单轴压缩下酸腐蚀花岗岩能量演化与分形特征

利用单轴压缩、声发射监测及X射线衍射试验手段分析了不同腐蚀时间花岗岩力学特性,获得了声发射特征参数变化规律,从腐蚀机制角度分析了花岗岩内部结构劣化原因,并对岩样破坏过程中能量演化规律及破碎分形特征进行研究。主要结论如下：随着腐蚀时间增加,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了25.6%和38.3%;声发射累计振铃计数降低,高水平声发射振铃计数持续时间缩短;岩样内部结构因矿物成分分解而劣化,而二氧化硅悬浮物又会延缓这一劣化,导致力学参数折减速率与腐蚀时间呈负相关;塑性阶段之前,腐蚀岩样耗散能增长率较大,其内部损伤已经快速发育,耗散能也处于较高水平,在塑性阶段,损伤发育程度低于未腐蚀岩样;耗散能随腐蚀时间增加而降低,但耗散能占比由29.1%升高到35.0%,延性提高;总能量和弹性应变能的峰值、增长速率均随着腐蚀时间增加而减小,内部结构劣化程度增大,岩样吸能能力和储能极限降低;破坏模式由剪切-劈裂破坏转变为剪切破坏,中、小粒径碎块质量占比由44.6%降低到22.8%,破碎分形维数降低了9.5%,破碎程度降低,用于破碎的耗散能也随之降低。     

合肥地区膨胀土颗粒粒径的分形分维研究

简要介绍了分形几何的相关理论 ,通过推求膨胀土颗粒粒径的质量分形特征函数得出了膨胀土颗粒粒径的分形分维简易、方便的计算公式。用筛选法和比重计 (相对密度计 )法对合肥地区有代表性的膨胀土试样进行分析、整理 ,给出了该地区的膨胀土颗粒粒径的分形分维值大致范围 ,为进一步深入研究该地区膨胀土性质和结构奠定了基础     

单一粒径组颗粒材料破碎规律及破碎极限研究

岩土材料颗粒破碎演化规律是颗粒破碎过程复杂性的集中体现,对单一粒径组颗粒材料破碎规律的研究是进行多粒径组颗粒材料破碎规律的基础。从概率统计角度入手,先对前期研究中所提出的描述单一粒径组颗粒材料破碎规律的3个参数-破碎概率p、破碎状态参数a、b的演化规律进行了研究。通过对3组不同类型（不同试验材料、试验类型）的试验数据的研究,发现随着破碎的发展3个参数趋于定值,表明破碎极限的存在。基于上述研究,最后提出了计算单一粒径组颗粒材料破碎极限的方法,分别得到了3组试样的最终分形维数分别为2.3、2.34、2.28。     

土壤分形结构对其水力性质的指示作用

研究土壤的水力性质是进行生态水文模拟、农业水分管理和环境监测的关键,然而强烈的空间变异造成土壤的物性特征异常复杂,特别是水力性质测定困难,试验结果随机性强,耗费大量人力物力,却难以准确描述。本文在综合分析了国内外30余种量化土壤水力性质的研究方法的优劣后,系统总结了分形理论在土壤物性特征研究中的应用,剖析了分形理论与土壤水力性质之间的关系,旨在探讨土壤分形结构在水力性质领域的发展前景,以及在测定水力特性参数时所具备的优势。结果表明：(1)采用分形方法定量研究土壤结构具备可行性;(2)分形结构方法能够指示水力性质,并能为快速准确刻画不同尺度下的土壤水分分布特征提供科学依据;(3)利用已知土壤水力性质建立分形模型可以有效反演土壤结构。     

压缩荷载下泥岩裂缝演化规律的CT试验研究

裂缝的演化与空间展布规律是影响泥岩盖层密闭效果的关键因素。为研究泥岩失稳破坏过程中裂纹的萌生、扩展和汇集贯通等演化规律,针对龙马溪组泥岩进行了单轴压缩下的同步CT扫描试验,通过裂纹面积的变化特征及裂纹结构的分形特性,探讨了不同加载水平下裂纹的演化规律,从细观尺度揭示了泥岩裂纹演化与宏观变形特性的关系。研究结果表明：泥岩CT图像灰度频率及裂纹面积的变化均可反映裂纹的演化特征。荷载水平（即当前荷载与峰值荷载之比）为0～20%时,裂纹面积迅速增加,裂纹开始萌生,但由于受到闭合效应的抑制,相对并不活跃;荷载水平（当前荷载与峰值荷载之比）为20%～65%时,裂纹面积变化不大,裂纹萌生效应和闭合效应同时进行,且作用大致相抵,泥岩进入稳定承压阶段;荷载水平为65%～85%时,裂纹面积陡然增加,裂纹进入扩展及汇集贯通阶段,而荷载水平为65%时的突然跳跃,表明裂纹从萌生闭合到扩展过渡具有突发性和瞬时性。随着荷载的继续增加,泥岩内部结构呈复杂化、混乱化的变化趋势,且裂纹从外向内逐渐贯通。裂纹分形维数呈现的增长―下降―再增长―再下降的波状变化规律,是裂纹萌生、闭合、扩展和归并等相互转化的结果。     

