岩石单轴与三轴CT尺度裂纹演化过程观测

结合使用专用三轴压力仪与CT扫描仪,对砂岩和粉砂岩分别进行压缩试验并获得了系列CT图像。发现单轴压缩和三轴压缩时岩石试件均经历压密、扩容、CT尺度裂纹萌生、扩展、扩张、贯通和岩石宏观破坏阶段。在压密阶段和扩容阶段,CT图像无明显变化。采用密度损伤增量定量描述细观裂纹演化的集合效应。在CT尺度裂纹演化阶段,从CT图像出发描述裂纹的空间位置、形态、运动方向分析CT尺度裂纹演化对于岩石变形和强度的影响。裂纹模式图可揭示CT裂纹演化的规律。CT裂纹演化的基本特点是扩展与扩张的交替性。三轴条件下CT裂纹与主应力夹角较大,裂纹面较平直,裂纹扩张困难,呈现剪切破坏特点。     

岩石细观损伤过程的CT动态观测

采用宏观轴向应力与密度损伤增量结合分析岩石纲观损伤演化过程。根据ＣＴ图像可以求得岩石损伤过程中任意应力阶段任意区域岩石密度损伤增量,首次将任意区域岩石压密和扩容定量化。岩石密度损伤增量不仅可以反映岩石损伤程度,而且可以描述岩石损伤演化过程。进一步讨论表明,岩石密度损伤增量场能圆满地刻画岩石细观损伤状态和岩石细观损伤过程。     

岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析

利用最新研制的与CT机配套的专用加载设备,进行了三轴(单轴)荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的动态CT(Computerized Tomography)试验.得到了在不同荷载作用下岩石从微孔洞被压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏直到卸载等各个阶段清晰的CT图像.对得到的CT数等数据进行了分析,给出了应力损伤门槛值,得到损伤扩展的初步规律.     

压缩荷载下煤岩损伤演化规律细观实验研究

利用计算机层析摄影技术 (CT)进行了单轴压缩荷载作用下脆性煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律动态CT试验 ,得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩从微孔洞压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏以及峰值后各个阶段清晰的CT图像和CT数 .根据实验结果可把白皎煤矿煤岩细观损伤演化规律全过程分为 5个阶段 :损伤弱化阶段、准线性阶段、损伤开始演化和稳定发展阶段、损伤加速发展阶段、峰后软化阶段 .通过对CT数及其方差进行分析 ,得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩的损伤演化规律 ,为从细观尺度探讨微裂纹的发生、发展提供了依据 .     

单轴压缩荷载作用下煤岩损伤演化规律的CT实验

冲击地压是煤岩体损伤破坏的特殊表现形式，为了弄清冲击地压的发生机理，利用CT机及其配套专用加载设备，进行了单铀压缩荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律动态CT试验，得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩在从微孔洞压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏以及峰值后各个阶段清晰的CT图像和CT数。通过对CT数和方差等数据进行分析，得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩的损伤演化规律，为从细观尺度探讨微裂纹的发生、发展提供了依据，可进一步研究煤岩的宏观破坏及其本构关系。     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

基于CT图像的混凝土损伤演化分形特性研究

以单轴压缩条件下混凝土细观结构CT图像为研究对象,运用分形几何中的差分盒维数法计算出不同扫描断面不同应力阶段的CT图像分形维数,分析了加载过程中分形维数的变化特征,提出了相应的损伤变量,并建立了混凝土材料的损伤演化方程,描述了损伤变量与应变的关系。结果表明该方程可以体现出混凝土试件经历压密、扩容、微裂纹扩展、破坏四个阶段。     

三轴压缩单一裂隙砂岩细观损伤破坏特性CT分析

完成了含单一预制裂纹的裂隙砂岩三轴压缩条件下的细观破坏特性CT实时扫描试验.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.结果表明,与完整岩石试样一样,三轴压缩单一裂隙砂岩的破坏过程也可以分为线性发展阶段、细观裂纹萌生及发展阶段、损伤快速发展阶段和峰后损伤加速发展阶段等4个阶段,但是,由于已有裂隙的存在,裂隙岩石的损伤演化速度高于完整岩石的损伤演化速度,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,裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量.     

