节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。     

基于红外热像技术的桥梁结构表面温度监测方法研究

提出了一种基于红外热成像技术的混凝土桥梁结构表面温度连续监测的新方法,并分析其表面温度场分布特征及影响因素。监测结果表明:红外热成像技术是一种简便、高效、准确的混凝土结构和构件温度监测的新方法,可以用于评价结构受环境温度影响的程度、结构温度应力产生的机理和预测混凝土材料温致病害的潜在风险。     

较低功率微波辐射三类硬岩失水升温损伤规律与声发射特征

微波辅助破岩是实现硬岩高效低损伤开挖的新方法，不同硬岩的吸波能力、失水、升温与损伤规律有一定的差异，对不同硬岩的对比研究对精准高效破岩有重要的理论与工程意义。以花岗岩、石灰岩、砂岩三类硬岩为研究对象，通过对比预处理和微波辐射前后试件的质量变化，获得三类硬岩的失水规律；通过红外热成像仪监测微波场内硬岩表面升温和破裂全过程，获得不同含水状态下三类硬岩升温和宏观裂纹扩展特性；通过干燥状态下三类硬岩辐射不同时间后的纵波波速、声发射及SEM微观结构的变化阐述了硬岩损伤随辐射能量递增机制。结果表明：在较低功率微波辐射300 s内，水对硬岩质量和升温的影响明显，具体表现为：水的蒸发溢出是质量损失的主导因素、水对升温有明显促进作用、含水状态对表面区域平均温度的影响程度按辐射时间分为较小(0～50 s)、较大(50～200 s)和稳定(200～300 s) 3个阶段，其中，饱和吸水对升温影响最显著，且饱和吸水率高的砂岩和石灰岩分别在55,240 s时于腔体内炸裂。干燥状态下不同硬岩随升温的损伤规律表现为：石灰岩因表面温度差异大导致裂纹扩展较砂岩和花岗岩更为明显；COMSOL数值模拟持续辐射420,600...     

考虑多尺度结构的贯通节理岩体损伤摩擦耦合模型

基于贯通节理岩体结构的多尺度特征,采用两步均匀化方法,给出了节理岩体在复杂荷载作用下的自由焓表达式,建立了节理岩体损伤摩擦耦合本构模型。模型可同时考虑岩块损伤扩展、微裂纹滑移剪胀、法向刚度恢复,节理面多阶凸起体滑移磨损、剪胀演化以及节理与岩块相互作用等特征,较好地反映岩体内部微裂纹、节理等不同尺度微结构变化对其力学特性的影响。采用Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验、花岗岩节理剪切试验以及不同节理倾角与不同围压下Martinsburg板岩三轴压缩强度试验等成果对模型进行了验证,模型预测值与实测值相当吻合,论证了模型的准确性。     

剑川石窟中的唐、宋殿堂建筑形象研究

剑川石窟位于云南省西北部、大理白族自治州剑川县的石宝山脉。其十六窟、一百三十九躯摩崖造像分布于石钟寺、狮子关、沙登箐三个区域,又称为石钟山石窟(图1)。石宝山因其”石相可宝”而得名,光洁红润的岩体表面风化形成纵横龟裂纹,呈现出瑰丽的丹霞地貌。山体表层为质地疏松的红砂质岩,易于雕刻,为石窟的开凿提供了优质石料。而石宝山古木参天、兰谷幽深的灵秀佳境,亦是石窟寺选址的理想场所。 一、剑川石窟开凿的历史背景 剑川石窟开凿于南诏、大理国时期。南诏国(649—902年)与大理国(937～1253年),几乎是平行     

用数字图像相关技术进行红砂岩细观裂纹损伤特性研究

通过对红砂岩试样应变响应和表面裂纹图像的同步观测试验,以及试样表面细观裂纹萌生、扩展图像信息的采集和量化方法的研究。提出了用数字图像相关技术处理不同含水状态下红砂岩试样动态变形过程中的灰度分布图;并去除微裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学之间的关联。为了获得试样微观预制裂纹扩展的定量描述,引入裂纹损伤度与损伤张量2个物理量,定量评价了含水状态下红砂岩预制细观裂纹动态渐进扩展损伤特性,进一步了解了单轴压缩状态下细观裂纹扩展的演化规律。     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