不同含水率作用下砂岩的能量机制研究

水对岩石具有软化、溶蚀和水楔作用,为研究不同含水率作用下岩石的能量机制,利用MTS815岩石力学试验系统开展了5种含水率状态下砂岩的常规三轴压缩试验。结果表明：随含水率的增大,岩石吸收总能量的增速和总量减少;弹性能增速在储能阶段随含水率的增加而减小,但弹性能的释放速率则大致相当,岩石的储能极限随含水率的增大而减小;岩石变形破坏所耗散量随含水率的增加而较小,但不同含水率作用下岩石的峰前和峰后能量耗散速率则大致相当;岩石的耗散能比例可以反应内部的损伤状态,耗散能比例随时间变化呈现出先增大后减小,然后再稳定增长,最后急剧变大的规律;随着含水率的增大,声发射能率的集中程度和强度逐渐减小,声发射累计能量随含水率的增大而减小,表明随着含水率的增加,岩石的储能能力和应变能释放能力降低,岩石的脆性破坏特征减弱,塑性增强。     

基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究

为了研究页岩横观各向同性性质对劈裂强度及破坏模式的影响,对7组不同倾角下的试样进行了巴西劈裂和声发射测试。研究表明：层理的方向对试样的劈裂强度和最终破坏模式有着重要的影响。随着层面倾角 的增加,页岩试样的劈裂强度逐渐减小。在不同倾角下的破坏模式可分为直线形（ 0°、90°）、月牙形（ 15°）和曲弧形（ 30°、45°、60°、75°）。通过分析不同倾角下圆盘中心点沿层理分解得到的正应力和剪应力,当 0°时,试样的破坏方式为基质的拉伸破坏;当 90°时,试样的破坏方式为层理的拉伸破坏,当15° 75°时,试样的破坏为复合型破坏。观察声发射空间累计定位演化分布情况,直线型的声发射点较均匀地分布在试样中轴线的两侧;曲弧型的声发射点在圆盘的一端较密而另一端较稀疏;月牙型则在试样的中部和一端都累积了部分声发射点;分布特征与宏观破坏方式具有相似性。分形维数D可以较好地反映试样的破坏模式,从倒V形的变化趋势可知,直线形试样D值接近于2,而月牙形和曲弧形试样D值介于2.2～2.7。因此,D值越大,说明裂纹的曲率半径越大;相反D值越小,裂纹越趋于一条直线,破裂形态也就越简单。     

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。     

不同粒径级砂土渗透特性试验研究

渗透性是砂土的重要工程性质之一,影响砂土渗透性的因素有很多,比如土体密实程度、土颗粒自身特性、流体性质等,其中孔隙率与颗粒粒径是两个重要影响因素。而以往基于混合粒径的天然砂土的研究很难分别对这两个因素进行独立的研究。基于此,首先开展了单一粒径级砂土的常水头渗透试验,分别研究了同一粒径级砂土渗透系数随孔隙率的变化和同一孔隙率下不同粒径级砂土渗透系数随均值粒径的变化规律。试验结果显示,渗透系数随着孔隙率的增加而线性增加、随均值粒径二次方的增加而线性增加,其中均值粒径的影响较大,其变化能导致渗透系数量级上的差异。在此基础上,开展了多粒径混合砂土的渗透试验,讨论了曲率系数、不均匀系数等级配参数对渗透性的影响,从而将单一粒径级的研究成果推广到天然砂土,最终拟合出渗透系数与相关影响因素的经验公式,以便工程实践参考使用。     

