基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。     

断裂尺度的分形分布与其损伤演化的关系

借助于分形几何学和损伤力学的方法,重新考察和分析计算了有关的岩石断裂实验所提供的实验数据。分析计算结果表明:岩石断裂的损伤演化过程具有良好的统计自相似性,断裂尺度分布的分形维数能够很好地刻画岩石的损伤程度,并且在岩石断裂的损伤演化过程中,断裂尺度分布的分形维数(D_L)随外载荷(σ)呈线性增大。对断裂尺度分布的分形维数而言,损伤演化过程是一个增维过程。根据计算结果给出了分形维数(D_L)与损伤变量(ω)之间的经验关系。      

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。     

冻结砂土的损伤试验研究

任何数值的荷载,都会导致冻土内部冰体塑性流动和冰晶体在土体内的重新定向,以及土颗粒的重新排列.这几方面的因素会使冻土产生微结构的损伤,同时表现出明显的各向异性.基于损伤力学理论,推导出冻土的各向异性损伤变量的表达式,利用-6 ℃冻结砂土的常规三轴试验数据,获得损伤变量的变化曲线.结果表明:损伤变量随应变的增大而增大,呈现出双曲线的变化规律;径向损伤大于轴向损伤;围压有助于冻土结构的强化,减少冻土结构的损伤量.这些规律为利用损伤力学理论建立冻土的损伤本构关系提供了依据.     

岩石受压状态的损伤分析

以损伤力学的方法对岩石在受压状态下的破坏行为进行了分析，损伤力学（CDM）方法近年来在金属、混凝土及复合材料等工程材料的蠕变、断裂等问题的研究中得到大量应用。损伤演变是物质内部结构的不可逆变化过程，损伤变量是与塑性变形一样的内变量，文中据实验数据推导出某类岩石的损伤变量演化曲线，以及损伤与应力的变化关系，以期用损伤学方法研究岩石变形的局部化行为。     

基于动态CT识别的冻土单轴压缩损伤本构模型

采用连续介质力学与热力学方法,建立了冻土单轴压缩损伤本构模型。以兰州冻结黄土为例,基于冻土单轴压缩动态CT试验,对冻土附加损伤的2个阶段,即塑性损伤和微裂纹扩展损伤分别采用硬化曲线法和动态CT识别方法进行了损伤计算,在此基础上给出了冻土附加损伤与弹性应变的对应关系,建立了基于试验的冻土损伤演化方程,并进行了有效应力的计算。     

锦屏大理岩单轴压缩过程中的微结构演化

为了研究锦屏大理岩受载过程中内部孔隙结构的演化规律,文章先对其进行矿物成分测定和单轴压缩试验;随后对施加不同轴压后的试样开展了核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）测试,并分析相应试验结果;最后,根据NMR孔隙度参数,建立起试样损伤度、有效应力比系数与轴压比之间函数关系。结果表明:大理岩内部孔隙分布具有多尺度特性;加载过程中核磁共振 T ₂谱分布曲线整体向右移动,小尺寸孔隙占比减少而中等尺寸孔隙占比增加;岩样内部孔隙具有多重分形结构,小孔占比影响孔隙的分形维数和连通性。当小孔占比小时,孔隙结构相对简单,分形维数较低;当小孔占比大时,孔隙结构则较复杂,分形维数增大。大理岩孔隙度和损伤度均随荷载增加呈指数增大,且损伤和未损状态下有效应力比也增大。此项研究对揭示岩石损伤与破坏机理具有重要指导意义,同时在岩石损伤检测方面也具有一定参考价值。     

冻融循环下含节理类岩石试样剪切破坏特性

为探究冻融循环对节理岩石抗剪力学特性的影响,针对冻融循环前后不同连通率节理岩石试样进行剪切特性试验,探究了节理试样的剪切破坏机制,对比分析了冻融前后节理试样抗剪强度的衰减趋势,分析了黏聚力及内摩擦角随岩石试样剪切破坏面分形维数的变化规律。结果表明：随冻融循环次数的增加,节理试样剪切应力-位移曲线发生显著变化,峰值剪应力出现明显下降,黏聚力及内摩擦角对比冻融前试样出现明显劣化,并且随节理试样连通率的增加,劣化程度加剧;在节理连通率相同时,随冻融循环次数的增加,剪切破坏面的分形维数呈现近指数函数递增的趋势,随分形维数的增加,节理试样的黏聚力损伤因子、内摩擦损伤因子也呈现指数函数增加的趋势;在冻融循环次数相同时,内摩擦角损伤因子随节理连通率的增大呈先减小后增大的趋势,而黏聚力损伤因子在冻融循环次数为30次前后分别呈递增和先减后增的趋势。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

