应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。     

原生煤岩组合体界面力学效应数值模拟研究

原生煤岩组合体界面是非均质的且包含大量复杂的微观结构。为透明求解非均质煤岩界面导致的复杂物理场,采用工业CT对原生煤岩组合体试件进行了扫描试验,重构了原生煤岩组合体界面三维模型,计算了非均质煤岩界面的分形维数;基于此建立了原生煤岩组合体数值模拟模型,模拟分析了单轴压缩条件下原生煤岩组合体的应力及损伤特征,并通过煤岩组合体单轴压缩试验结果验证了数值模拟规律的可靠性。研究结果表明：原生煤岩组合体界面具有复杂的微观结构且具有分形特征,分形维数能够反映界面宏观形态;单轴压缩状态下,原生煤岩组合体中垂向应力呈非均匀分布,煤岩界面的存在会在煤体中派生水平压应力,在岩石中派生水平拉应力,煤岩界面附近水平应力呈拱形分布;原生煤岩组合体的损伤破坏主要发生在煤体中,煤体的损伤首先发生在远离界面的煤体中并逐渐向界面处扩展,界面分形维数与试件出现初始损伤对应的轴压呈正相关;由于煤岩界面压应力拱的存在导致原生煤岩组合体整体的强度高于煤体,破坏后的煤体呈拱形分布。预期研究结果对于煤岩动力灾害防治具有一定意义。     

基于CT数的煤岩单轴压缩破坏的分叉与混沌分析

利用CT机对煤岩在单向压缩应力状态下的破裂演化过程进行了实时扫描,采用现代非线性科学的分叉和混沌理论对煤岩在单向压缩状态下破坏的演化过程进行了研究,对各级应力状态下煤岩的各扫描断面的CT数进行了统计分析,并在此基础上建立了CT数变化的数学模型,其结果表明：当表征煤岩微裂纹存活比和闭合效应的特征量取一定值时,其CT数的变化可用Logistic方程来描述,具有分叉与混沌特征     

渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究

在FLAC-3D软件平台上,开发出岩石破裂过程的渗流-损伤耦合分析程序,对渗流-损伤耦合作用下岩石的裂纹萌生、扩展过程进行模拟研究。分析了在孔隙水压力作用下,含原生裂隙和弱化单元的非均质试件在单轴、三轴加载下的破坏过程,并与非渗流条件下试件在单轴、三轴压缩下的破坏过程相对比,通过动态显示损伤状态、渗流场,并分析应力应变关系、位移图等,对渗流影响下裂隙岩体的损伤和渐进破裂过程进行了研究。     

基于CT扫描的含非贯通节理3D打印试件破裂规律试验研究

传统岩石钻孔取芯制备的试件存在同批次内部结构不明确、力学性质差异大等缺点,而插缝法制备试件存在预制节理产状不易控制、精度低、周期长等缺点。3D打印技术克服了传统试件制备方法的不足,但试件存在强度低、塑性高的缺点。采用3D打印技术制作了无节理完整试件A-1-1和非贯通平行四节理试件B-1-1,并进行了真空干燥处理和单轴压缩试验,对试件B-1-1进行了CT扫描试验和内部裂隙三维重构。获得了单轴压缩后该试件的应力-应变曲线、表观破裂模式和试件B-1-1内部裂隙的分布情况。试验结果表明:试件A-1-1的应力-应变曲线与未干燥试件的对比说明真空干燥可提高试件强度减小塑性变形,为3D打印试件在岩石力学领域的适用性研究提供参考;试件A-1-1的应力-应变曲线与煤岩对比,表观破裂模式与中砂岩的对比均相似,说明3D打印试件可用于类似岩石的力学研究;单轴压缩条件下"翼形扁颈漏斗状"破裂模式是使非贯通平行四节理试件失去承载能力的主要破裂模式,其裂隙产生、扩展、贯通演化规律表现为复杂的拉剪组合演化,且内部破裂模式与表观破裂模式存在很大差异,表观破裂模式不能准确表征内部破裂模式。     

