分级循环加载下缺陷砂岩裂纹扩展及声发射频谱特征分析

针对因岩石力学性能劣化而诱发的工程灾害,以砂岩为研究对象,开展不同裂纹倾角下分级循环加载试验,分析了裂纹倾角对砂岩力学特性和裂纹扩展特征的影响;结合声发射频谱特征对微裂纹的发展情况进行了分析,最后利用关联维数对其变形破坏的有序度进行定量描述。结果表明:随着裂纹倾角的增大,试件的峰值荷载呈逐渐降低的趋势,但是预制裂纹的扩展无明显规律。其中频域信号的出现具有一致性,说明岩石内部微裂纹的萌生、发育、扩展形成大尺度裂纹具有同步性。岩石变形破坏的有序度可用关联维数进行定量描述,表现为关联维数越大,岩石破坏越复杂,其中关联维数变化幅度可以表征岩石内部裂纹的发展剧烈程度。     

界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能的影响

考虑三维状态下界面、钢丝和混凝土基体三相材料物理力学参数的介观非均匀分布,利用有限元软件建立了双丝拉拔混凝土三维模型,研究了界面厚度对双丝拉拔混凝土力学性能的影响及界面的作用机理,获得试件声发射演化过程图和声发射-位移-荷载曲线,得到峰值荷载、韧性和声发射耗散总能量随界面厚度变化的曲线.研究结果表明,试件的界面越厚,界面传递应力的能力越强,平均界面剪切强度越大,双丝发生脱黏的时间也越晚.此外,适当增加界面的厚度有利于提高双丝试件的拉拔强度和韧性.     

钢纤维对双丝拉拔试件动态破裂性能的影响

采用RFPA^2D-dynamics软件,考虑各相材料的细观非均匀分布,建立双丝拉拔动态数值模型,研究动荷载作用下钢纤维体积分数变化对双丝拉拔试件力学性能的影响.从细观单元的弹性损伤本构关系出发,分析不同钢纤维体积分数试件从微裂纹萌生、扩展直至贯通的动态拉拔破坏过程,得到不同钢纤维体积分数试件的荷载-位移曲线和声发射累积能量曲线.结果表明,在动载作用下,钢纤维体积分数变化对试件破坏模式影响较大.随着钢纤维体积分数的增加,试件的耗能水平先增加后降低.钢纤维体积分数为1.6%时,试件的耗能水平最高,是素混凝土试件的1.36倍.     

埋深对双丝拉拔试件动态破裂性能的影响

利用RFPA2D-dynamics分析软件,引入Weibull统计分布函数,描述混凝土各相材料力学性能的非均匀性,建立双丝拉拔动态数值模拟模型,研究动荷载作用下埋深变化对双丝拉拔试件力学性能的影响.从细观单元的弹性损伤本构关系出发,研究不同埋深试件从微裂纹萌生、扩展直至贯通的动态拉拔破坏过程,得到不同埋深试件荷载-位移曲线和声发射累积数曲线,探讨埋深变化对双丝拉拔试件力学性能的影响.结果表明,在动载作用下,双丝埋深变化对试件破坏模式影响较大,大埋深试件出现了明显的振动回弹现象;随着埋深增加,双丝耦合效应增强,拔出过程需要消耗更多能量,试件的增强增韧效果显著.     

单轴压缩下预制裂纹岩石的数值模拟

为了研究单轴压缩作用下预制裂纹对岩石的力学性能、声发射和能量演化的影响,通过室内试验数据反演PFC2D模型的力学参数,然后在数值模拟的基础上分析不同倾角和长度的预制裂纹对岩石力学特性的影响。结果表明：预制裂纹倾角越大,岩石的峰值应力和峰值应变越大,而弹性模量和变形模量也会随着倾角的增大而增大;预制裂纹长度增加时,峰值应力、峰值应变、弹性模量和变形模量不断减小。在预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°时,微裂纹计数波动较大,在60°,75°,90°时计数较为稳定。预制裂纹倾角为0°,15°,30°,45°,60°时,裂纹以翼型裂纹扩展为主,在75°和90°时,并没有出现翼型裂纹,而是在岩体上出现大量的微破裂,在轴向应力的作用下,这些微破裂逐渐贯通,造成剪切破坏。预制裂纹倾角在0°,15°,30°,45°时岩石内部损伤的出现早于60°,75°,90°的,并且弹性储能极限随着预制裂纹倾角的增大而增大。     

基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发,基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证,研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明,试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,T应力逐渐增大.随着围压数值的升高,试件的断裂韧度增大,T应力增大,而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

预制裂纹岩板破坏电位与电磁辐射特征的实验研究

为了研究预制裂纹岩板破坏电位和电磁辐射变化规律,对不同裂纹倾角花岗岩板进行了不同加载速率单轴压缩实验.结果表明:预制裂纹岩板电位和电磁辐射随载荷的变化而变化,破坏前出现电磁辐射能量峰值和一定的电位峰值,电位和电磁辐射能量增量与变化率一般会出现突变;电位变化幅度及其破坏前均值与距离主破裂的位置有关;预制裂纹倾角越大,载荷峰值越小,其出现时间越早,电磁辐射能量峰值越靠近载荷峰值,破坏前电磁辐射能量均值越低;加载速率越大,电磁辐射能量超前破坏时间越短.电磁辐射能量与电位增量、变化率、标准差、均值、变异系数可以作为研究煤岩破坏前兆特征的指标.     

