单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能量演化研究

为探究能量演化在含黏结面不完整岩石受载过程中的规律,选取带有矿物质黏结斜面的花岗岩进行单轴循环加卸载压缩试验,同时在试验过程中进行声发射检测.得到以下结论:"有效能比"(累积弹性能/输入岩石的总能)可以作为岩石储能水平的表征,也可间接反映岩石内部结构随应力状态的改变;从整个加载过程来看,黏结面部位破坏的声发射释能短促、强烈,峰值强度时声发射持续时间较长,但声发射释能率相比黏结面破坏时较低;应力水平较低时,卸载过程中一般不会有声发射现象或声发射现象基本可以忽略,但当应力水平达到一定值时,即花岗岩积聚的弹性能超过了黏结面部位破坏的耗散能时,花岗岩在卸载时会发生短促、强烈的脆性破坏;由于声发射能量属于耗散能的一部分,定义"声发射检测效率"(声发射累积能量/累积耗散能),对于本次试验对象而言,"声发射检测效率"在压密阶段降低,弹性阶段升高,黏结面局部破坏时达到峰值,之后直至峰值强度该值呈现持续降低趋势;从能量角度分析,卸载破裂所对应的应力水平低于加载强度,但不应低于与峰值强度时耗散能大小相等的弹性能所对应的应力水平.     

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.     

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。     

不同应力状态下40CrNiMoA钢延性断面的分形维数

本文利用FPM（Fracture Profile Method）法，测量了40CrNiMoA钢在不同应力状态下发生延性破坏时断裂表面的分形维数，并考察了断面分形维数与断裂应变的关系，结果表明，尽管当应力三维度Rσ从0.86增大至1.52时，断裂应变εf自0.37降至0.15，而断面分维DF仍保持常值（变化幅度仅为1.3%），估计这是由于具有不同应力三维度的试样其临界空穴扩张比VGC值基本保持常值的缘故。     

一种预测地下岩石主应力的方法

依据静态物体受力平衡的条件,推导地下岩层测量点的地应力方程,并以此方程建立相应的莫尔圆,从而得到地下岩层所受的垂直主应力以及水平最大和最小主应力的数学表达式。依据岩石的Kaiser效应,设计Kaiser地应力测量系统。利用莫尔应力圆测量被施压岩石样品的声发射事件从而预测地下岩层3个主应力。实验结果表明,当岩石产生微裂缝时,其应力能短暂释放,声发射的幅度和频率都会突然增大。     

单轴压力下岩爆倾向岩石的声发射特征

在电液伺服刚性试验机上,对某矿一种具有岩爆倾向的岩石进行声发射研究,得出了声发射参数与岩石应力－应变曲线对应关系,声发射数统计和声发射波形频谱分析结果表明：在加载过程中,应力达到一定水平时声发射数发生突跳,声发射频谱由低频向高频发展,到一定应力水平后基本保持稳定,能量由低频向高频集中,声发射突跳点与高频转换点应力水平基本一致,这对硬岩矿山岩爆预报有一定的指导意义。     

基于声发射事件b值变化规律的岩石破坏前兆识别及其局限性

利用多道声发射采集系统记录了不同岩性的岩石试件变形破坏过程中的AE全波形,由扫描算法求得试件变形全过程的声发射b值动态曲线.声发射b值在岩石加载前期和中期阶段b值总体呈上升趋势,上升过程中有不同程度和次数的起伏,到岩石接近破坏时,b值迅速降低.但是,声发射b值的下降并不一定代表岩石即将失稳破坏,仅依靠声发射频率和强度参数并不能完整准确地反演岩石内部结构,也不能实现对岩石失稳破坏的预测预报.岩体的动力失稳破坏的机理异常复杂,要实现准确的预测预报,应对声发射信号所包含的信息进一步挖掘,并对比分析其它岩石状态参数的变化规律.     

三轴应力下含交叉裂缝页岩的力学特性及破坏模式数值模拟

为研究交叉裂缝对深层页岩力学特性及破坏模式的影响,更好地了解在高温高压耦合作用下含交叉裂缝页岩的损伤演化规律,建立了15组含不同倾角交叉裂缝页岩模型,并对页岩试件的应力-应变关系、损伤演化及声发射特征进行了模拟实验。结果表明,页岩的抗压强度和弹性模量与主裂缝倾角整体呈负相关,并随次裂缝倾角的增大呈上凹的变化趋势;当页岩中存在垂直或接近垂直于加载方向的裂缝时,其抗压强度显著下降;页岩试件的破坏模式在交叉裂缝影响下主要分为“X”形破坏、斜“N”形破坏、斜“W”形破坏、倒“V”形破坏、沿主裂缝贯穿破坏、“V”形破坏与“λ”形破坏;页岩试件的分形维数与主裂缝倾角整体呈负相关,随着主裂缝倾角的减小,分形维数整体趋于增大,相应的试件破坏模式更复杂,内部损伤更剧烈。     