基于多晶离散元法的砂岩三轴压缩损伤特性

利用开源软件Neper生成Voronoi晶粒镶嵌体导入3DEC,建立考虑砂岩矿物成分的三维Voronoi多晶离散元模型.基于砂岩的实验室常规三轴压缩试验结果,进行了砂岩细观模型参数标定,开展了三轴压缩条件下非均质砂岩的细观损伤演化过程模拟.研究结果表明,低围压下岩石中产生的微裂纹主要为拉裂纹,伴随少量剪裂纹,而高围压下剪裂纹的生成数量明显增多,甚至峰值强度前剪裂纹的数量大于拉裂纹.试样内微裂纹的演化反映了砂岩在围压作用下的脆延性转化特性;砂岩出现明显的扩容现象,围压越大,扩容滞后越明显,且相应的扩容点应力占强度百分比增大.     

具有初始损伤的混凝土动态轴拉力学性能仿真研究

基于瓦拉文公式与蒙特卡罗方法并采用Matlab语言构建了随机骨料数值模型,在损伤断裂理论基础上通过Python编程语言于砂浆界面、骨料与砂浆界面和骨料界面嵌入黏聚力单元,建立了二级配混凝土黏聚力模型用于描述混凝土中裂纹萌生、扩展、演化和贯通全过程.以建立的细观模型为基础,对不同孔隙率以及不同微裂纹密度混凝土试件进行了不同应变速率下的动态拉伸加载,研究了混凝土动态轴拉力学性能.结果表明：混凝土轴拉峰值应力与孔隙率呈明显非线性关系,下降曲线为对数函数趋势,孔隙率增加后其对混凝土轴拉峰值应力削弱程度降低,具有初始孔隙的混凝土动态抗拉强度随应变速率的增加而提高.具有初始微裂纹混凝土随着微裂纹密度的增加其峰值应力下降,且动态轴拉强度同样具有速率效应.     

富钴结壳破碎细观机理实验研究

在单轴载荷作用下对原状深海富钴结壳破坏全过程的细观损伤扩展规律进行实时CT试验,得到不同载荷作用下钴结壳与基岩中孔洞和微裂纹被压密、微裂纹萌生、破坏卸载等各个阶段的CT图像;根据试验数据绘制钴结壳与基岩单轴压缩下应力-应变全过程曲线并对其分阶段进行分析,同时,对得到的数据进行分析.研究结果表明：钴结壳与基岩的损伤演化具有局部化现象和不均匀性,裂纹的扩展路径大致沿着高密度区与低密度区的分界面,其内部裂纹的扩展导致它被最终破坏,这可为构建钴结壳的损伤破坏本构模型、开发和设计深海钴结壳开采设备提供依据.     

含裂纹缺陷脆性岩石的峰值强度模型

在分析Ashby和Hallam含缺陷脆性介质峰值强度理论模型基础上,对其进行修正,并用修正的理论模型研究单轴作用下,含裂纹缺陷花岗岩试样的裂纹萌生、扩展、贯通和相互作用等因素对峰值强度的影响规律。通过与物理试验和数值模拟结果对比分析发现:修正后的Ashby-Hallam强度模型能定量地预测含缺陷岩石的峰值强度,以及定性分析峰值强度同裂纹缺陷密度和裂纹贯通密度的关系;含裂纹缺陷脆性岩体的峰值强度主要与贯通的裂纹数以及缺陷的分布和缺陷大小有关。     

三轴 CT 条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验

为了研究预崩解炭质泥岩在三轴条件下的细观应力变形及损伤演化规律,采用CT专用三轴试验加载设备对其进行三轴CT试验。试验在3种固结压力下进行,得到各试件的应力变形曲线以及在不同变形阶段3个扫描层的CT数、方差和CT图像。研究结果表明:该试验方法成熟、可行,为进一步深入分析炭质泥岩物理力学特性提供了新的方法;试件固结压力越大,峰值强度越高,其内部细观表现为颗粒的错动与融合,外部表现为中部鼓起,且无明显裂纹;变形形式主要为受力均匀变形,在低围压条件下具有应变软化特征;在初始条件下,试件具有明显各向异性特点,试验后期试件差异性减小;随着变形增大,试件损伤度也逐渐增大,其细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。     

基于CT图像处理技术的混凝土细观破裂分形分析

以单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化的CT图像为研究对象,借助于数字图像处理技术对CT图像进行了阈值分割,提取出了图像中的裂纹形态,分析了单轴压缩条件下混凝土内部微裂纹的萌生、扩展和贯通的全过程,并利用差分盒维数法估算出图像裂纹扩展的分形维数.在此基础上,获得了载荷、扩展裂纹及分形维数三者之间的关系.结果表明:在单轴压缩条件下,定义的分形维数随着裂纹的扩展逐渐增加,可将细观结构分形维数作为研究混凝土细观裂纹扩展的定量参数.     