动荷载下基体强度对双丝拉拔混凝土试件影响的数值模拟研究

考虑材料的细观非均匀性,基于细观损伤力学和动力有限元方法,以二维真实破坏过程分析软件动态版(realistic failure process analysis-Dynamic,RFPA^2D-Dynamic)作为数值计算分析工具,建立了界面控制下的混凝土双丝拉拔动态数值模型,探讨了基体强度对纤维拔出性能的影响,模拟分析了拉拔试件从微裂纹萌生、扩展直至裂纹贯通的动态破坏全过程,并进行了声发射数值试验分析。结果表明：基体强度对拉拔试件的破坏模式具有显著影响,当基体强度较小时,试件破坏形式为双丝以及双丝之间基体的共同拔出破坏,基体中的损伤单元较多,试件声发射数较多;当基体强度增大时,表现为双丝各自的拔出破坏,试件发生界面脱粘破坏,基体中的损伤单元较少,试件的声发射数也相应较少。试件是否含骨料会影响基体内部应力波的传播模式,相较于水泥砂浆基体双丝拉拔试件而言,含骨料试件的损伤有所改善,试件的声发射数较少。     

纤维直径对聚丙烯纤维混凝土单丝拉拔性能的影响

以纤维直径为变量,建立了聚丙烯纤维增强混凝土的单丝拉拔数值模型,分析了纤维直径对单丝拉拔性能的影响。结果表明:纤维直径越大,单丝拉拔试件的峰值荷载越大,但拉拔韧度和界面最大粘结强度则越小;纤维直径的变化对单丝拉拔损伤破坏现象影响甚微;纤维直径较小的试件能够获得多次声发射峰值,耗能较大,具有良好的增韧效果。     

不同速率下单双钎头破岩声发射数值分析

选用脆性花岗岩为研究对象,利用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,分别对其进行单、双钎头在不同加载速率下的数值模拟试验,得到RFPA2D应力图及相对应同一加载步下的声发射图。结果表明:较单钎头相比,岩石在双钎头协同作用下将会形成应力叠加,且钎头下面的裂纹会对相邻裂纹产生影响,裂纹尖端会产生应力集中,试件破坏释放出的声发射能量和声发射计数更大;随着加载速率的增大,试件释放的声发射总能量增大,且所得竖向载荷增大。     

岩石压剪断裂的模型试验研究

本文通过含中心斜裂纹砂浆试件的单轴压缩模型试验，测试并分析了裂纹扩展过程中的声发射特性和裂纹面相对位移。试验表明：岩石类脆性材料的压剪断裂破坏机理与拉剪断裂有本质的区别，裂纹面相对位移随轴压荷载的变化曲线与裂纹扩展过程中的声发射曲线具有一定的同步性，反映出中心斜裂纹压剪断裂的阶段性，以及裂纹的几何尺寸、分布规律和裂纹面物理力学性质对岩石压剪断裂的影响。     

透明类岩石材料内置裂隙试验研究

为了探究岩体内部裂隙的扩展破坏过程,本文研制出一种新型透明类岩石材料,在内部预制裂隙进行单轴压缩试验。试验详细观察了预制裂隙试件完全破坏总过程,分析总结了裂纹扩展的每个阶段所呈现出来的特点和规律,研究了不同长度裂隙对试件基本物理力学参数的影响,得出了裂隙长度越大,试件的单轴抗压强度和弹性模量都越低的结论。     

花岗岩卸荷破坏全过程声发射特征试验

利用MTS815混凝土与岩石力学试验系统和PCI-2三维定位实时监测系统对花岗岩卸荷破坏进行了声发射试验,得到了其卸荷破坏全过程变形特性和声发射特征,探讨了应力与应变、声发射数与应力、声发射率与应力、声发射数与时间以及声发射率与时间之间的关系.研究表明,岩石在卸荷方式下的破坏大多表现为脆性破坏,而且围压越大,脆性破坏特征越明显;对于1-1试件,破坏前在应力大于310MPa左右或在时间大于300s左右的范围内声发射数、声发射率开始出现激增现象,表明进入该阶段岩石内部破裂开始加速发育、扩展,最终导致岩石的破坏.研究成果对具有同类岩体的工程具有重要的参考价值.     

