类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

爆炸冲击载荷作用下岩石的损伤实验

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对某露天矿围岩在爆破冲击荷载作用下产生的损伤进行了现场实验研究。研究结果表明:爆破冲击荷载对距离爆源7 m范围内的岩石会造成损伤破坏,其损伤程度随着岩石与爆源距离的增大而减小;岩体声波速度随着爆破次数的不断增加而逐渐降低,多次爆破对岩石具有损伤累积效应;多次爆破的累积损伤不是单次爆破损伤的简单叠加,具有非线性特性,且距离爆源越近爆破累积损伤效应越明显。     

基于离散小波变换的岩石SHPB测试信号去噪

运用离散小波阈值去噪原理对SHPB测试信号进行了处理,针对SHPB测试信号持时短、突变快等特性,并根据各小波基对信号的重构均方根误差,选择Symlets小波系中的小波基Sym5为适合SHPB测试信号小波分析的最佳小波基,并运用无偏估计程序SURE确定了各分解层的阈值。比较了小波阈值去噪与动态应变仪中常规低通滤波器去噪的信噪比和均方根误差,研究结果表明,相对于常规低通滤波器的去噪处理,离散小波变换不仅有良好的去噪效果,而且能得到更精确的重构信号,可以取代动态应变仪中的低通滤波器对SHPB测试信号进行去噪处理。     

玄武岩中裂隙分布形式对声波传播的影响

复杂岩体含有大量的裂隙,这些裂隙尺寸及其分布形式等对弹性波传播都有很大的影响.本文加工了含单个裂隙、双裂隙和三个裂隙的玄武岩岩样单元对其进行组合,进行了25kHz、 50kHz、 400kHz、 600kHz和1000kHz 等5种频率的声波测试.通过考虑垂直或平行波传播方向的裂隙长度,来探索裂隙分布形式和不同裂隙长度对弹性波传播的影响,研究玄武岩的频散效应和波的衰减.结果表明:裂隙方向与波传播方向夹角对弹性波传播有很大的影响.当裂隙方向与波传播方向垂直时,散射效应最大;而当裂隙方向与波传播方向平行时,影响最小.上述结果可为理论模型和数值分析提供依据.     

基于时域自适应算法的单向粘弹性节理岩体的等效分析

在粘弹性节理岩体的数值仿真中,必需合理地计及节理的影响.若将节理与岩体作为独立的材料组分考虑,在节理密集的情况下,时空两方面的计算开销可能是很难承受的.本文通过时域展开技术与一个简单的等效假定,得到了递推格式的粘弹性单向节理岩体的等效本构关系,及等效场的递推求解格式,并由此数值模拟了一个粘弹性节理岩体中的洞室,计算结果与考虑独立组分的ANSYS粘弹性分析进行了比较,二者的计算平均误差约为11.03%,但前者的计算效率为后者16.81倍.本文工作有可能为粘弹性节理岩体的数值模拟提供一条新的途径.     

基于西原模型的非线性黏弹塑性流变模型

在西原模型的基础上,引入能反映加速蠕变起始点的非线性黏塑性元件和瞬时塑性变形的塑性元件,建立了一个能完整反映蠕变全过程的非线性黏弹塑性流变模型. 在其一维流变模型结构的基础上建立三维的流变模型,推导三维流变方程,接着探讨了在三轴压缩试验中确定三维蠕变参数的方法,并对参数进行了敏感性分析. 用三轴压缩试验结果验证模型的有效性,结果表明模型能很好地模拟蠕变的三阶段,并且在多级偏应力水平下可以采用同一组蠕变参数.     

岩石材料的冲击开裂机理

基于爆燃压裂造缝原理,研制了可以模拟爆燃加载环境的岩石冲击开裂实验装置,为进行动载下的岩石开裂机理研究提供了实验手段。根据动量和能量守衡原理等,建立了冲击峰值压力和加压速率计算模型,模型计算结果与16次钢质岩心实验结果间平均相对误差分别为2.56%和4.04%,具有较高的精度。39次岩石冲击开裂实验结果分析表明,冲击能量和平均加压速率是影响岩石开裂以及开裂能否形成多条裂缝的主要因素;多条开裂裂缝的形成更大程度上取决于平均加压速率,且存在明显的临界平均加压速率;基于实验结果的灰色关联分析和多元二次多项式回归,建立的裂缝条数计算相关公式具有较高的精度,为油气田开发中爆燃压裂技术的机理研究和施工参数设计与控制提供重要的依据。     

压缩载荷作用下岩石类材料的断裂模式研究

为了解岩石类材料在压缩条件下的裂纹扩展规律,本文对含有内部倾斜裂纹的石膏板试件进行了双轴压缩实验. 研究表明:在通常情况下岩石裂纹按I 型张拉模式扩展,但随着裂纹表面摩擦系数μ和围压与纵向荷载比值λ的提高,翼裂纹扩展的偏转角随之减少.当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值足够大时,例如,μ=0.83和λ=0.315,岩石裂纹按Ⅱ型剪切模式扩展.然而,当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值进一步增加时,石膏板试件将发生强度破坏.本文提出了一个理论模型用以解释和描述这一实验现象.     

固体声弹性理论、实验技术及应用研究进展

固体的声弹性对于固体的应力状态超声无损测量具有极其重要的作用.康奈尔大学的鲍亦兴教授曾经总结了1984年以前的固体声弹性理论、实验技术及工程应用方面的研究成果.系统总结了最近20多年来固体声弹性的基本理论、实验技术及其在材料科学、岩土工程等领域应力状态超声无损检测应用方面的研究进展.      

水-岩作用对岩石抗压强度效应及形貌指标的实验研究

通过测定金川岩样的含水率以及水对岩石抗压强度,采用精度高达0.5μm的Talysurf CLI2000三维表面激光形貌仪,对经过矿井深部地下水作用前后的四种不同岩性的岩石试件进行形貌扫描,结合八个形貌参数作出定量分析对比。实验表明:矿岩遇水软化,岩石抗压强度降低,破坏时不属于脆性破坏,其原因可能就在于由于其中的粘土矿物吸水,当受力压缩时,水受压排出产生压密现象。水-岩作用后岩石表面形貌高度的离散性、粗糙程度变大,高度的分布概率更为集中,由负偏态变为正偏态且高度分布的对称性好于作用前。峰点算术平均曲度Ssc都有规律地降至0.62附近,更具协调性。