红外热像技术在高温后混凝土损伤探测中的应用

红外热像检测是指利用材料表面温度和辐射率的差异形成可见的热图像,从而检测材料表面结构状态和缺陷,并以此判断材料性质和内部缺陷的一种无损检测方法。根据红外热像检测原理,对27个遭受高温作用并冷却后的混凝土试块进行红外线灯照射,利用红外热像仪检测了12个无粉刷层和15个带粉刷层的高温损伤试块的热像数据。通过对实验结果的统计分析,并进行了高温损伤试块的抗压强度试验,得到了混凝土试块红外热像平均温升随时间的变化曲线,建立了混凝土试块红外热像平均温升与过火温度及强度损失的回归方程。     

危岩链式规律的力学演绎

危岩链式规律主要是对群体危岩崩落的先后顺序的描述。危岩链式规律的研究核心是确定各个受力不同的危岩体的崩落时间。危岩的崩落时间主要由三部分组成：岩腔的形成时间,危岩主控结构面的裂纹孕育和裂纹的扩展破坏所需要的时间。其中岩腔的形成时间主要由软、硬质岩的风化速度差所决定,裂纹的孕育和裂纹的扩展时间主要由各块危岩体所受的荷载决定。裂纹的孕育和扩展时间通过岩石的蠕变损伤断裂理论进行求解。然后通过对各块危岩体的崩落机理和时间的综合分析验证了群体的崩落基本上是和危岩链式规律相符合的。获得了的群体危岩崩落机理和时间计算方     

基于围压因素的分级应力扰动下砂岩损伤破裂特性试验研究

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力学分析、声发射分阶段定位及损伤评价指标演化特征,确定分级应力扰动下岩石力学的损伤劣化规律及细观裂纹发育特征,建立岩石损伤状态—微观裂纹发育特征—损伤评价指标变化三者之间的关联。结果表明：(1)分级应力扰动下,岩石峰值强度和峰值轴向应变随围压升高逐渐增大。应力扰动各阶段轴向应变增量均呈现初期小幅波动,中期缓慢增加,后期快速增加的趋势;平均弹性模量呈现初期小幅波动后快速降低的趋势。(2)围压通过限制裂纹扩展降低岩石损伤累积速率,高围压下岩石能承受更多级应力扰动,且恒压阶段蠕变特征更明显。(3)加载前期,岩石内部裂纹发育仅在既有损伤区域的重复压密破坏和临近区域少量微裂纹的发育,扰动后期随着轴力的升高会使得围压限制作用减弱造成裂纹快速扩展。(4)岩石内部在加载不同阶段微裂纹发育的数量、尺度的变化能有效的体现在声发射b值和ΔF值,与岩石损伤程度耦合度较高,可用来定量评估岩石损伤...     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中,由于应力重分布导致围岩损伤破坏,传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展,采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性,但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究,缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22＋029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟,使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化,定量模拟计算围岩损伤度的变化,揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性,得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主,围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹;损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系;损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义,也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

基于层状岩体宏细观结构的水力耦合数值模型研究

基于层状岩体宏细观结构,在热力学框架下推导水力耦合荷载作用下饱水层状岩体的各向异性多尺度损伤模型和渗透性演化方程,进而结合流体流动模拟开源程序TOUGHREACT建立层状岩体水力耦合数值模型。该模型可较好地考虑任意微裂纹损伤扩展、滑移剪胀和法向压缩闭合以及层面剪切滑移等力学行为,反映岩体内部微裂纹、层面等不同尺度结构变化对层状岩体水力耦合过程的影响。采用岩石注水试验成果对数值模型的可靠性进行验证,进而开展现场尺度层状岩体注水响应的应用模拟研究。模拟结果表明,注水引起的岩体损伤、水压力增高、层面张开、渗透性演化等水力耦合响应同时受微裂纹和层面结构变化以及层面空间发育特征的影响。层状岩体水力耦合响应的模拟有赖于内部宏细观结构的准确表征。研究成果对水力耦合条件下深部层状围岩工程扰动效应评价具有一定应用价值。     

