花岗岩动静态压剪复合加载实验研究

岩石为天然含有微裂纹微孔洞等缺陷的复杂介质,其在复杂应力状态,尤其是在压剪应力状态下的性能研究,对工程应用有着十分重要的意义。本文利用双斜面垫块改进现有装置对花岗岩进行了动静态下的压剪复合加载实验,其中静态实验基于MTS材料试验机,动态实验基于分离式Hopkinson压杆（以下简称SHPB）,由此得到不同压剪载荷联合作用下花岗岩的静态和动态力学性能。通过改变倾斜端面的角度就能够得到岩石在不同压剪加载路径下的力学性能,由此可以得到岩石的静动态破坏面。结果表明:花岗岩的破坏强度具有明显的加载速率效应。本研究为探讨岩石在复杂应力状态下的力学性能提供了新的方法。     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。     

岩石压剪断裂核的试验研究

本文介绍了岩石压剪断裂试件切口端部微裂区的研究成果。通过白光散斑,光弹贴片测试及切片镜检,查明了该微裂区呈不对称的桑叶状,其内部岩石晶粒碎裂,形成多条裂纹,岩石压剪主破裂面沿微裂区边界面扩展。在上述结果基础上,提出了描述该微裂区的岩石压剪断裂核的形状方程。     

韧性金属Kaiser效应方向独立性的实验研究

Kaiser效应是声发射技术实际应用的理论基础。本文以韧性金属材料Q345不同方向拉伸实验为例,探究力的方向对韧性金属Kaiser效应的影响。实验结果表明,韧性金属材料在某一方向加载时,表现出了Kaiser效应;当改变加载方向时,呈现出与第一次加载方向类似的声发射特性,说明声发射现象对其他加载方向上所承受的最大载荷不具有记忆的能力,而仅与该方向承载历史有关,即韧性金属Kaiser效应与力的方向性间具有独立性。同时,利用细观损伤理论对这一现象产生的机理进行了定性的解释。     

单轴压缩条件下破裂岩样声发射及能耗特性试验研究

为揭示岩石变形破裂的内在机理及正确评价工程破裂岩体的特性,本文对破裂岩石再破裂过程声发射、能耗特性进行了综合研究。借助MTS伺服试验机及AE21C声发射检测仪,对破裂岩样进行了单轴压缩条件下再破裂过程中的声发射及能耗特性实验研究。研究结果表明:破裂岩样声发射事件-时间曲线主要属于峰前阶段加速增长型,其声发射事件-时间曲线大致可分为声发射初始发展、剧烈、降低三个阶段;在整个压缩破裂过程中,声发射活跃程度总体上大于相对完整岩样;峰值点是声发射特征、能耗特征的转折点;岩样变形破裂过程中,声发射与能耗指标之间存在内在的、必然联系;随着破裂程度的提高,破裂岩样峰值点吸收能量与峰前段耗散能量均逐步降低;破裂岩样表面破裂面分布分形维数同峰值点吸收能量与峰前段耗散能量之间总体上均遵循非线性的二次多项式函数关系。     

动静组合加载下岩石破坏的声发射实验

在霍普金森(SHPB)实验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射实验,获得了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律。结果表明,动静组合加载下声发射能量规律呈现出2种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载末期,能量出现一定的回升,产生了拐点;II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现拐点。分别讨论了轴向静载和动载应变率对声发射能量的影响:声发射峰值能量随轴向静载增大而减小;当轴向静载位于岩石弹性段时,峰前声发射能量随静载缓慢增大,当轴向静载超过弹性段时,峰前声发射能量随轴向静载增大而急剧增大;声发射峰值能量和峰前能量均随动载应变率增大而减小。本研究对于重新寻求动静组合加载下岩石破坏的声发射前兆规律具有理论和实践意义。 更多还原     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

砂岩脆性变形破坏过程中声发射信息试验研究

针对砂岩试样进行了单轴刚性加载试验,并测试整个过程的声发射信息。根据试验情况,可将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征划分为压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂和峰后情况五个阶段。通过对稳定破裂和非稳定破裂分界点对应的临界点处的应力和应变值与峰值应力及其对应的应变比值分析发现,大部分应变比在74%与78%之间;应力比则相对具有较大的离散性,均值在73%左右。上述研究,通过对砂岩脆性破坏过程中声发射信息与应力比和应变比之间的关系分析,增进了对岩石破裂过程中生发现象的认识,为相应岩石脆性破坏导致的地质灾害分析提供了新的研究思路。     

材料动态强度直接测量的磁压剪实验技术及应用

提出一种用于直接测量动载荷下材料强度的新方法,即磁驱动压剪联合加载实验技术。从理论和数值计算上分析了压/剪联合作用下材料的应力偏量与屈服强度关系,计算斜波加载下压/剪联合作用时应力偏量与屈服强度的时空演化特性,给出材料强度数值的计算方法。并基于自行研制的强脉冲电流装置和10 T准静态磁场发生器,利用多点双光源外差位移干涉仪(dual laser heterodyne velocimetry, DLHV),开展磁压剪实验对2种铝样品的动态强度进行测量,得到不同加载压力下铝样品的强度。结果表明:磁驱动压/剪联合加载技术为材料的高压强度直接测量提供了一种新途径,是可靠的实验技术。     