不同粒径花岗岩断裂力学行为及声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射（AE）三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。在三点弯曲试验条件下,北山花岗岩峰值过后断面还具有较大的承载面积。粒径越大,其峰值载荷越低,且屈服载荷所占峰值荷载百分比越小,断裂韧度值越小;粒径越大其破坏过程中的总变形量越大,且加载末期承载能力越高。细粒及中细粒岩样声发射事件最早出现于拉应力较大的尖端下部,而强度相对较小的粗粒及中粗粒岩样声发射事件最早出现于受点荷载的上端部。声发射事件集中出现于裂纹稳定扩张阶段,这一阶段为岩石断裂的最主要阶段。粒径越大,声发射事件越多,且整个断面分布越广泛。     

不同卸载速率下岩爆破坏特征试验分析

对北山花岗岩进行4种不同速率卸载的岩爆试验,收集试验后产生的碎屑,进行粒径分布和基本尺寸量测,得到碎屑尺度特征。利用声发射系统采集试验过程中声发射信号,采用典型的时频分析手段,提取每一个声发射波形信号的主频值,绘制整个试验全局主频分布图,找到花岗岩岩爆主频分布带。试验结果表明：随着卸载速率的降低,碎屑总数量,块状、板状碎屑所占百分比均呈下降趋势。而声发射分布带主要位于中低频带内,且随着卸载速率降低逐渐上移,由密集变离散。根据声发射参数RA和AF特征值分布情况,结合核心密度定义,揭示裂纹类型演化过程。发现在卸载岩爆过程中产生了大量张拉裂纹和一定量的剪切裂纹,随着卸载速率的降低,声发射信号量减少,预示着岩石内部裂纹数量明显减少。以上室内试验结果对于认识不同卸载速率下岩爆机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整开挖速率降低岩爆风险的可行性提供了室内试验支持。     

含非贯通裂隙砂岩的动力破坏特性研究

为研究动载作用下非贯通裂隙对岩石破坏特性的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对含不同裂隙数量及深度非贯通裂隙砂岩进行冲击试验,并基于分形理论和能量耗散原理分析其动力破坏特性。研究结果表明,动态峰值应力随裂隙数量及深度变化情况较复杂;峰值应变随裂隙数量增加而增加,随裂隙深度增加先增大后减小;动态弹性模量随裂隙数量增加先增加后减小,随裂隙深度增加而减小;不同工况试样的破坏模式分为张应变破坏、张应变?剪切复合破坏和压碎破坏3种,且裂隙数量对破坏模式的影响较裂隙深度大;试样破坏后的分形维数、单位体积耗散能和能量吸收率均随裂隙数量及深度的增加而增加,且分形维数与单位体积耗散能和能量吸收率均近似正线性关系。     

基于数值模拟的采动影响下覆岩裂隙演化过程分析

以平顶山东部矿区为工程背景,利用岩石真实破裂过程分析软件（RFPA2D）,模拟了采动影响下覆岩介质损伤的动态发展过程。数值模拟结果表明,采动裂隙的形成过程是一个复杂的演化过程,在加载初期覆岩介质损伤小,声发射现象不明显,应力和位移基本上无变化,无明显裂隙产生。随着加载步的增加,覆岩内部介质出现破裂,声发射次数、应力值和位移值不断增加,此时裂隙场处于孕育、不断积累并扩大阶段。当声发射次数、应力值、位移值都达到最大值时,裂隙经过萌生、扩展之后形成宏观裂隙,进而导致煤岩体由弹性状态转变为塑性状态,使覆岩大面积垮落。该数值模拟结果对平顶山东部矿区的开采具有巨大指导意义。     

含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission,简称AE）系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表...     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

渝东南岩溶山区耕地利用变化下土壤颗粒体积分形特征研究

通过对重庆东南部喀斯特山区的野外调查采样和室内粒度分析,利用土壤颗粒体积分维模型,分析了该区域耕地土壤与撂荒地土壤颗粒体积分形维数特征,探讨了颗粒体积分形特征与颗粒体积含量的关系。研究结果表明:土壤颗粒体积分形维数与土壤中粘粒(<0.002mm)含量呈明显的线性相关,表现为粘粒含量越高的土壤,其分形维数也越高。土壤粘粒含量与土壤颗粒体积分形维数在不同土地利用方式的土壤剖面上表现出相同的变化规律。土壤分形维数不仅受粘粒含量的支配,还与土壤质地的均一程度有关,分形维数与土壤质地均匀指数表现出一定的相关性,但相关性较弱。耕地土壤分形维数值(平均值为2.5065)大于撂荒地分形维数值(平均值为2.4835),说明岩溶区人类农耕活动对土壤质地尤其是粘粒含量影响明显。土壤体积分形维数可以作为区域耕地土壤质量评价指标之一。