单轴压缩下砂岩声发射及分形特征研究

为研究砂岩在单轴压缩下声发射及分形特征,在MTS815程控伺服刚性试验机上,对早古生代志留系下统小河坝组(S1x)砂岩进行单轴压缩下的声发射试验,结合声发射特征参数、应力应变关系以及分形特性,对岩石整个失稳破坏过程进行分析。结果表明:小河坝组砂岩声发射及分形特征、力学特性在岩石损伤破裂过程中具有一致性,以应力比0.6~0.8之间振铃计数率的变化趋势段作为岩体失稳与破坏的识别方法;相空间维数的选取对关联维数有一定影响,随相空间维数m的增加,关联维数D呈现出增加-稳定-发散的发展过程;声发射序列在应力比为0.3~0.5时,关联维数D值最大;声发射序列关联维数曲线表现为"波动-上升-下降-波动"的演化模式,在较高应力比0.7~0.8时,关联维数D在介于0.9~1.4之间小幅波动。据此,可为工程中岩体失稳与破坏的监测预报提供一定的理论基础与数据支撑。     

循环载荷下再生混凝土损伤声发射特性

在地震多发地,混凝土结构常常承受循环荷载作用,为了研究循环加卸载作用下再生混凝土的受压损伤特性,对不同再生粗骨料取代率的混凝土试件进行单轴抗压试验.基于声发射技术,对受压损伤全过程进行了动态分析.研究表明:循环荷载作用下,再生混凝土声发射振铃计数存在Kaiser效应,该效应反映了材料损伤程度,同时揭示了不同掺量再生混凝土的损伤机制;随着应力水平的增加,Felicity比逐渐减小,以Felicity比小于1作为混凝土损伤严重的标志;将每次循环声发射振铃图进行分形计算,循环荷载作用下再生混凝土声发射振铃分形维数随着循环次数的增加而增加,证明了声发射应用于损伤预测的可行性;应用响应比理论对声发射累计事件的研究得出:再生混凝土加卸载声发射数响应比Y随着试件承受的应力水平的增高而减小,且将Y减小至1左右时作为再生混凝土破坏前兆特征,为工程损伤预测及安全评估提供参考.     

软岩声发射序列分形特征研究

为研究软岩声发射序列的分形特征,在MTS815程控伺服刚性试验机上,对膏质泥岩、粉砂岩、页岩进行单轴压缩下的声发射试验。结果表明:声发射序列分形是有限度的,超过一定限度不再分形;随相空间维数m的增加,双对数图整体下移且无标度区变窄,同时关联维数D呈现出增加-稳定-发散的发展过程;3类岩石均在应力水平40%~50%时,关联维数D值最大,随后声发射活动在主破裂附近产生丛集现象,关联维数降低至较低水平;声发射分形维数的演化表现为"波动-上升-有起伏的整体下降"链式模式,同时得出损伤破裂的分形识别模式为"峰值-第2波峰"模式或称"反对号(■)"模式。据此为岩体稳定性监测提供一种新的识别方法。     

冲击荷载作用下岩石破碎分形特征

为探究冲击荷载作用下岩石破碎分形特征,选取花岗岩和砂岩开展分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动力学试验,得到了不同应变率下岩石的应力-应变曲线、破碎特性、强度参数和能量参数;利用标准筛对破碎后的岩块进行筛分,获取了岩石破碎块度分布曲线,并基于碎块粒径分布的质量分形模型计算出分形维数D;最后分析了分形维数与加载参数、破碎特性和耗能特性之间的关系。结果表明,岩石在冲击荷载作用下的破碎块度分布符合分形规律;动态抗压强度随应变率增大而增大,两者满足乘幂函数关系;加载过程中岩石应变率越大,岩石破碎程度越深,分形维数越大;分形维数与岩石破碎耗能密度之间满足乘幂函数关系。采用分形维数可实现对岩石在冲击荷载作用下的破碎特性、力学特性和破碎耗能特性的定量研究。     