传感器类型对岩石破裂声发射时频特征影响实验研究

为探究声发射传感器对岩石破裂监测效果的影响,本文开展了含孔花岗岩双轴加载实验,选择R6α(窄频)和Nano30(宽频)两类传感器同时监测岩石破裂过程,分析两种类型传感器接收信号时频特征的异同点。从工作频段及灵敏度讨论两类传感器的适用性,继而提出岩石破裂监测中声发射传感器的选取原则。研究结果表明,在时域方面,两类传感器接收的声发射信号能量演化规律体现出一致性。在频域方面,R6α传感器接收信号主频集中分布在33～110kHz,Nano30接收信号主频在0～500kHz内均匀分布。R6α窄频传感器接收信号的强度较高、数据量较大,能够隔绝其他频段内噪声信号干扰,适合分析岩石破裂的时序规律;Nano30宽频传感器从频率上能保证信号的完整性,可用于分析岩石声发射信号波形和频率特征。     

含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

基于生物力学中的Wolff法则，发展了一种连续体拓扑优化的新方法. 有待优化的结构 被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼，把寻找其最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建/生 长过程. 采用骨骼的重建/生长规律作为准则更新材料分布，直至达到一个平衡状态并由此 获得结构的最优拓扑. 算例表明了所提出方法的有效性.     

花岗岩晶粒尺寸对岩爆影响的试验研究

为探究晶粒尺寸对硬脆性岩石岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对细中、中粗两种不同晶粒尺寸的含预制圆孔花岗岩开展了岩爆模拟试验。试验结果表明:在相同的加载过程中,细中晶粒花岗岩出现板裂静态脆性破坏,而中粗晶粒花岗岩出现岩爆动力破坏;细中晶粒花岗岩早期声发射活动较弱,大破裂、低主频事件在时空分布上较集中,特征应力较大,而中粗晶粒花岗岩早期声发射活动较活跃,大破裂、低主频事件在时空分布上较离散,特征应力较小,碎屑破碎程度更高。晶粒尺寸对花岗岩的岩爆倾向性具有重要影响,晶粒尺寸较大的硬脆性岩石的岩爆倾向性更强。深部地下岩体工程的岩爆倾向性评价中,除强度和脆性外,晶粒尺寸也是需要考虑的重要因素。     

应力波作用下岩石声发射能量特征

通过霍普金森(SHPB)实验系统,对应力波作用下岩石破坏进行声发射实验,获得了该加载条件花岗岩声发射能量的变化规律.实验结果表明,声发射能量变化呈现出两种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载的末期,能量出现一定的回升,产生“拐点”;Ⅱ型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对Ⅰ型较慢,且不出现“拐点”.通过对岩石破碎块度的分析,得到了声发射峰值能量与岩石破碎分维之间的关系.本文的研究有助于重新寻求应力波下岩石破坏的声发射前兆规律.     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

Loading rate and confining pressure effect on dilatancy,acoustic emission,and failure characteristics of fissured rock with two pre-existing flaws

Investigating the dilatancy, acoustic emission and failure characteristics of fissured rock are significant to ensure their geotechnical stability. In this paper, the uniaxial and triaxial compression experiments with AE monitoring under different loading rates were carried out on fissured rock specimens with the same geometrical distribution of two pre-existing flaws. The dilatancy and AE activity of these specimens were discussed, and the effects of the confining pressure and loading rate on the mechanical parameters and failure characteristics were analyzed. The results show that the exponential strength criterion is more suitable than the Mohr–Coulomb strength criterion to characterize the strength characteristics of fissured rock. The crack evolution and failure characteristics of fissured rock specimens are more complicated than those of intact rock specimens. The failure characteristics of the fissured rock follow the tensile shear coalescence model, crack branching occurs with increasing the loading rate, and the multi-section coalescence model is verified with increasing the confining pressure. The phenomena of stress drop and yield platform usually occur after the dilatancy onset, the specimen does not fail instantaneously, and the propagation and coalescence of cracks cause a sharp increase in the AE signals, circumferential strain, and volumetric strain.     

工程岩体地质力学作用过程的数值模拟

工程岩体地质力学作用过程的数值模拟, 是研究岩石工程设计、施工问题的有效途径。本文提出了工程岩体计算数据智能化准备与确定子系统、地质力学作用过程的仿真数值模拟及其快速图形处理子系统, 并将其集成为一体。系统采用人机交互界面及多系统的自动转换, 使整个分析系统能充分发挥其模拟分析及图形处理功能, 方便实用。