层面数量对煤岩组合体抗压特性影响的实验研究

煤层顶板分层特征对于煤岩系统的力学行为有重要影响,将其简化为具有岩石单元内含有不同层面数量的煤岩组合体,并开展单轴压缩实验。借助应力监测系统、DIC和声发射系统采集并分析实验过程中的应力-应变特征、表面应变场演变规律、声发射特性。实验表明：煤岩组合体的应力-应变过程可以分为裂隙压密阶段、“线性”增加阶段、非稳定破裂阶段和峰后阶段4个阶段,煤体单元首先发生渐进式的破坏,其过程为煤块弹射-煤块与组合体剥离-剥离状的煤块弹射-倾倒破坏。结合声发射特征可以认为单轴压缩过程中煤岩组合体具有更加明显的压密现象、小台阶现象和峰后应力增减现象,主要是组合体的非均质程度相对增加,内部不能协同变形所导致的。组合体内“煤-岩”层面处会出现明显的应变集中现象,主要是因为该处材料的物理力学性质差异较大,且层面处粘黏剂的存在会导致横向约束作用,岩石单元由单向受压转变为三向压拉状态,煤体单元由单向受压转变为三向受压状态,因此,“煤-岩”层面处更容易发生破坏,此处的声发射信号相对集中,更易形成应变集中。研究认为煤岩组合体中岩石单元层面数量的增加,其等效弹性模量降低、整体性弱化和承载能力下降,组合体单轴压缩强度有降低的...     

冻结裂隙煤岩单轴压缩破坏机制及细观参数反演

煤岩的变形破坏是一个复杂的渐进演化过程, 为了研究冻结条件下裂隙煤岩的破坏机理, 基于CT扫描图像, 应用三维离散元模拟方法, 建立了冻结裂隙煤岩的单轴压缩模型。对比分析数值试验与室内压缩试验得到的应力-应变曲线, 发现二者吻合较好。通过对数值模拟结果的系统分析, 得到了冻结裂隙煤岩的细观结构损伤过程和宏观变形破坏规律, 也发现了煤岩的弹性模量和强度随温度变化的发展规律, 同时给出了煤岩强度和弹性模量与温度的数学关系式。以上研究表明, 离散元模拟方法能够为研究冻结裂隙煤岩的细观损伤演化和宏观破坏变形提供新思路, 可为岩体工程的安全稳定分析提供理论依据和参数基础。     

单轴压力作用下岩石破坏机理分析与应用

单轴压力作用下,从微观出发,岩石破坏是由体内微裂纹中的拉应力所致,如果出现类似于剪切破坏的情况,可近似地认为是试件端部与实验台之间的摩擦力所致.本文采用宏观方法,应用弹性力学和应力叠加原理相组合,从变形协调角度出发,得出试件内部不存在拉应力;用数值模拟物体的单轴压力状态仍然没有拉应力.由此提出,最大伸长理论也同样能解释在单轴压力作用下岩石的破坏.并且推导出在围压达到临界围压时岩石的破坏转变为剪切破坏.     

岩石-钢纤维混凝土复合层抗压强度预测模型

为了研究岩石-钢纤维混凝土复合层单轴抗压强度的计算方法,对岩石、钢纤维混凝土和岩石-钢纤维混凝土(R-SFRC)复合层试件进行单轴压缩试验,分析混凝土强度等级(C30、C40和C50)和纤维掺量(0、40、60和80 kg/m3)对钢纤维混凝土和复合层单轴抗压强度的影响规律,应用RFPA2D模拟复合层单轴压缩损伤过程和应力-应变曲线,基于Mohr-Coulomb屈服准则建立R-SFRC复合层抗压强度预测模型。结果表明,复合层试件单轴抗压强度介于岩石和混凝土抗压强度之间,复合层中岩石和混凝土界面的相互约束改变了各层的受力状态,复合层中岩石强度降低而混凝土强度增大,复合层极限抗压强度为复合层中的混凝土强度。复合层试件的抗压强度随混凝土基体强度和钢纤维掺量的增大而增大,混凝土基体强度对复合层试件的抗压强度影响更显著;不同材料的复合层单轴抗压强度数值模拟值和理论计算值相对于试验值的误差范围分别为-5.41%～-0.69%和-8.67%～-1.21%,数值模拟和理论计算模型可用于复合层单轴抗压强度预测。     