基于裂纹扩展作用下的岩石损伤力学模型

在分析裂纹起裂与扩展规律基础上,考虑翼裂纹间的相互作用,提出了一种新的翼裂纹尖端I型应力强度因子计算模型.基于修正的翼裂纹扩展模型,考虑损伤演化对被激活微裂纹数目的影响,并结合宏-细观损伤定义之间的关系,建立了基于微裂纹扩展作用下的岩石损伤本构模型.最后,将理论模型曲线与试验曲线进行了比较分析.结果表明:修正的翼裂纹扩展模型不仅能够准确地预测翼裂纹的起裂角,而且能够准确地模拟从极短到很长的翼裂纹整个变化范围.基于裂纹扩展作用下的损伤模型能够连续地模拟不同围压下的应力-应变全过程曲线,而且能够较好地预测峰值强度.     

裂隙花岗岩卸载损伤破坏全过程CT实时试验

利用自制的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.得到了非常清晰的裂隙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,裂隙岩石的卸载破坏具有突发性.     

基于最大拉应变理论的岩石损伤机理

以岩石内部微元体为研究对象,研究了在宏观应力作用下微元体的应力分布特点.将微元体应力的分布按正态分布考虑,结合最大拉应变强度准则,提出岩石微元体破坏的控制条件是最大拉应变.据此建立了微元体的三种破坏方式,研究了不同破坏方式对岩石承载能力的影响,推导出各破坏方式发生的条件及概率,并将微元体的三种破坏与三个方向的损伤因子联系起来,实现了细观与宏观的结合.在此基础上,建立了考虑各向损伤异性的岩石损伤本构模型,推导了参数的求解方法.最后对该模型的合理性进行了验证,发现利用该模型能够很好地解释不同应力条件下岩石的破坏方式以及围压对岩石峰值强度和残余强度的影响规律.     

渗透压作用下压剪岩石裂纹损伤断裂机制

在研究渗透水压和远场应力共同作用下压剪滑移型岩石裂纹的起裂、扩展规律的基础上,考虑分支裂纹相互作用,建立压剪应力场和渗流场共同作用下岩石裂纹体的损伤断裂力学模型和考虑岩桥损伤所引起的附加应力强度因子演化方程,提出分支裂纹临界长度时裂纹尖端虚拟应力强度因子KI(LC)作为压剪岩石裂纹的损伤断裂贯通的破坏准则.研究结果表明:在既定裂纹分布下,分支裂纹尖端应力强度因子KI受侧压力系数λ、渗透压P、裂纹表面摩擦因数μ的制约;当轴向应力和裂纹面摩擦因数一定时,在低渗透压、侧向拉应力共同作用下,压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而在高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏.     

单轴受压高温损伤砂岩的电学响应特征

为研究高温损伤后砂岩的电学响应特征，对常温和经过200,400,500,600,800℃加热水冷却后的绿砂岩岩样开展了单轴压缩试验，并实时监测了岩样在压缩过程中的电阻率变化规律.结果表明：对应于岩石在单轴压缩过程中的压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹快速扩展阶段和破坏阶段，高温水冷却岩石电阻率的变化表现为电阻率小幅增加、电阻率平稳增加、电阻率增幅加大、电阻率急剧下降四个阶段.当加热温度低于400℃时，在初始压密段，电阻率变化率低于10%,当加热温度高于400℃后，在初始压密段电阻率变化率变化幅度增大，加热温度为800℃时，在初始压密段的电阻率变化幅度达50%左右，表明初始压密段电阻率的变化率可以反映岩石的初始损伤程度；当压力达到岩石峰值强度的80%～90%时，电阻率变化率达到峰值，随后出现骤降，说明电阻率变化率曲线的突降可以作为岩石发生破坏的电学前兆；电阻率变化的各向异性特征能够在一定程度上反映受压岩石最终贯通裂纹出现的位置，在潜在贯通裂纹附近的电阻率变化最为显著.     

受力岩石密度损伤增量及其数字图像

用ＣＴ图像定量分析岩石受力损伤破坏过程的难点，是难以知道岩石内部的绝对密度变化量。提出了密度损伤增量的新概念，推出了ＣＴ数与密度损伤增量的定量关系式，并把ＣＴ图像转换成密度损伤增量图像。通过与基于灰度变化的传统的ＣＴ图像分析方法比较，说明密度损伤增量图像的优越性在于不仅可定量分析受力岩石的损伤破坏过程，而且图像本身具有明确的物理意义。