不同温度循环作用后大理岩细观损伤特征的定量研究

通过单轴压缩试验和细观损伤特征量化试验,对经历20、100、300、450、600 ℃五种温度循环后的四川锦屏大理岩试样的宏观力学性质及相应的细观损伤特征进行了研究。试验结果表明:① 经历不同温度循环的大理岩单轴压缩破坏试样的细观尺度微裂纹主要由沿晶裂纹、穿晶裂纹及晶内裂纹组成,且裂纹相应的基本几何信息服从广义极限统计分布特征;② 由于试样中的沿晶裂纹和穿晶裂纹的100 ℃温度阈值特征,致使宏观尺度的大理岩试样在温度100 ℃前后表现出不同力学性质;③ 沿晶裂纹是在经历温度循环后大理岩试样单轴压缩破坏中起主导作用的微裂纹,穿晶裂纹有一定贡献,而晶内裂纹并未发挥显著作用。     

粉砂岩三轴压缩条件下细观损伤特征的定量研究

首先利用RMT-150B岩石伺服试验系统,以不同围压(2,4,6,8,10 MPa)分别对大坦沙工程粉砂岩试样进行三轴压缩试验。然后,利用扫描电镜(SEM)拍摄得到的大量细观损伤图片,运用数字图像技术获取微裂纹的细观几何信息,从方位角、长度、宽度、面积和数量对不同围压条件相应的粉砂岩细观尺度微损伤特征进行统计分析。研究结果表明：三轴压缩条件下粉砂岩微裂纹的方位角、长度和宽度基本服从广义极限分布;微裂纹的方位角主要集中在与σ1作用方向成35°附近;随着围压的增长,仅有小部分微裂纹在长度尺寸上出现较大幅度的增长,而绝大部分微裂纹在宽度尺寸上基本不发育;经历三轴压缩试验的粉砂岩试样的能量耗散方式,主要以数量和长度两个方式进行。     

大理岩细观裂纹动态演化特征研究

通过对大理岩试样应变响应和表面裂纹图象的实时观察,以及试样表面细观裂纹萌生、扩展图象的研究和相应宏观试验的量化研究,基于细观力学与热力学的基本理论,采用均匀化的基本方法,主要研究大理岩在单轴压缩条件下的损伤演化特征。提出弹性假设,岩石被认为是由岩石基质和裂纹组成,且二者符合叠加原理,并将裂纹分为张开裂纹和闭合裂纹2种,并从细观力学角度和热力学角度进行分析,假设在岩石受力的初始阶段裂纹主要受张拉力作用,随着裂纹闭合,剪压作用逐渐对岩石的损伤破坏起控制作用。得出了裂纹损伤演化的理论规律特征、压剪条件下考虑非弹性的库仑摩尔准则的运用及裂纹的法向位移与切向滑移之间的相互关系,进一步探讨了单轴压缩条件下损伤动态演化的特征。     

单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型

目前岩石动态损伤本构模型未能很好地同时考虑临界应变及已有损伤对被激活微裂纹数目的影响,为此,基于微裂纹在单轴压缩荷载下的扩展机理,提出了新的岩石单轴压缩动态损伤本构模型。在假定岩石中被激活的微裂纹数服从Weibull分布的基础上,首先,通过临界应变对被激活微裂纹数目的影响,建立了考虑临界应变及微裂纹扩展长度的单轴压缩损伤本构关系;其次,根据微裂纹在单轴压缩下的翼裂纹扩展方程,考虑翼裂纹扩展过程中的惯性效应及翼裂纹扩展速度与应变率之间的关系,建立了单轴压缩下岩石动态细观损伤本构模型。最后采用数值算例对模型的合理性进行了验证。结果表明:随着Weibull分布参数k和m的增加,岩石动态抗压峰值强度分布减小和增加,且m的影响更为显著。随着微裂纹摩擦系数、岩石断裂韧性和应变率的增加,岩石动态抗压峰值强度增加;而随着微裂纹长度的增加,岩石动态峰值强度则降低。该结论与目前的研究成果较为一致,说明了该模型的合理性。     

煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究

本文借助细观颗粒流PFC2D软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征,基于裂纹特征分析了煤岩损伤演化本构模型。研究结果表明:在煤岩损伤各阶段,裂纹的扩展演化过程不同,裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力-应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。     

预裂纹岩石材料损伤声发射能量统计特征研究

为了更好地理解岩体结构的基本特性和压缩破坏现象,使用加载设备、声发射系统和高速摄像机对砂岩试件进行了一系列单轴压缩测试。结果表明,砂岩样品的断裂过程分为3个阶段：原始的微裂纹闭合、微裂纹成核和宏观裂纹扩展;完好无损和单裂口试件的损伤能量遵循幂律分布,显示损伤临界。单缝样品的最佳指数(r)约为1.64,略低于完整样品的最佳指数;砂岩试件的拟合幂律指数在实验的不同阶段会发生变化,并逐渐趋于稳定。基于直方图分析和最大似然法,试验裂纹的存在可能会影响损伤能量的统计特性。裂纹倾角对最佳指数影响不大,但对试样的断裂方式有一定影响。研究为工程岩体结构的倒塌破坏预测提供了新的理论依据。     

岩石单轴声发射及能量耗散特征颗粒流模拟研究

基于石膏岩室内单轴声发射试验，结合PFC^2D颗粒流模拟，分析了单轴压缩下岩石声发射演化特征，从空间角度反演了微裂纹萌生、汇集到破坏的过程，同时对渐进破坏过程的能量变化进行分析。研究结果表明：岩石颗粒流细观参数对宏观参数的显著性影响各不相同，利用正交试验及回归分析可量化宏细观参数关系；单轴压缩过程中，声发射事件在峰后阶段大量产生，发展过程可依次划分为无损期、平静期、增长期和陡增期，声发射事件陡增期存在沉寂期，可作为岩石破坏的前兆判据；岩石模型内部最先出现张拉裂纹，峰前阶段内部裂纹随机产生，汇集性并不明显，宏观破裂面形成于峰后阶段，且破裂面附近富集大量拉伸裂纹；岩石内部能量在峰前阶段以弹性能储存为主，峰后应变能大量释放，耗散能急剧增加，能量耗散比呈“N”形变化；基于声发射试验结果所得本构模型更适用于描述离散元单轴压缩过程中的应力应变关系。     

预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究

为了揭示煤岩动力灾害物理模拟的细观损伤机制,利用YYW-Ⅱ单轴压缩试验仪及PCIE-8声发射(AE)监测系统,探究了含不同长度预制单裂隙的砂岩相似材料试样在单轴压缩条件下的力学特性、破坏特征和损伤演化特性.结果表明:随着预制单裂隙长度的增加,试样的峰值强度和残余强度近似线性减小,分别由746.84 kPa和199.11...     

冻融循环作用下卸荷砂岩微观损伤特性试验研究

在"一带一路"倡议背景下,大量岩体工程建设在高寒地区,研究高寒地区岩石在冻融环境下的微观损伤演化规律对分析岩石宏观力学性能具有十分重要的意义。以砂岩为研究对象,开展了冻融循环试验;然后,对经历不同冻融循环次数的砂岩进行三轴卸荷试验,得到破坏断口典型部位的切片;最后,对切片进行扫描电镜试验,统计砂岩微裂纹长度、宽度、面积及方位角等微观损伤信息。试验结果表明:在不同的围压和冻融循环次数条件下,断口微裂纹长度由指数分布演化到对数正态分布,微裂纹宽度及面积分别符合对数正态分布和指数分布,微裂纹方位角变化均无明显规律性。初始围压对断口微裂纹的长度,宽度,面积发育起着抑制作用,而冻融作用一定程度上起着促进作用。此研究成果对损伤岩石的宏细力学性能分析提供了一定科学依据。     

