玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

巴西圆盘劈裂二维及三维数值模拟研究

为揭示巴西圆盘起裂模式的变化规律及其破裂演化过程,运用连续介质弹塑性分析开展巴西圆盘劈裂二维及三维数值模拟研究。通过开展二维模拟研究,探究压拉比及加载角对试样起裂破坏模式的影响;通过三维模拟研究,探究圆盘试样三维破裂面的形成及扩展过程。二维数值模拟结果表明,接触加载角及压拉比越大,巴西圆盘试样越容易发生中心起裂;端部起裂由剪切破坏引起,而劈裂裂纹进一步扩展则由张拉破坏驱动。三维数值模拟结果表明,初始起裂点位于三维圆盘端面,随加载角增大其逐渐向端面圆心移动;当圆盘发生端面中心起裂时,三维破裂面以弧形边界向试样内部发散扩展。无论圆盘试样发生中心起裂还是端部起裂,由于三维效应巴西劈裂试验可能都会低估岩石的抗拉强度。      

基于裂纹扩展模型的脆性岩石破裂特征及力学性能研究

为了探究初始微裂纹参数分布对岩石破裂特征及力学性能的影响,进一步系统地了解脆性岩石破裂演化过程,依据线弹性断裂力学理论,建立了非均质性二维细观弹性损伤模型,并运用FLAC^2D数值分析软件,数值模拟研究了单轴压缩条件下不同形态岩石试样的破裂过程。研究结果表明,当初始微裂纹长度和角度服从不同的随机分布时,岩石材料表现出不同的破裂特征,其中初始微裂纹长度和角度均服从正态分布时,岩石破裂区域较完整;初始微裂纹长度或角度服从均匀分布和指数分布时,岩石破裂区域较分散;初始微裂纹角度对于解释脆性岩石单轴抗压试验时岩石试样出现剪切破坏和劈裂破坏的原因具有一定的指导意义,且当初始微裂纹角度均值ɑ=45°时,模型具有最小的峰值强度和轴向最大应变。模型还模拟了脆性岩石单轴抗压试验、巴西劈裂试验和断裂韧度试验的演化过程,模拟结果与试验结果具有较高的一致性。     

X70管线钢的断裂韧性

对不同厚度和裂纹初始长度的X70管线钢三点弯曲试样进行了不同试验温度下的断裂韧性试验。试验和分析结果表明：随着试验温度降低，试样的破坏方式由韧性破坏向脆性破坏转换不同厚度试样的破坏断口均产生分层裂纹，分层裂纹的大小和数量与试样厚度有关，分层裂纹的位置与试验温度和裂纹初始长度有关；对于试验温度较低的脆性断裂，试样在破坏时产生的分层裂纹距主裂纹根部有一定距离，分层裂纹宽度较小且未充分张开，对厚度效应影响较小。对于试验温度较高时的韧性断裂，分层裂纹首先出现在主裂纹根部，试样破坏时分层裂纹宽度较大且充分张开，减小了试样的有效厚度。高强度、高韧性的X70管线钢由于分层裂纹的产生，其力学性能与具有普通强度和韧性的钢材的力学性能存在着明显的差异，普通金属材料的韧性试验方法和材料评价方法已不再适用，必须考虑管道壁厚、缺陷大小和环境温度的综合作用。     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明：与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明：孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式：孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化

初始含水率对黄土湿陷性具有重要的影响.利用人工制备不同含水率的试样对辽西黄土的湿陷变形特性进行了试验研究,并采用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微观结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形几何方法分析了黄土试样微观孔隙的变化特征.结果表明:1)初始含水率对辽西黄土的湿陷变形具有显著的影响,随着试样初始含水率的增大,同一压力下的湿陷变形量越来越小:2)不同初始含水率试样的压力-变形关系曲线可以统一用双曲线形式表达;3)湿陷后黄土试样的结构变得较为致密,孔隙总数显著增加,而孔隙面积减小.湿陷过程主要是小孔隙数量增加、孔隙形状分维数减小、孔隙复杂程度显著增加的过程.     