单轴压缩岩石损伤扩展细观机理CT实时试验

利用最新研制的CT机专用加载设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石细观损伤扩展特性CT实时试验，得到了清晰的石破坏全过程中微孔洞被压密，微裂纹萌生、发展、贯通破坏和卸荷等不同发展阶段的CT图像，基于岩石损伤扩展的细观机理岩石应力-应变全过程曲线分为5段，为岩石损伤本构模型的建立提供了重要基础，结果表明，利用这套设备进行岩石细观损伤学特性的研究是可行的。     

煤岩体孔隙结构应力特征的数值模拟研究

为了探究不同加载方式下煤岩体孔隙周围的应力分布规律,通过CT三维重建技术构建含有不同孔隙形状的煤岩体骨架模型,并利用ABAQUS软件进行单轴、三轴压缩实验模拟。结果表明,球状孔隙结构在单轴压缩条件下,上下区域表现为拉应力集中,左右区域表现为压应力集中。不同倾角的椭球状孔隙结构其长短轴区域的应力集中类型不同。单轴压缩过程中,轴向加载速度影响球状孔隙周围的Mises应力峰值和σ₁应力的变化;三轴压缩过程中,孔隙结构依然经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段,较低的围压条件使得弹性阶段“应力-应变”曲线与“应力-时间”曲线高度重合。从微观角度为煤岩体力学研究提供了一种新的方法和思路。      

裂隙岩石单轴压缩损伤扩展细观机理CT分析初探

完成了单一裂纹的裂隙砂岩单轴压缩条件下细观损伤破坏机理CT实时试验,得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像、CT数和CT数方差。结果表明,与无预制裂隙的岩石试样相比,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,预制裂纹的存在导致裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量。     

基于能量理论的煤岩体破坏电磁辐射规律研究

为了给电磁辐射预测矿井冲击地压灾害提供理论依据,采用电磁波和损伤力学理论初步分析了电磁辐射能和加载机械能的关系;采用试验和能量理论研究了单轴压缩条件下煤体变形破坏产生电磁辐射能与受载煤体能量积聚、耗散的耦合关系。研究结果表明：加载机械能与煤体变形破坏产生的电磁辐射能成系数为m正线性关系,m与煤体的弹性模量成0.107 4的比例关系;受载煤体峰值弹性应变能与电磁辐射能成正对数关系,煤体的弹性能指数与峰值累积电磁辐射能、总累积电磁辐射能均成正线性关系,电磁辐射信号反映了能量聚集和耗散的状态,表征了煤体冲击破坏的难易程度。因此,电磁辐射能够预测矿井冲击地压灾害的发生。     

双向加载煤岩变形与声发射特性颗粒流研究

为了明确煤岩双向应力状态下的强度和损伤特性,通过煤岩的单轴试验测得其力学参数,然后利用颗粒流和fish程序结合试验结果获得煤岩细观力学参数,进行了煤岩双向加载下的强度、变形和损伤声发射特征的研究。获得以下主要结论:双向加载煤岩变形破坏过程中,中间主应力对屈服阶段影响最显著,而对峰后软化阶段基本没有影响,这与三向加载下围压对峰后软化阶段的影响不同,从而表明双向加载条件下煤岩峰后基本不存在脆性-延性转化的特征。双向加载下煤岩的体变经历线性体缩、非线性扩容和线性扩容阶段,中间主应力对非线性扩容阶段影响显著,而对其他两个阶段基本没有影响。煤岩损伤破坏过程中,在弹性阶段声发射呈线性增加趋势但增速较小,屈服阶段声发射进入非线性快速增加阶段,在峰值附近增速最快,峰后初期达到最大强度,随后声发射强度急剧减小。声发射最大强度有一定的滞后效应,随着中间主应力的增大,最大声发射强度的滞后效应相对减弱,且随着中间主应力的增大,声发射最大强度持续时间段明显延长。     

基于分形与损伤理论的岩石声-应力相关性理论模型研究

建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,采用宏观复合型断裂理论中的最大周向应力理论,求出单一微裂纹达到稳定时的形态尺寸.利用分形损伤理论,求出不同荷载阶段的分形维数;由分形维数的定义导出了不同荷载阶段的裂纹个数的变化情况;结合单一微裂纹的形态尺寸,求出不同荷载阶段中岩石孔隙率与荷载值之间的关系;利用目前被广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式,最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式.进行岩石声-应力的试验测试,根据试验成果作出声-应力曲线,并与理论声-应力曲线进行比对,结果表明,理论模型比较适合于反映岩石受载全过程中的后半部分的声-应力关系.     

