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.     

考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型研究

基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了单轴压缩下考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。然后采用伺服试验机对不同尺寸大理岩石进行了单轴压缩试验研究,得到了不同尺寸大理岩样试验结果;讨论了材料力学参数与尺寸之间的关系,给出了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型参数。预测的不同尺寸岩石理论曲线和试验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了岩石尺寸对损伤特性的演化规律。     

类节理岩体单轴压缩损伤演化的CT试验研究

采用自制与CT机配套的专用加载装置,对含单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT(Computerized Tomography)实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了监控,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数.通过分析,提出了岩石的损伤演化率和损伤门槛值概念,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体损伤演化特性.     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段，由于岩石损伤高度局部化，声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。     

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。     

岩石损伤扩展特性的实验分析及其本构关系与数值模拟研究

摘要从岩石损伤CT细观实时实验观测到的裂纹扩展机理出发,对比分析宏观实验结果,得出正确合理的岩石损伤扩展的物理力学机制,基于岩石损伤演化的物理力学机制对岩石宏观破坏应力-应变全过程曲线进行分段,建立合理的分段岩石损伤本构模型和损伤演化方程,并给出相应的数值模拟方法.基于上述认识,完成了以下工作:博士学位论文 TESTING ANALYSIS AND NUMERICAL SIMULATION ON DAMAGE PROPAGATION CHARACTERISTICS OF ROCK AND ITS CONSTITUTIVE MODEL     

层状复合岩石损伤本构关系与断裂破坏准则及工程应用研究

 首次利用高倍扫描电镜系统地研究了构成层状复合岩石的三种典型岩石——灰岩、砂岩、泥岩的微观结构形态, 利用岩相学和显微构造理论深入分析了岩石内微观晶体结构、微孔隙、微裂纹的结构、构造、分布及其特征。结合实验应力测试分析及岩石损伤演化发展过程, 建立了岩石的“微结构模型”。建立了一套高灵敏低噪声岩石微损伤声测系统, 首次拾取到岩石内加载初期的微损伤萌生声信息, 并记录再现了单一岩石和复合岩石整个损伤演化过程和完整波形。提出了用三条曲线描述的单轴压缩岩石应力应变损伤全过程破坏曲线, 同时给出了描述其整个损伤演化过程的损伤演化方程式。在微结构模型和单一岩石损伤演化律方程的基础上, 导出了含3 层及含任意多层的复合岩石3 维非线性损伤本构方程和损伤演化方程, 结果与实验相吻合。由此进一步分析了损伤演化与破坏失稳特征, 进而导出复合岩石的破坏失稳准则。针对复合岩石的特殊性质, 深入研究了层状岩体中, 层间胶合强度、层面粗糙度、分层岩石的组合、应力状态、大小、方向等与复合岩石整体的应力、变形、强度及稳定性的关系, 获得了有益的结果。通过现场层状复合岩石性态的研究, 采用有限元计算方法及现场观测技术, 对采空区顶底板复合岩层的应力场、位移场分布、底板岩层的变形及顶板岩层的损伤扩展与断裂下沉破坏进行了多方面的研究, 找出了它们的特征和规律性, 计算结果与现场实测结果吻合较好。     

地下水对泥板岩强度软化的损伤力学分析

针对18层泥板岩处于龙滩水电站坝址进水口高边坡中这一特殊情况,深入探讨水-岩相互作用使其劣化的损伤机理。采用RMT-150B型岩石刚性伺服试验机,进行18层泥板岩不同吸水率情形下的单轴压缩试验。结果表明,泥板岩抗压强度的软化不仅与吸水率密切相关,而且还是吸水时间的函数。运用损伤力学理论分析地下水对岩石强度与变形的影响,初步建立与应力状态密切相关的岩石遇水损伤演化方程。结果表明,该理论能较好地描述岩石遇水损伤演化特征,从而为岩质边坡细雨入渗滑坡现象提供理论依据。     

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。     

Real-time computerized tomography (CT) experiments on sandstone damage evolution during triaxial compression with chemical corrosion