单轴加载条件下大理岩的实时轴向波速变化特征与频谱分析

为研究大理岩在单轴应力条件下的实时轴向波速的变化特征,采用自主研发设计的超声波检测替代承压装置,完成了大理岩、Q345钢的单轴压缩试验与实时轴向超声波测试,并结合FFT方法分析了大理岩试样与Q345钢试样的波速、频谱特征。试验结果表明:在单轴加载条件下,Q345钢试件耦合面的接触性状是导致其波速增长的主要原因,而大理岩纵波波速随应力的变化则受耦合面接触性状与孔隙闭合特征的共同控制,大理岩在弹性范围内的波速变化可分为孔隙压密段与线弹性段两个阶段;试件端面接触性状越稳定,波速增长越慢,波速越高,次频带谐波能量越低;随着岩石内部的孔隙、裂纹被压密,纵波波速增大,频域信号的低频段能量逐渐向高频段转移。     

Application of discrete wavelet operations in the detection of acoustic emission of coal and rock rupture

Through the 5-channel SWAES digital full waveform AE detector, the paper dealt with the fracture process of coal and rock samples under uniaxial compression. Using wavelet operations of multi-scale discrete analysis the pulses of a particular time period (points) and the space domain signal by numerical method were gotten, and the paper concluded that the signal singularity in load rupture had closely relations with fracture and uniaxial compression. The detected position and the actual breaking point only differed at one sample point, the relative error was 6.82%, and there was no accumulative error. Thus it provided an effective method to solve the problem of instability analysis of the signal singularity detection and coal-rock compression failure in the whole process.     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

基于信息融合技术的岩石单轴压缩破坏特征

研究岩石破坏机理只就单一测试手段往往缺乏对比性,在进行煤岩和花岗岩的单轴压缩试验的同时,进行了红外摄像和声发射检测。根据单轴压缩试验,获得了应力-应变全过程曲线,对试验过程中的红外图像和声发射信号进行了分析。综合分析结果表明,岩石破坏过程是其能量的转化过程,不同阶段岩石破坏的机制不同;岩石在单轴压缩试验条件下其内部应力状态复杂,破坏过程的演化是从局部破坏到整体破坏的过程。     

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。     

微孔洞缺陷岩石轴压下弹塑脆性模型损伤研究

开展孔洞缺陷介质破坏行为的研究,是当今固体力学特别是岩石力学研究的重要课题之一,具有重要的学术和工程意义。采用细观单元的弹塑脆性损伤本构,考虑材料的非均质特性,对不同均质度、不同试样尺寸孔洞缺陷建立了基于细观力学的岩石弹塑脆性损伤模型,研究了岩石在单轴压缩荷载下的细观弹塑性损伤破坏行为,通过将有限元计算结果与物理实验对比,分析孔洞缺陷介质破坏行为,得出试样尺寸和均质度对岩石损伤影响的一般规律。     

Meso- and macro-behaviour of coal rock: observations and constitutive model development

Mesoscopic structures must be determined in order to analyse the behaviour of inhomogeneous materials such as coal rock. In this study, a three-dimensional texture of coal rock is scanned by X-ray tomography images using CT system. The time-dependent fracturing behaviour of coal rock for dynamic damage test is then observed by mesoscope under uniaxial stress conditions. In order to determine the dynamic damage evolution process of coal rock, a meso-damage model is introduced, and a constitutive relationship is developed for coal rock subjected to dynamic uniaxial compression in three stages including (I) quasi-linear phase, (II) damage evolution stage and (III) damage accelerating fracture extension. The corresponding meso-mechanical damage mechanisms are investigated.     

Evolution of stress-strain state in structured rock specimens under uniaxial loading

The comprehensive experimental studies into the change in the stress-strain state of rock specimens subjected to uniaxial loading until failure, using the automated digital speckle photography analysis shows that when the stress reaches 50% of the limit strength of the specimens, low-frequency micro-deformation processes begin in the specimens under slow (quasi-static) stiff loading. The amplitude of the deformation-wave processes depends on the level of the pre-set macro-loading. Wave packets are plotted for averaged microstrains obtained in sandstone and marble specimens under uniaxial compression. Fourier transforms are used to define the amplitude-frequency characteristics of four micro-deformation stages: elastic, nonlinearly elastic, post-peak and residual strength stages. Elastic oscillations with frequency 0.5–4 Hz appear at the pre-failure stage and continue at the post-peak loading stage.