动荷载作用下辽西冻风积土的损伤演化分析

为了研究辽西冻风积土在动荷载作用下的损伤演化规律,采用动三轴仪进行了室内试验,获得了动本构关系、损伤演化方程以及损伤变量随应变的演化曲线。同时,针对冻风积土损伤的初始阶段,利用扫描电镜观测了微观结构。研究结果表明,冻风积土的损伤演化过程可以采用3个阶段进行描述。损伤的扩展速度在塑性损伤阶段发展较快,并且损伤变量的增长过程具备非线性特征;在微裂纹扩展阶段相对平缓,损伤变量与应变呈近似的线性增长关系。内部微裂纹的产生起于试样的中部,然后由中部向两端呈环状扩展。经过裂纹的交错和汇聚,斜向裂纹逐步形成和扩展。     

分形渗透模型在饱和冻土中的应用

冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。     

人工冻土破碎块度分布的分形性质

从分形几何的观点出发，通过对冻土模型的爆破试验，着重对试样爆后破块块度分析进行了统计分析。结果表明，冻土爆后块度分布是个分形，分形维数不仅是反映冻土破碎程度恰当的统计特征量，而且与试样冻结温度密切相关，还探讨了分维值与冻土抗压强度的关系。     

土壤水分特性曲线的分形模拟

应用Menger海绵结构模型,推导出包含有分形维数的土壤水分特征曲线的解析模型,该模型与Brook Corey (1964)及Campbell (1974)经验模型的结构相似。通过对不同地区所采集的10种土壤样本利用压力薄膜仪实测得到水分特性曲线资料反求得到相应的分形维数,分析了分形维数与土壤质地、结构之间的关系,结果表明分形维数随土壤粘粒含量的增大而增大,随砂粒含量的增大而减小。同时对土壤水分特性曲线模型的分形维数与基于质量的土壤颗粒分布分形维数进行了比较,结果表明,两者十分接近,而且具有良好的线性相关关系。根据上述关系,利用易测得的土壤粒径分形维数结合所推导的解析模型,对土壤水分特性曲线进行了预测,预测值与实测值具有良好的一致性。     

Fractal characteristics of sand grain group changes under freeze-thaw cycles and its correlation with long-term strength北大核心CSCD

Seasonally frozen soils are widely distributed in China in terms of area,and the freeze-thaw cycle effect generated by the alternation of cold and warmth is one of the causes of engineering damage in cold areas during construction,and it is particularly important to restore the nature and state of the soil when it is subjected to freeze-thaw action. Therefore,sandy soil specimens with different numbers of freeze-thaw cycles were prepared,and the long-term strength of frozen sandy soil was tested using a spherical template indenter. Using fractal theory and the microstructure image processing software ImageJ,the change law of grain group and long-term strength of two frozen sandy soils under different numbers of freeze-thaw cycles were studied. The results show that：for fine sand（FS）,the fractal dimension DB has a highly significant positive correlation with the long-term strength variation,among which ≥0. 15~0. 20 mm and ≥0. 25~0. 40 mm have the best fit with the long-term strength,and are the dominant grain classes of FS. For medium sand（MS）,the fractal dimension DB is slightly positively correlated with the long-term strength,and the variation shows a“vertical N”trend,in which the grain size content of ≥0. 30~0. 40 mm and ≥0. 40 mm fits better with the long-term strength,and is the dominant grain class for MS. The content of other grain groups did not correlate significantly with the long-term strength change. The freeze-thaw action changed the content ratios of coarse and fine grain agglomerates in the soil. With the increase of the overall particle size interval,the dominant particle size also increases,which shows that the long-term strength of frozen sandy soil tends to decrease and then increase with the increase of the content of some particle sizes. The results of the study can provide theoretical reference for the determination of long-term strength in areas subject to freeze-thaw action. © 2022 Science Press (China).     

基于数字图像灰度相关性的类岩石材料损伤分形特征研究

通过类岩石材料石膏试件单轴压缩试验,获得材料在荷载作用下从损伤到破坏的整个时间序列的数字图像。以试件表面数字图像的灰度相关性的变化为依据,建立损伤量度来表征材料表面损伤和破坏的发展。通过图像处理,建立损伤演化的二值图,并采用分形和多重分形谱理论对材料表面损伤的演化进行描述。研究结果表明,图像灰度相关性系数分布的演化与试件表面的变形局部化在空间和时间上都存在对应关系。随着试件表面损伤量增加,分形维数与应变之间有很好的线性关系,多重分形谱图的曲线形状从开始的对称光滑单峰形式,逐渐向左侧集中发展,其谱宽逐渐减小。