铝合金箔材条形试样改为矩形试样拉伸试验工艺研究

本试验以0.1mm ～0.2mm厚度的箔材为研究对象,研究了箔材试样形状的改变对箔材力学性能结果的影响.试验对比分析了两种试样规定非比例伸长应力、抗拉强度和相对伸长率的检测数值,同时对比分析了两种试样的断裂位置、断裂特征以及矩形试样使用标距轮或标距线确定标距的不同影响.结果表明,矩形试样的性能检测数值稳定性和断裂位置优于条形试样,可代替条形试样成为箔材力学性能检测的标准试样.     

高碳钢盘条拉伸试样断头原因分析及预防

实验室在进行高碳钢盘条(82B、70#、65Mn等)拉伸试验过程中,经常出现试样在夹头处断裂的情况,试样断口处具有明显的宏观夹持破坏痕迹,影响抗拉强度和断面收缩率数据的准确性,且断头试样不合格时还需重新取样进行试验,造成检测周期延长,加大了分厂的库存压力.本研究通过对高碳钢盘条拉伸试样断头的原因进行分析,借助比对试验验...     

加热时间对镀锌高强钢板液态金属脆性的影响

电阻焊接技术是汽车车身结构和零件拼接的主要连接技术。但是镀锌高强钢板材在电阻焊接过程中会发生液态金属脆现象，造成焊点开裂。为了改善DH980镀锌高强钢板的液态金属脆性断裂难题，研究了加热时间对DH980镀锌高强钢板拉伸脆性断裂的影响机理。采用高温拉伸试验模拟镀锌高强钢板电阻焊接的过程，在800℃下分别对镀锌高强钢和不镀锌高强钢进行拉伸试验。试验结果表明，镀锌高强钢试样的抗拉强度小于不镀锌试样的抗拉强度。在800℃下对镀锌高强钢试样分别保温10、20、30、40 s后拉伸，发现保温10、30、40 s的试样的抗拉强度比不保温试样的抗拉强度大。使用扫描电子显微镜观察拉断后样品的微观相貌和镀层变化情况，发现拉断后的试样的镀锌层主要由α(Zn)+L相和α(Zn)相组成。α(Zn)+L相为α(Zn)与液态锌的混合相，使得镀锌高强钢在拉伸试验过程中存在液态金属。同时，镀锌高强钢试样收到拉伸应力的作用，满足了液态金属脆现象发生的条件，即存在液态金属且钢基体受到拉伸应力的作用。因此在800℃下对DH980镀锌高强钢进行拉伸试验会发生液态金属脆现象。随着保温时间的延长，靠近钢基体位置的α(Zn)+L相逐...     

低碳贝氏体钢低温CTOD试验断口分离分析

通过对低碳贝氏体钢在-20℃CTOD试验中出现的分离断口进行微观分析,研究了断口分离和失稳断裂的原因.结果表明,断口分离面均为脆性断裂,至主断面为韧性扩展,分离裂纹产生的主要因素不是夹杂物,而是材料内部的带状组织和成带状的硬相组织受三维应力作用的结果.拉伸材料的分离裂纹是在达到一定抗拉强度之后开始萌生和扩展,不影响材料的使用性能.在断裂韧度试验中,一方面分离裂纹能降低材料裂纹尖端的三维应力约束,提高材料的韧性;另一方面较大程度的分离裂纹,减小了裂纹形核功和扩展功,诱发主裂纹的失稳扩展.     

劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性

通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验,结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析,探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系。结果表明:基于RA（上升时间与幅值的比值）和AF（平均频率）的变化趋势,不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布和破坏强度受岩石结构影响,但岩石裂纹演化过程不受其影响。相应地,两种岩样破裂信号均以400～499 kHz为主,100～199 kHz的信号次之,但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同。在微观形貌上,花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主;而大理岩以光滑多面体状为主。此外,结合频率?尺度缩放关系可推测,400～499 kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂;100～199 kHz的信号应主要来自石英矿物颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移。      

循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验。首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定。然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征。结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63% ~ 89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义。      

煤岩体应力–渗流–温度多过程耦合试验系统

在矿山深部开采过程中,高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂. 为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征,利用低场核磁共振核技术(NMR)进行花岗岩初始孔隙率测量,借助岩石高温三轴流变系统开展应力–渗流耦合试验,引入耗能比实现花岗岩破坏过程的能量演化分析. 研究结果表明：岩石的峰值强度、峰值应变随孔隙水压的增大呈线性减小且减小速率逐渐提升,随围压的增大呈线性增加且增大速率逐渐变缓;峰值渗透率随着孔隙水压的增大呈线性增大,随围压的增大呈线性减小;岩石破坏应变能表现出明显的围压效应和孔隙水压效应,峰值应力点为弹性能极值点,峰值点之后弹性能迅速转化为岩石损伤的耗散能,岩石耗能比整体呈现增大→减小→增加的“S”型变化规律;引入花岗岩初始孔隙率,将岩石视为固体骨架和孔隙两部分组成,综合考虑变形特征并构建应力–渗流耦合本构模型,与试验对比后认为该模型具有较高普适性.