Numerical modeling of rock failure under dynamic loading with polygonal elements

Polygonal finite elements are gaining an increasing attention in the computational mechanics literature, but their application in rock mechanics is very rare. This paper deals with numerical modeling of rock failure under dynamic loading based on polygonal finite elements. For this end, a damage-viscoplastic constitutive model for rock based on the Mohr-Coulomb criterion with the Rankine criterion as a tensile cutoff is employed and implemented with the polygonal finite element method. Moreover, the mineral mesostructure or rock is described by randomly mapping groups of polygonal elements representing the constituent minerals into a global mesh and assigning these groups with the corresponding mineral material properties. The performance of the polygonal elements is compared with that of the linear and quadratic triangular and bilinear quadrilateral elements in numerical simulations of controlled shear band formation under uniaxial compression and lateral splitting failure in the dogbone tension test. Numerical simulations of uniaxial tension and compression tests as well as dynamic Brazilian disc test under increasing loading rates demonstrate that the present approach predicts the correct failure modes as well as the dynamic increase in strength of rock.     

煤体静载破坏微震、电磁辐射及裂纹扩展特征研究

为研究型煤在单轴压缩破裂过程中产生的微震、电磁辐射信号与裂纹演化特征的对应关系,利用自主设计的低噪声静态加载试验系统,对0～0.25、0.25～0.5、0.5～1.0、1～2 mm共4种不同粒度的型煤进行了单轴压缩破坏试验,同步采集了煤样破坏过程中的微震、电磁辐射信号及破坏视频图像,提出了一种煤体裂纹快速提取方法并计算了型煤裂纹面积的变化规律。研究结果表明：型煤在单轴压缩过程中产生的微震、电磁辐射信号及裂纹面积在时域上具有良好的同步性。型煤破坏过程中裂纹面积随时间变化曲线可分为4个阶段。第1阶段为压实阶段,煤样所受应力值较小,其表面的裂纹面积以极为缓慢的速率增加。第2阶段为初始破裂阶段,随着应力的增加和内部弹性势能的积聚,型煤表面裂纹面积的增加速率较压实阶段有明显提高,伴随产生许多细小裂纹。第3阶段为加速破裂阶段,随着应力继续增加以及材料内部积聚弹性能的释放,试样变形过程加速,导致裂纹面积增速进一步增大。第4阶段为卸压阶段,试样的裂纹面积达到最大值,承载能力急剧降低,发生失稳破坏。     

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。     

节理岩石卸载损伤破坏过程CT实时检测

在国内外首次利用CT专用岩石三轴试验加载设备,完成了单一裂纹岩石卸围压应力作用下损伤破坏全过程CT实时监测试验,得到了非常清晰的节理岩石卸围压破坏全过程中从裂纹发展、贯通到破坏等各个阶段的CT图像。结果表明,节理岩石的卸载破坏具有突发性。     

受压煤岩破裂过程电磁辐射与能量转化规律研究

首先对煤岩单轴受压变形破裂过程产生的电磁辐射（EME）、声发射（AE）信号变化规律进行了试验研究,然后在试验测定结果的基础上分析研究了煤岩变形破裂电磁辐射与加载变形能量之间的转换关系。研究结果表明,EME值随着加载时间的增加而增强,声发射信号也呈现同样的规律;电磁辐射的幅值、脉冲数在煤岩主破裂前与应力基本成正相关的关系,出现峰值后降低,试验的各个样品均呈现此变化规律;电磁辐射能和机械能的转化曲线与煤岩单轴加载过程的应力-应变关系曲线是相对应的,且呈现三次多项式的关系。从能量转换的角度来研究煤岩变形破裂电磁辐射与应力之间的关系是可行的。