了初始损伤井壁混凝土随硫酸盐腐蚀和冻融循环次数的增加,其质量、超声波传播速度及强度等的变化,运用损伤力学对损伤进行定量评价和参数拟合并借助环境扫描电镜观测分析混凝土微结构的变化。试验结果表明,随着腐蚀和冻融周期循环次数的增加,混凝土的质量呈先增大后迅速减小,超声波传播速度和抗压强度逐渐减小,初始损伤加剧了混凝土性能的劣化;冻融在混凝土损伤劣化中起主导作用,其引起的破坏作用远大于硫酸盐腐蚀。在冻融因素作用下,初始损伤对混凝土性能劣化的影响明显增强;腐蚀和冻融的叠加作用引起混凝土内部微裂纹的产生和连通,而初始损伤的存在使得微裂纹网络体系更加发达,呈现龟裂状延伸和扩展。     

岩体巷道光面爆破参数的分析与应用

在强度高、完整性好的岩体中实施光面爆破,通常都能取得较理想的爆破效果.对于软弱破碎岩体,由于各种结构弱面和夹层,以及岩体的振动损伤,按常规法参数设计的光面爆破,一般很难获得较好的爆破效果.针对此类岩体,分析了光面爆破作用机理和作用过程以及岩体损伤特性,基于应力波与爆生气体综合作用原理,提出了不考虑损伤和考虑损伤条件下,光面爆破参数确定的理论计算方法.通过与常用光面爆破参数的比较和现场爆破论证说明,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论的光面爆破计算公式,适用于软弱破碎岩体及损伤岩体光面爆破参数的确定;软弱破碎岩体的光面爆破,爆炸应力波使炮孔眼壁产生初始裂纹,爆生气体准静压力在裂缝的扩展、贯通过程起了主导作用;光爆层损伤后,周边眼炮孔间距和抵抗线可适当加大.     

高温冷却后花岗岩损伤演化规律研究

为了研究高温冷却后花岗岩损伤规律,通过对不同温度作用冷却后的花岗岩进行了单轴压缩试验,研究了花岗岩的力学特性,得到以下主要结论:(1)高温冷却后岩石的应力-应变曲线表现为脆性断裂特点,分为压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段4个阶段。(2)温度对岩石的力学性质影响存在2个温度阈值:在室温到第1温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而劣化;第1温度阈值范围到第2温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而逐步强化;超出第2温度阈值范围后再升温,岩石的力学性质呈劣化特征。(3)基于Weibull分布提出了损伤演化规律并推导了相应的本构方程,理论模型能部分反映岩石的力学特性。     

不同初始饱和度红砂岩冻融后物理力学性质研究

对不同初始饱和度红砂岩冻融循环前后进行物理及力学试验研究,探讨初始饱和度对红砂岩冻融损伤的影响。本文设定红砂岩试样初始饱和度为20%、40%、60%、80%、100%,冻融次数设定为20次,对冻融前后试样分别测定质量、纵波波速以及进行单轴压缩试验。试验结果表明:(1)冻融后不同初始饱和度红砂岩的物理性质发生变化,纵波波速降低、质量损失率增大,但变化程度不同;(2)随饱和度的增大,试样经冻融后峰值强度和弹性模量均呈降低趋势,但只有饱和度>60%时,降低趋势较明显;(3)随饱和度增大,试样冻融系数逐渐减小。本文研究为寒区边坡工程治理、地下工程建设以及岩土地质灾害监测与治理提供理论依据和试验基础。     

冻融-荷载作用下基于残余强度特征的岩石损伤模型

岩石变形破坏特性是寒区岩土工程建设所直接面临的基础力学问题。为模拟冻融与荷载作用下岩石变形破坏的全过程,将冻融-荷载作用下的岩石微元在轴向抽象为未损伤、冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤4部分,这4部分材料共同承受轴向应力,其中冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤3部分可承受残余应力。采用Weibull分布描述岩石材料的非均匀性,基于D-P破坏准则,定量表述了冻融与荷载的耦合效应对总损伤的影响规律,建立了考虑残余强度特征的冻融受荷岩石损伤本构模型;基于岩石变形破坏特征,推导出模型参数的理论表达式;开展红砂岩冻融循环及三轴压缩试验,研究岩石的变形破坏过程及冻融循环和围压对其力学特性的影响,验证所建模型的合理性;分析冻融-荷载作用下岩石的损伤力学特性。研究表明:本文所建模型反映了冻融受荷岩石变形破坏的全过程,并能表征冻融循环和围压对岩石变形特性的影响;岩石的总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征相一致,刻画出冻融与荷载2种作用因素对岩石总损伤扩展的非线性影响特性,探寻了细观损伤演化所诱发的宏观力学效应,为揭示岩石的冻融破坏机制提供理论依据。     

泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

为研究冻融作用下含不同冲击损伤砂岩的动力学特性,对完整及不同初始损伤的泥质粉砂岩进行冻融 后开展冲击加载试验,研究冻融作用对含初始损伤泥质粉砂岩的宏观动力学性能和损伤演化规律。 结果表明:含初 始损伤砂岩的纵波波速、弹性模量与冻融周期呈负相关;含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级初始损伤砂岩的纵波波速随冻融周期的增 大分别下降了 8. 1%、11. 9%、11. 2%、16. 8%,初始损伤等级越高的砂岩在冻融作用下纵波波速下降幅度越明显;冻融 损伤和初始损伤耦合作用下砂岩弹性模量的变化速率逐渐增加,抵抗形变的能力逐渐下降,塑性逐渐增大;在冻融作 用下含初始损伤砂岩的动态抗压强度与应变率呈指数衰减;初始损伤的存在加剧了冻融损伤对岩石的劣化作用,加 快了砂岩自身宏观动力学性能的弱化速率。     

“三明治”结构复合材料的超高速撞击行为

紧凑型“三明治”结构复合材料在航空航天领域中具有广泛的应用前景.设计了三种由软/硬材料组合而成的“三明治”结构复合材料,即TiB₂/2024+Al结构复合材料,2D-M40_f/5A06+Al结构复合材料和2D-M40_f+2D-Ti_f/5A06结构复合材料.利用二级轻气炮、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)等多种手段,系统地研究了这三种“三明治”结构复合材料薄靶在撞击速度为2.5 km/s及粒子直径为0.8~2.0 mm时的抗高速撞击能力、靶板宏观损伤特征,通过破坏特点各异的“三明治”结构复合材料的平均吸能能力评判抗高速撞击能力.结果表明,“三明治”结构复合材料抗高速撞击能力都比对应的单一材料的好,其最大吸能的高低顺序依次为TiB₂/2024+Al结构复合材料>2D-M40_f/5A06+Al结构复合材料>2D-M40_f+2D-Ti_f/5A06结构复合材料.     

考虑初始空隙闭合及其影响的脆性岩石变形破坏全过程模拟

岩石材料本构模型是进行岩体工程设计与分析的基础。为了建立能够准确反映脆性岩石变形破坏全过程模拟方法,针对当前统计损伤本构模型难以很好地反映脆性岩石峰前变形力学性质的局限性,进行了深入分析。首先,在脆性岩石变形力学特征分析基础上考虑初始空隙闭合及其影响,并由此将其分为两类:第1类初始空隙和第2类初始空隙,其中,第1类初始空隙仅能够在静水压力状态下发生闭合,其闭合程度对脆性岩石弹性模量变化特征产生影响,且其未闭合部分引起脆性岩石具有初始损伤;第2类初始空隙能够在任意应力状态下发生闭合,且能够在脆性岩石初始宏观变形阶段完全发生闭合,其闭合程度对脆性岩石初始压密变形阶段与初始宏观非线性变形曲率均产生影响。其次,脆性岩石被抽象为由裂隙材料和骨架材料两部分组成并基于材料变形力学分析方法建立脆性岩石变形分析方法,然后基于瞬时应变和统计损伤理论分别建立裂隙材料变形分析方法和骨架材料变形分析方法,进而建立考虑初始空隙闭合及其影响的脆性岩石本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后,将该模型及同类型模型理论曲线分别与试验曲线进行比较分析,并在此基础上探讨初始空隙闭合对脆性岩石损伤和附加损伤演化规律产生的影...     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系;混合岩岩样每出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值将发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性到延性的转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

基于岩石损伤破坏和声发射理论的岩爆发生机理

岩石等脆性材料在加载过程中，随着载荷的增加，材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展，这是其他任何方法都不具有的优势。采用岩石声发射测试技术，对不同孔隙率的岩石的岩爆机理进行了系统的试验研究；利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式；用不同孔隙率的大理岩进行了双轴压缩试验。试验模拟了双向受力状态下的岩爆，研究了其破坏过程中的声发射特征，并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。研究表明，采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程，是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。