The computerized tomography (CT) images and CT values for the process of compression, micro-cracking, and dilation up to the failure of sandstone specimens under different loading levels have been obtained using the real-time CT technique for triaxial loading of sandstone subjected to chemical corrosion. Clear CT images and CT value of the stages from compression of micro-cavities→emergence of micro-cracks→bifurcation→development→fracture→collapse→unloading can be observed. The CT value, equivalent to rock density at the CT scan layer, is the most important parameter describing the damage evolution process of rock. The paper also presents results of the corrosive influence of chemical solutions with different pH values and ionic concentrations on the sandstone strength. Stronger acidity (pH<7) or causticity (pH>7) has a stronger effect on the rock micro-fracturing evolution. The mechanism of damage evolution of sandstone is analyzed and a damage model based on the chemical corrosive influence and CT values is proposed.     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

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     

岩石疲劳损伤扩展规律CT细观分析初探

利用笔者研制的CT(ComputerizedTomography)机专用三轴加载试验设备 ,进行了实时的岩石疲劳损伤演化CT细观试验。从细观尺度证实了岩石疲劳破坏存在门槛值 ,研究了循环荷载最大应力值的变化对岩石疲劳破坏的影响机理 ,得到了岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

基于能量耗散和声发射的岩石损伤本构模型

为了更好地研究单向受载下岩石的本构关系和损伤演化规律,利用泥岩的单向压缩和声发射试验,分析了岩石的变形特点、能量转化和声发射特征,在此基础上,分别建立考虑能量耗散和声发射的损伤演化方程,提出初始损伤和临界损伤的定义,构建了能够反映岩石压密过程和残余强度阶段的损伤本构模型,并通过单向压缩试验结果对比分析了两种损伤演化规律及理论损伤本构关系。研究结果表明,两种损伤演化规律基本一致,都经历损伤缓慢增加、加速增加和残余损伤3个阶段;材料参数分别影响应力强化、软化和整体应力-应变曲线;两种理论损伤本构关系均较好地反映了岩石的单向受载变形特征,从而证明了所建损伤本构模型符合实际。     

巷道开挖效应下围岩损伤演化规律及试验研究

为了研究巷道开挖卸荷引起的围岩损伤演化规律及力学响应机制,采用RMT-150试验机开展了白砂岩试件三轴加载-卸载-单轴再加载力学特性试验,建立了岩石三维损伤本构模型。根据损伤岩石单轴加载应力-应变曲线,分析其破坏模式,确定了单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比的非线性关系。结果表明:(1)三轴应力作用下,岩石损伤演化过程分为5个阶段,即损伤稳定减小阶段、无损伤阶段、损伤稳定增长阶段、损伤加速增长阶段、损伤破坏阶段;(2)单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比呈现3次非线性相关关系,从环向应变规律来看,损伤岩石表现出塑性硬化和塑性软化两种状态;(3)损伤岩石以张拉破坏为主,随着损伤变量值增加,破坏形式逐渐向剪切滑移破坏转化。通过对岩石损伤演化规律的研究,为工程围岩稳定性判别及预警提供理论依据。     

基于CT试验的岩体分区破损本构模型

在砂岩单轴压缩CT试验的基础上,定义了岩土材料的安全区、损伤进行区和破损区,对分区的CT阈值标准进行了讨论和经验选定。在此标准下,取得了所有断面在各加载阶段下的分区结果,并以第5扫描断面为例给出了分区的结果。利用数学形态学的图像测量技术对所有断面各区的CT信息进行了检出和统计分析,并对各个区上砂岩CT数随加载过程的变化规律以及破损区产生的条件进行了研究。根据检出的各加载阶段的安全区、损伤进行区和破损区的CT数统计资料,定义了一个基于CT数的统计损伤变量,建立了损伤演化方程,以此为基础建立了可反映砂岩分区破损的本构模型。     

模拟节理岩体水压致裂的CT实时试验初探

采用自行研制与CT机配套的专用注水加载装置,对含单裂纹试件在水压作用下裂纹扩展并贯通的全过程进行了CT实时监测试验。在不同水压情况下,试件原生裂纹扩展导致微裂纹萌生、发展,最终试件劈裂,同时伴随周围颗粒被挤密压实。CT实验得到了各阶段清晰的CT图象及CT数和方差。通过分析,从细观上掌握了节理岩体水压致裂的损伤演化特性及裂纹扩展规律,提出了损伤和劈裂门槛值概念,并推导了基于CT数的损伤变量。