基于分形理论的岩石冲击破坏分形分析

利用大直径分离式霍普金森压杆试验系统,对绢云母石英片岩和砂岩进行冲击压缩试验, 采用不同等级标准筛对岩石冲击破碎后试块进行筛分统计,运用分形几何理论,计算出冲击荷载作用下两种岩石破碎块度分布的分形维数,研究冲击速度对块度分维影响,分析两种岩石动态抗压强度随块度分维的变化关系。试验结果表明,绢云母石英片岩块度分维大部分集中在1.9~2.4之间,砂岩集中在2.5~3.0之间;两种岩石分形维数随冲击速度的升高呈上升趋势,近似线性正比关系;绢云母石英片岩动态抗压强度与块度分维无明显函数关系,砂岩动态抗压强度随块度分维的增大呈增加趋势。采用分形维数对岩石试件在冲击破碎过程中动态抗压强度的变化进行定量描述,为探索岩石动态破碎分形特征与冲击力学性能之间的内在规律,开辟新的研究途径。     

应力波作用下岩石声发射实验研究

在霍普金森（SHPB）冲击系统上进行了应力波作用下岩石声发射实验,获得了该加载条件下岩石破裂的声发射规律。实验结果表明,应力波下,声发射峰值能量之前所出现的声发射信号相当匮乏;而且其能量规律呈现出两种明显不同的特征：I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到了加载的末期,能量出现了一定的回升,产生了“拐点”;II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现“拐点”。研究结果表明,声发射的能量特征与岩石破碎的程度密切相关;冲击载荷作用下岩石的声发射不仅仅是裂纹信息的反映,其中也包含了对应力波信号的反映。     

铁磁材料残余应力对磁声发射行为的影响

本文研究了碳钢中不同状态下应力对磁声发射(MAE)行为的影响,材料在加载和卸载过程中的MAE特征,以及不同应力状态对频谱的影响,最后测试了45~＃钢梯形宽板试样的应力分布。     

含边裂纹试样弯曲断裂声发射特征研究

采用类岩石材料研究了含边裂纹试样在三点弯曲加载条件下的裂纹扩展过程，并利用声发射（AE）测试技术分析了含裂隙试样弯拉应力作用过程中预制裂纹萌生、起裂、扩展和断裂破坏的全过程的声发射特征。试验结果表明，声发射的阶段性突发特征反映了张拉裂纹阶段性扩展的规律，但边裂纹的拉破裂特征不同于压剪应力作用下的声发射特征。预制裂纹在拉破裂过程中的声发射特征表现为AE数的渐进增长、快速增长、突发式增长和逐渐下降4个阶段。声发射源的带状分布规律表明，在弯拉应力作用下，裂隙的张性断裂不是孤立的，而是有若干个小断裂面聚集而成宏观断裂，探讨了预制裂隙受拉破坏的内在机理。     

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

三轴循环荷载下饱和板岩的滞后特性研究

为进一步探究岩石在高应力条件下循环加载的滞后现象,取某深基坑工程含水岩层中的板岩制成饱和岩样,运用MTS815试验机进行三轴循环加卸载试验,研究其不同围压下的滞后特性.试验结果表明,在卸载转变为加载的过程中产生应变差,但这并不完全由能量损耗引起,主要原因是弹性因素.此过程中岩样与垫块发生碰撞产生与加载方向相同的反弹力,...     

基于分形理论的玻璃纤维增强树脂复合材料-混凝土组合梁损伤特性

工程实际中,玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)-混凝土组合梁往往出现较大的损伤而破坏,有必要对其破坏过程进行研究.为了研究此类构件的损伤特性,通过声发射仪器对1片GFRP工字梁和6片不同螺栓连接的GFRP-混凝土组合梁的四点弯曲试验加载的全过程进行了监测.并基于分形理论对试验梁加载过程的声发射能量信号进行了相空间重构...     