关联维数在尾水管压力脉动分析中的应用

以黄壁庄机组尾水管压力脉动试验的实测信号为例,对时域信号进行了频谱分析,并对在不同的工况下尾水管压力脉动信号进行嵌入维数和关联维数分析。结果表明,当嵌入维数大于等于18时,关联维数趋于稳定值。不同工况下水轮机尾水管压力脉动的关联维数也不同,当导叶开度为50.70%时,分形关联维数为3.456 6;导叶开度为62.85%时,分形关联维数为3.388 1。因此,关联维数可以作为对水轮机尾水管压力脉动情况进行识别的指标,可以指导电站的稳定运行。     

采空区上覆岩体裂隙分形规律的实验研究

以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面为原型,利用相似材料模拟实验模拟采空区上覆岩体裂隙的形成过程扣分布状态,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形规律。实验结果表明：上覆岩体裂隙分形维数随工作面推进经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程,开采结束且岩层基本稳定之后,其分形雏数为采动前分维值的0．5％-5％,且模型采空区边缘地带“三带”的分形维数值较采空区中心的分形维数值大。     

岩石节理压剪破坏的数值分析

基于分形几何理论，采用Weiemtrass-Mandelbrot函数生成不同分维的分形曲线模拟岩石节理不同的粗糙度。运用ANSYS软件对分形节理在压剪荷栽作用下的应力场及位移场进行了数值模拟，分析了节理主应力及位移与分形维数的关系，在此基础上讨论了节理的分形维数对节理破坏失稳的影响。数值分析结果与已有的实验结果相吻合。     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

围岩稳定性评价的分形—插值模型

围岩的稳定性评价是一个复杂的不确定系统问题,为了准确评价围岩所处的稳定性状态,进而为围岩稳定性的防治提供科学依据,提出了基于分形—插值模型的围岩稳定性评价方法.该方法首先选取影响围岩稳定性评价的5个主要因素,根据分类标准,采用在每级标准中随机内插的方法,得到50个标准样本,用于构建围岩稳定性分类的分形—插值模型;其次根据最大似然分类原则确定每个围岩稳定性指标的评价分维数;然后利用加权求和法计算样本的综合评价值,并根据样本综合评价值与经验等级之间的关系建立分形—插值评价模型;最后,通过实例分析表明:该模型的评价结果是准确和可靠的,与采用其他几种分类方法所得结论一致.此外,该模型可以得出每个样本的具体得分值,即使对属于同一级的样本也可以排出它们的优劣顺序,因而具有较高的分类精度,为围岩稳定性评价提供了一种较好的新方法.     

基于分形插值模型的岩爆预测研究

岩爆等级预测是一个复杂的不确定系统问题,为了准确评价岩爆所处的分类状态,进而为岩爆的防治提供科学依据,提出了基于分形-插值模型的岩爆评价方法.该方法选取影响岩爆评价的3个主要因素,根据分类标准和随机内插方法得到40个标准样本,采用最大似然分类原则确定每个岩爆预测指标的评价分维数,利用加权求和法计算样本的综合评价值,并基于样本综合评价值与经验等级的关系建立分形-插值评价模型.实例分析表明:该模型的评价结果合理、客观,为岩爆预测提供了一种新的研究方法与思路.     

板岩遇水崩解的分形模型研究

板岩遇水作用后,会引起某些物理、化学和力学等性质的改变.水岩相互作用是一个极其复杂的过程,一直很难找到一个定量指标来描述.针对板岩遇水崩解的特性,应用分形理论中的关联分数维对其崩解特性进行研究,建立板岩崩解的分形模型.通过质量求解板岩崩解的分维数,做崩解试验可得到一系列分维数值;根据分维数值的变化,可得出板岩崩解的分维数随泡水时间增长的变化规律,并应用这个模型解决南水北调西线工程中深埋长隧洞遇水软化、崩解的工程问题.     

结合分形理论的水泥絮凝研究

目的对水泥絮凝进行定量化研究,找出其微观结构与宏观性质的联系.方法用“激光颗粒分布测量仪”测试了不同水泥絮凝颗粒的粒度分布,分析了各絮凝颗粒的分形特征,探讨了分形维数与水泥比表面积、净浆流动度的关系.结果水泥絮凝颗粒的粒度分布具有很好的自相似性,属于典型的无规三维分形体;且分形维数越大,比表面积越大,水泥净浆流动度越小.结论用分形维数对抽象的水泥絮凝粒度分布进行定量描述是可行的,从分形维数可以推断出比表面积和净浆流动度等宏观性质的变化趋势.     

颗粒复合材料 LDPE/CaCO_3 拉伸断口的分形分析

应用计算断口表面分形维数的二维变差法，计算了颗粒复合材料ＬＤＰＥ／ＣａＣＯ３拉伸断口的分形维数，并且建立了断口分形维数与强度极限和填料颗粒含量之间的关系。     

岩石爆破块度的分形研究

应用分形理论对岩石爆破块度的分形特征进行研究，进一步说明了岩石的爆破块度具有很好的分形结构，并建立了分维数D与爆破参数之间的关系式，从而为爆破参数优化进行块度预报提供了科学依据。