基于图像分析的节理岩体单轴压缩损伤演化研究

 为定量地研究节理岩体的损伤演化规律,对岩体石膏模型试件单轴压缩试验过程中拍摄的表面数字图像进行处理分析。编制Matlab程序,实现单个裂纹的识别、裂纹长度和方位角、总裂纹面积分数和总裂纹分形维数的计算。对节理倾角和节理连通率这2个参数组合变化下的试件表面裂纹图像的分析结果为：(1) 试件表面总裂纹面积分数和总裂纹分形维数变化规律基本相似,在各节理连通率和各节理倾角下,2个参量都随轴向应变的增加而增大;(2) 可将试件分为两大组,节理倾角为0°,15°,75°,90°试件(劈裂破坏为主)和节理倾角为30°,45°,60°的试件(剪切破坏为主),第1组试件表面的总裂纹面积分数和总裂纹分形维数值都高于第2组试件;(3) 具有相同节理连通率的试件,在试验开始点不同节理倾角的总裂纹面积分数基本相同,在峰值荷载点和试验结束点的总裂纹面积分数随节理倾角的变化曲线基本呈V型(最小值在节理倾角为45°处,最大值在节理倾角为0°处);(4) 表面裂纹在试验开始时和加载过程中的各向异性分布特征,可以用裂纹面积分数沿裂纹方位角的分布图来表征。研究结果表明,表面裂纹图像分析可以有效地定量研究节理岩体试件的各向异性损伤演化特征。     

不同开放环境下北石窟洞窟温湿度变化特征

洞窟微环境的温湿度变化是影响砂岩石窟风化的主要因素。为查明北石窟寺不同洞窟形制以及开放程度对洞窟微环境的影响,对北石窟13个典型洞窟进行长达9 a的微环境监测。结果表明:洞窟的开放程度是影响洞窟微环境的主要因素,无窟檐的开放性洞窟受外界环境影响最大,有窟檐的洞窟次之,半开放洞窟、超大型洞窟、封闭洞窟变化依次减小。洞窟内的湿度主要来自于外界环境,崖体渗水对湿度贡献较小,所有洞窟的绝对湿度及变化与外界基本一致,相对湿度的变化主要由窟内的温度变化引起,通过修建窟檐和关闭窟门能够控制窟内温度的相对稳定,从而降低相对湿度的变化。这些洞窟微环境特征变化规律可为北石窟的预防性管理和风险评估提供科学依据。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

层状岩体渗透特性多尺度演化模型研究

考虑层状岩体内部微裂纹、层面等不同尺度结构特征,采用两步均匀化方法,建立了层状岩体细观损伤模型与渗透特性多尺度演化模型。两步均匀化过程分别考虑了层状岩体内部细观结构与宏观结构对渗透特性的影响。层状岩体渗透特性演化模型可同时考虑微裂纹损伤扩展、滑移剪胀,层理面滑移磨损、剪胀演化特性以及微裂纹与层理面相互作用等特征,较好地反映了内部不同尺度微结构变化对其渗透特性演化的影响以及渗透特性的各向异性特征。基于该模型,通过数值模拟层状岩体中地下洞室开挖扰动过程,研究了层面倾角以及岩体强度各向异性特征对洞周围岩损伤与渗透特性演化规律的影响。研究成果对于深部层状岩体水–力耦合特性研究具有一定参考意义。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

山地城市绿化与热环境

分析了山地气候的特点以及对城市热环境的影响,论述了山地城市气候与城市规划、绿化之间的关系,通过红外热像仪测试公路堡坎墙与绿化带的温度以及有无绿化屋面温度的对比,显示城市硬化表面绿化可降低表面温度峰值15℃以上,说明城市绿化对改善城市热环境有显著效果。     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。