Experimental investigation of fracture damage of notched granite beams under cyclic loading using DIC and AE techniques

Fracture experiments of three‐point bending notched granite beams were performed under cyclic loading using digital image correlation (DIC) and acoustic emission (AE) techniques. The damage evolution process of the specimen under cyclic loading was analysed on the basis of AE ring count and b value. The strain and displacement fields and the fracture process zone (FPZ) ahead of the crack tip were revealed by DIC. The results showed that the AE characteristics of rock fracture indicated a noticeable Kaiser effect in the stage of cyclic loading and unloading. Moreover, when the loading force reached 70% of its peak value, the AE characteristics showed the Felicity effect. The damage produced during the loading‐unloading process contributed to the development of the cracks leading to the catastrophic fracture. Besides, a relatively high loading rate was found to help to suppress the development of the FPZ at the crack tip.     

基于分形损失理论的粗糙节理岩体中应力波波速研究

从损伤力学的基本理论出发,推导了应力波在节理岩石中传播波速的解析解,建立了节理面图像分形维数与波速间的关系。为了从数值角度探讨节理面图像维数对波速的影响规律,基于图像每一像素颜色可表示为一个三维空间矢量的基本假定,构建了节理面图像的粗糙“颜色表面”模型,计算了该“颜色表面”的分形维数,此维数即为节理面图像维数,并通过实例验证了该法的可行性。在此基础上,通过数值方法探讨了波速随图像维数的变化规律,研究显示：随着节理面图像维数增大,节理面粗糙程度的增加,应力波波速相应减小,且在不同的图像维数区间里,波速减小的速率也有所不同     

岩石可释放应变能及耗散能的实验研究

地下岩石结构的变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果.岩石结构内部储藏的可释放应变能和己耗散能的计算,涉及到在当时工况下岩石的卸荷弹性模量和泊松比,并与加载速度与载荷水平有关.该文在不同加载速度及不同载荷水平下,对岩石试件进行了单压加卸载实验,得到了卸荷弹性模量与泊松比、可释放应变能与耗散能的变化规律;进行了SHPB动...     

冲击荷载下免蒸养活性粉末混凝土分形特征研究

应用?80 mm分离式霍普金森压杆系统(SHPB)得到了免蒸养活性粉末混凝土(RPC)在6组冲击气压(0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa)下的峰值强度和吸能值,通过筛分试验统计了相应应变率范围(约90 s-1~290 s-1)内破碎产物中不同粒径颗粒的质量分布特征;采用分形维数对试件的破碎程度进行表征,探究了峰值强度和吸能值随分形维数的变化规律,并与其他水泥基材料进行了对比。结果表明:免蒸养RPC破碎产物的平均粒径随应变率增加而线性递减,随着冲击气压的增加,粗颗粒碎片逐渐转化为细颗粒碎片,中等颗粒碎片的质量没有显著变化;分形维数与冲击速度和应变率间存在指数性关系,峰值应力与吸能值随分形维数的增大而增长,通过对比发现免蒸养RPC的抗破碎能力优于普通混凝土和钢纤维混凝土。通过定量分析破碎分形特征与力学性能之间的关系可以对材料进行更全面的评估。     

循环荷载作用下粉砂岩疲劳流变损伤模型研究

针对现有流变模型难以有效描述循环荷载作用下岩石变形及疲劳损伤演化特征等问题,开展了粉砂岩循环加卸载试验,分析了不同上限荷载下岩石的流变规律与疲劳特性。基于Kachanov蠕变损伤理论建立损伤变量,引入一个带应变触发和应力阈值的黏塑性元件,与Burgers模型串联构建循环荷载作用下岩石疲劳流变损伤模型;将正弦波应力函数替换流变微分本构方程中的恒定应力,推导岩石在循环荷载下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到模型的黏弹塑性流变损伤方程。适用性验证表明,新建模型不仅可以精确地反映循环加卸载过程中粉砂岩的衰减、稳态流变阶段,还可以有效地描述上限荷载高于疲劳强度时的加速流变阶段。通过粉砂岩疲劳损伤流变全过程定量化分析,提出加速流变阶段的临界损伤阈值和破坏失稳判据,并给出加速流变阶段的启始时间、持续时间及疲劳寿命预测方法,模型对岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义。     

