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。     

自然营造力作用下岩石单裂纹水力劈裂数值仿真模型

考虑水利水电工程中自然营造力作用下岩石水力劈裂特点,建立裂纹内初始含水量饱和而外界水压增大情况下,裂纹进一步发生水力劈裂的数值仿真模型。在数值模型中,通过半解析半数值方法建立裂纹内水压分布梯度与裂纹张开位移间的耦合关系,不仅简化耦合迭代分析,而且提高计算精度;断裂力学模型采用以Hillerborg黏滞区裂纹模型为基础的COD准则,并引入损伤变量对其开裂准则进行修正;裂纹的扩展采用预置零厚度接触单元的方法巧妙地解决耦合与非线性迭代中裂纹的前进与后退问题。最后,对简单的岩石试件进行水力劈裂过程数值仿真分析,得到的裂纹内水压分布规律与已有的试验结果吻合,证明所建模型是合理的,计算结果是可靠的。     

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.     

裂隙水对节理岩体裂隙扩展影响的CT实时扫描实验研究

采用与CT机配套的加载装置，使用相似材料，对单裂纹含水和不含水的标准试件进行了CT实时监测实验，以观测裂纹扩展的全过程。探讨试件在不同复杂应力状态和原生裂纹处于不同地下水压的情况下，其裂纹的萌生、演化、发展及最终破坏形式。通过在试件中原生裂纹内不注高压水、含有压裂隙水和注水致裂来分别模拟岩体工程中裂隙不受水的影响、受有压水的影响及水压致裂的破坏过程。目的在于探讨3种情况下，岩体的不同破坏形式。从实验结果来看，3种条件下，试件都经历了微裂隙被压密、损伤演化开始、微裂纹扩展贯通、宏观裂纹产生等阶段，但其破坏形式各不相同。说明了在分析岩体结构时要充分考虑地下水的存在状态对工程结构的影响。同时，也为进一步建立岩体结构合理的损伤演化方程、本构关系和研究岩石破坏机理提供了科学依据。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

 为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。     

不同孔隙水压条件下完整砂岩剪切力学特性试验研究

利用自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置,开展法向应力为2.0 MPa,孔隙水压分别为1.0,2.0和3.0 MPa条件下砂岩剪切破坏试验,同时利用三维立体扫描仪对剪切断裂面进行扫描,运用Matlab软件编写统计参数计算程序,分析不同孔隙水压下的剪切断裂面特征。研究结果表明:(1)孔隙水压对砂岩剪切力学特性具有"软化"效应,孔隙水压越高,砂岩的抗剪强度越低,峰值剪切变形量与峰值法向变形量均越小;(2)孔隙水压越高,试件剪切断裂面各点相对基准剪切面垂直距离的均方根偏差S_q、粗糙度指数S_r以及表面裂纹分形维数D_r等均越小,表明随孔隙水压增大,剪切断裂面粗糙程度降低;(3)通过剪切断裂面裂纹扩展分析发现,在不同孔隙水压条件下的剪切试验过程中,试件表面裂纹的扩展只能反映靠近该表面很小范围的内部裂纹扩展情况,不能等同试件剪切断裂面裂纹的扩展路径。     

层状复合岩体损伤演化规律及分形特征

采用现场所取页岩和灰岩经室内加工"拼接"成6种不同组合方式的层状复合岩体,研究其在单轴压缩下的损伤破裂过程和声发射特征。试验过程中采用声发射系统采集试件在试验过程中所释放的声发射信号,试验前后对复合岩体进行CT扫描,分析试件破裂前后内部裂纹发育情况,并引用分形理论对破裂试件不同部位CT图像进行损伤程度分析。研究结果表明:(1)层状复合岩体的破坏是页岩组分材料和灰岩组分材料在荷载作用下耦合破坏的过程。破坏过程中灰岩组分材料对页岩组分材料的横向变形有制约作用,页岩组分材料对灰岩组分材料的横向变形则有反向促进作用,破坏时页岩组分材料的强度大于单一页岩,灰岩组分材料的强度则小于单一灰岩。(2)根据组合方式不同,将层状复合岩体破坏模式分为张拉劈裂型破坏、剪切滑移型破坏和劈裂剪切复合型破坏3种。岩石的组合方式决定着其受力状态,从而影响着复合岩体的破坏模式。(3)复合岩体平均CT数和试件扫描破裂断面盒维数均能够反映出复合岩体的损伤程度,即试件破坏前后断面CT数差值越大,断面盒维数越大,则其损伤程度也越大。     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。     

CT数字图像处理技术在沥青混合料微观结构分析中的应用

利用CT机对马歇尔成型的沥青混合料试件进行分层扫描.通过数字图象处理技术对试件冻融劈裂前后图像的变化进行分析,从空隙率、胶浆面积、粗集料面积等3个方面揭示了试件内部冻融劈裂前后微观结构的变化规律.通过数学假设,建立了沥青混合料CT值分布规律的数学模型,从而将CT值和沥青混合料的损伤变量联系起来.利用损伤变量对沥青混合料试件冻融劈裂前后水损害情况进行了对比分析.     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