局部荷载下含孔洞多孔介质裂纹扩展量化分析

采用高清数码摄像机和红外热成像仪对局部荷载作用下含中心孔洞多孔介质试件的裂纹扩展规律进行了较系统的试验研究和理论分析.试验结果表明:局部荷载作用下含中心孔洞多孔介质试件裂纹扩展是加载条件和宏观中心孔洞耦合作用的结果,裂纹扩展路径受其主导作用,而由天然细观孔洞引起的非均质性的影响作用则占据从属地位;均布荷载条件下,孔洞周边形成拉、剪应力区,且裂纹由此起裂,孔洞是引起应力集中的主导因素,但随着加载面积的改变,孔洞的主导地位被颠覆,应力集中强弱顺序发生突转,起裂位置由孔洞周边转向荷载临界处,形成的裂纹也均出现在载荷作用范围内的区域;随局部荷载的增加,初始裂纹的尺度(裂纹宽度和长度)不断增加,且裂纹的发展方向出现明显的非平直化趋势,试件受到的局部加载效应越显著,裂纹尺度变化的越快、发展方向变化的越剧烈.     

裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究

采用花岗岩材料通过红外热像和数值实验的方法,对两预制裂纹导致的岩石中新裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.通过红外热像遥感观测方法以及数值模拟对7块预制双裂纹的试样进行了实验研究.结果表明,裂纹扩展过程中,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量不多,只有在主破裂发生时产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.试样破裂过程中有红外异常现象,在破裂处会出现明显的高温区和高温条带,并指出斑状花岗岩在破裂前主要表现为高温前兆.     

界面控制下间距对双丝拉拔实验影响的数值模拟研究

从细观非均匀性角度建立了含骨料的混凝土双丝拉拔数值模拟模型,研究了双丝间距变化对双丝拉拔构件的力学性能影响,观察了双丝构件拉拔过程中构件裂纹萌生、扩展直至失稳破坏全过程,获得了不同双丝间距构件的剪应力分布数值光弹图、荷载-位移曲线、声发射计数曲线及沿界面剪应力分布曲线等。研究表明:构件的峰值荷载随双丝间距增加而增加;构件韧性随双丝间距增大而减少;同时间距变化对沿界面剪应力分布影响较大。     

钢纤维混凝土细观二维建模与数值研究

提出了二维随机凹凸型碎石骨料生成方法,应用ANSYS/LS-DYNA模拟了数值骨料和钢纤维随机碰撞,得到钢纤维混凝土细观二维几何模型和有限元模型。基于双折线弹性损伤演化本构模型,模拟了素混凝土和钢纤维混凝土数值试件在单轴拉伸荷载下的损伤过程。研究结果表明:素混凝土数值试件的破坏模式与真实素混凝土破坏模式比较接近,掺入钢纤维会改变裂纹扩展的路径;钢纤维混凝土二维模型中,裂纹萌生位置和扩展路径影响钢纤维对混凝土的增强增韧效果。     

变幅荷载中次高荷载对疲劳裂纹扩展的影响

通过１６Ｍｎ钢紧凑拉伸试件的变幅加载疲劳裂纹扩展试验，研究了次高荷载对裂纹扩展的影响。研究结果表明，次高荷载降低了最高荷载对裂纹扩展的迟滞效应，次高荷载值越接近最高荷载，降低迟滞的作用越大。次高荷载的这种作用可以解释单峰过载和随机加载裂纹扩展的很大差异。     

在压缩荷载下含共线裂纹岩石断裂破坏的实验研究

通过压缩实验,对作者以前提出的共线裂纹岩石在压缩荷载下的破坏准则进行了实验研究。以砂岩为研究材料,实验探讨了在压缩载荷下,共线裂纹体的破坏情况。实验主要研究了裂纹间距、裂纹倾角、侧压力对试件压缩强度的影响,并实验研究了裂纹表面摩擦力对试件抗压强度的影响。结果表明,裂纹间距、裂纹的倾角、裂纹表面的摩擦力及其所承受的侧压力对试件的抗压强度都有很大的影响。实验结果与作者提出的共线裂纹在压缩载荷下的扩展准则的计算结果基本吻合,表明该准则是确实可行的。     

混凝土预制缺口梁试件拉张破裂数值模拟

目的针对混凝土抗压不抗拉的特性,探讨混凝土预制缺口梁断裂过程中裂纹尖端应力分布及裂纹扩展规律．方法采用拉张破裂有限元软件,对预制缺口在梁的顶部和在底部不同位置的模型进行数值模拟,描述拉张破裂后形成的不连续面．结果得出了不同方案中预制梁受拉破裂的破坏形式．缺口到梁跨度中心线的距离越小,梁试件底部拉应力区域越小;缺口到梁跨度中心线的距离越大,梁试件底部的拉应力区域越大．结论由不同方案破坏形式可以看出,缺口梁受拉应力作用发生破裂,形成不连续面;随着破裂面的形成与发展,混凝土梁的结构形式发生相应改变,导致应力状态随之调整．缺口的位置直接影响梁结构的破裂方式,缺口到梁跨度中心线的距离在一定的范围内,缺口控制着梁破坏的形式,破裂沿缺口发展;超出范围以后,缺口的存在不影响梁的破坏形式,破裂的形成、发展形式与无缺口梁的破坏形式相同．