粉碎能耗与粒度分布指数的相关性

利用分形和分维数基本概念,导出粉粒度分布的分维数和分裂比、粉碎概率互相存在的简单关系,从能耗与颗粒表面分维数相关出发,推出单位体积粉碎能耗与粒度分布的值指数的相关性;同时推出单位体积粉碎能耗的分维数.当粉碎粒度分布的分维数近似小于0.89时,粉碎能耗呈现自然分形的特征.     

Fractal dimension of metallic fracture surface

In this study, a complete method of determination of the fractal dimension for fracture surfaces of ferrous alloys has been proposed. This dimension is determined for the vertical profile obtained by the profile technique cross-section. The image of the profile, seen through the microscope coupled with a camera, is recorded in a computer, where numerical processing is performed. For calculation of the same fractal dimension, the fd3 program has been used, which is available through the Internet. The essential element of the method is optimisation concerning microscopic magnification (scale of a length), resolution of the recorded image and selection of the grey level threshold at binarization. The tests for the stability of discretization, which enable minimization of the error of the measurement, have also been carried out. These tests consist in checking the difference in fractal dimensions for the same profile obtained in two different methods of contouring as well as the difference between capacitive, informative and correlative dimensions. In both cases, too big difference suggests that the determined dimension is not reliable. This method allows determination of the fractal dimension with an absolute accuracy of 0.05 in non-dimensional units. The method has been employed in many studies. In this paper the following tests have been presented: a “fractal map” of the fracture surface was made, an influence of the mechanical notch radius in a compact specimen on the fractal dimension of the fracture surface, an influence of the distortion rate on the fractal dimension, an effect of fatigue crack propagation rate on the fractal dimension and influence of the stress-intensity factor on the fractal dimension of the fracture surface. The following materials were examined: Armco iron, P355N steel and 41Cr4 steel in different states after the heat treatment. The measurements have been made for the specimens of the compact type. There was considered an influence of location of the place of measurement on the fractal dimension being determined. The dimension was determined on the profiles lying longwise and crosswise the crack propagation direction. It has been found that the fractal dimension of the fracture surface does not depend on a place of measurement. This suggests, among other things, that a distinction between the places, which were created under conditions of the plane stress, and the places, which were created under conditions of the plane strain state, cannot be made with the help of the fractal dimension. When testing an influence of the radius of the mechanical tip notch on the fractal dimension of a fracture surface, this dimension was determined in the places located at different distances from the tip of the mechanical notch. With respect to the radii up to 1.0 mm, no significant differences in fractal dimensions have been found. The fractal dimensions of the fracture surface for all examined materials were practically the same and they ranged from 2.02 to 2.10. However in some ranges of da/dN rate the dimension was changing inversely proportional to da/dN. Obtained results confirm that fractal dimension do not depend on the investigated material.     

PMMA蠕变银纹的分形维数演化

通过面积转换,修正了有限变形条件下的分形维数,并证明在应变小于10%的条件下,面积变化对分形维数的影响很小。通过蠕变试验,采集了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在不同应力和不同时间下的蠕变银纹图像,并用盒维法计算了其分形维数。试验证明,蠕变银纹引发的应力阈值随时间的增长呈指数关系降低,并最终趋于常数;蠕变银纹的分形维数与应力呈线性关系,与时间呈指数关系;在达到应力阈值的瞬间,能产生大量银纹,导致银纹的分形维数产生阶跃。根据实验结果,建立了蠕变银纹的分形维数与应力、时间的关系式。