祓岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理，且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞，这使得其力学!特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备，完成了2个锦屏Ⅱ级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验，得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理，从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展，直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程，解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理，推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

用非连续变形分析方法模拟冲击荷载作用下巴西圆盘的破坏过程

 为研究岩石在冲击荷载作用下岩石的破裂过程,运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure),对大理石巴西圆盘试样在分离式霍普金森压杆(SHPB-Split Hopkinson Pressure Bar)试验中动态破裂全过程进行了数值模拟分析研究。模拟结果形象展示了试样在不同入射波作用下裂纹的萌生、演化、扩展及贯通破坏情形,与试验结果有较好的吻合。对裂纹产生的力学机理、扩展过程及伴生现象做出了解释。研究结果表明：(1) 改进的微观破裂准则不仅适用于模拟岩石静载破裂,而且可以用于模拟动载破坏;(2) 巴西圆盘试样在受到冲击荷载作用时,主裂纹首先从一端产生,然后逐渐沿径向加载方向向中心延伸、扩展至另一端贯通破坏,裂纹尖端的拉应力是导致岩石开裂的原因;(3) 主裂纹拓展过程中伴随着次生损伤微裂纹的产生,次生微裂纹主要集中在主裂纹两侧附近区域;(4) 试样两端与入射杆、透射杆接触部分会产生三角形破裂区,且随着入射波幅值的增大,三角形破裂区域面积有增大的趋势。     

页岩水力压裂水力裂缝与层理面扩展规律研究

在对含天然层理弱面页岩进行水力压裂过程中,水力主裂缝的起裂、扩展及层理面的扩展对缝网的形成有重要影响。为研究水力主裂缝的起裂、扩展规律和层理面对水力裂缝扩展的影响,开展真三轴试验条件下的水力压裂试验,采用声发射系统监测水力压裂过程,并在试验后对试样进行剖切与CT扫描;同时进行定量的理论分析,并通过试验结果验证。研究表明:(1)起裂方向由初始角度转至最大水平主应力方向;垂向应力与水平最大主应力相差极小时,各个方向起裂压力相差极小,裂缝很快转向最大水平主应力方向。(2)水力主裂缝整个扩展过程中所需水压区间与裂缝长度、断裂韧性值相关。(3)形成由层理面与主裂缝构成的网状的裂缝系,层理面在主裂缝的靠近过程中张开区的长度极小,主要在主裂缝接触到层理面后产生较大的张开区与剪切区,层理面的剪切区域长度远大于张开区域长度,剪切区域提供主要的导流通道;剪切区的长度对层理面黏聚力c和水力裂缝与层理面交角?参数敏感性很高。研究结果可以为压裂模型的建立提供几何参数,并对施工参数的设计有指导意义。     

Hydraulic fracturing in a cubic soil specimen

Based on fracture testing results for a cohesive soil, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. From the criterion, the mechanism of hydraulic fracturing in a cubic soil specimen was investigated. The envelope-shaped crack prefabricated in the cubic soil specimen was propagated by increasing water pressure in the crack. The propagation of the crack may occur in mixed mode I-II or mode I. While the crack face is not perpendicular to any of the maximum, medium and minor principal stresses on the specimen surfaces, its propagation may occur in mixed mode I-II. But while the crack face is perpendicular to the minor principal stress, the crack is the most likely propagating one, and its propagation may occur in mode I.     

原状全风化花岗岩三轴实验CT监测研究

利用可测孔隙水压力和可控排水条件的土静三轴实验装置和螺旋扫描CT，对香港原状全风化花岗岩进行了三轴固结不排水(CU)实验CT动态监测研究。样品应力-应变曲线和实验前后宏观变化特征显示，在不同围压下样品呈现出剪切破坏和剪切-蠕变破坏的差异。CT图象和CT数的结果表明土体原始结构很不均匀。固结使土体孔隙压缩，样品变密。受土体结构(主要是粗大未全风化的钾长石团斑边缘弱区和残余结构面)和围压条件控制，剪切过程中土体细观损伤呈空洞-裂隙．空洞形式的演化。土体在达到峰值前经历了很长的塑性变形阶段。裂隙损伤由空洞损伤发展而来，并沿最大剪裂面集中发展。残余变形阶段强度呈稳态，CT图象显示主破裂面贯通，其周围有多处空洞损伤。对比实验发现，这种同CT扫描仪配套的新三轴仪给出的应力、应变结果可同常规三轴实验很好地联系起来。该仪器和方法可望为新近提出的土体结构力学研究提供观测与量化分析手段，也可为土体结构细观损伤演化研究构筑基础。