     

预制裂隙花岗岩的强度特征与破坏模式试验

为了探究单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式, 采用水刀切割技术预制裂隙花岗岩试件, 利用GAW2000刚性试验机对单裂隙花岗岩试样进行单轴压缩试验.试验结果表明: 与完整试样相比, 裂隙岩石试样单轴抗压强度明显降低, 降低幅度与预制裂隙和外荷载方向的夹角β密切相关, β=75°时, 强度最低, 降幅达到84.5%, 基于最大畸变能准则计算了裂隙花岗岩的峰值抗压强度与裂隙倾角的关系, 试验结果与数值解吻合; 裂隙的存在改变了岩石的破坏模式, 裂纹起裂角随裂隙倾角的增加而单调增大, 岩石试样的破坏模式由剪切破坏为主转变为张拉破坏占主导.真实裂隙岩石试样的力学性质及裂纹起裂特征更准确地揭示了单裂隙花岗岩的强度变化规律和破坏模式, 为岩土工程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据.      

两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析

为研究岩石不同渗透特性,对石灰岩和闪长岩进行了瞬态渗透实验,研究了岩样全应力-应变过程中的渗透率演化规律以及孔隙压差与时间的关系,并建立了岩样变形破坏过程的应变-渗透率方程,最后分析了这两种不同类型岩石渗透机理.实验结果表明,闪长岩的渗透率在峰前很低且基本不变,在峰值强度时产生\     

不同应力条件下硬岩强度与破裂特性试验研究

深部工程围岩内的岩石可能处于一维、二维和三维应力状态下,分别对应室内单轴压缩、双轴压缩和真三轴压缩试验中岩样的应力状态.通过开展单轴、双轴和真三轴压缩试验,系统研究了不同应力状态和水平下岩石非常规破坏的发生机制.不同高宽比和宽厚比岩样的单轴压缩试验结果表明:随着岩样厚度的增加,单轴抗压强度单调增加;随着岩样高度的增加,...     

金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究

针对金属矿山特有的地理地质条件,开展相应岩石声发射试验,确定矿区矿体围岩的时间序列特征,获得岩石破裂冒落声发射参数的危险临界值,并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有结构弱面的岩石试件进行比较试验,总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究,通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤,通过不同的模拟条件来研究岩石的破坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径.     

三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆

为讨论饱水岩石中孔隙水压与损伤变形过程的关联性,探究岩石破坏的孔隙水压前兆特征信息,采用三轴压缩试验、渗流实验相结合的方法,分析了在不同孔隙水压和不同围压条件下饱水岩石变形破坏过程中损伤扩展与孔隙水压变化的内在联系.研究表明:(1)开放饱和岩石单元体中,岩石在受荷破坏全过程中的初始压密、弹性压缩、塑性变形和破坏失稳阶段,孔隙水压呈现增高、稳定、逐渐减小和锐减变化;(2)岩石破坏的孔隙水压前兆特征明显,在主破裂前夕,内部损伤加剧,裂隙贯通,孔隙水压将失去稳定状态,孔隙水压由稳态锐减可作为岩石破裂的前兆信息;(3)在应力变化大、高孔隙水压以及高围压条件下,孔隙水压对损伤发展更为敏感,响应也更明显,孔隙水压与损伤发展相互影响,互为关联,损伤扩展造成孔隙水压降低,孔隙水压降低又促进损伤发展;(4)可以尝试在深部开采工程中监测岩体内部孔隙水压的变化来预测岩体失稳的突发性灾害.     

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性,制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件,并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹,且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式,裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著;（2）当裂隙倾角较小时,试件应力—应变曲线为多峰曲线,随着裂隙倾角的增大,曲线呈单峰形式,表现为延性减弱,脆性增强,而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同;（3）当裂隙起伏角相同时,试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律,且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。