类岩石材料声发射参数与应力和应变耦合本构关系

利用液压伺服试验系统和声波监测仪开展了岩石和混凝土材料声发射特性试验研究,并在试验基础上研究了损伤变量与声发射参数之间的量化关系.结果表明,损伤变量与声发射参数呈线性关系.采用基于Weibull分布的损伤本构模型及损伤变量与声发射数间的经验公式,推导出应力、应变参量与声发射数参量的耦合模型,该模型参数可以根据应力--应变全曲线及损伤变量与声发射数关系曲线的几何边界条件确定其表达式,方式简单适用.通过与岩石和混凝土试样单轴压缩试验实测结果对比,证实模型可以很好地反映单轴受压状态下岩石和混凝土的应力、应变与声发射数的耦合关系.     

单轴压缩下土体声发射参数与力学参数关系研究

为探讨土体在单轴无侧限压缩下的声发射能量累计数与应变、应力、损伤变量之间的关系,利用美国物理声学公司(PAC)的Sensor High-wayⅡ全天候结构健康检测(SHM)系统和AEwin信号采集与分析一体化软件对不同含水率的试件进行实验。分析了不同含水率试件各阶段的声发射参数、应力分布规律,并从时间角度出发,根据土体声发射能量累计数与时间、应变与时间的拟合关系,构建出土体无侧限单轴压缩下能量累计数与应变的关系模型;基于威布尔分布及连续损伤力学的本构方程,进一步推出声发射能量累计数与应力、损伤变量耦合的声发射损伤模型。通过实验数据对建立的本构模型进行对比验证,总体吻合度较好,能为研究土体损伤的提供理论上支持。     

不同骨料粒径混凝土声发射特性分析

通过研究3组普通混凝土轴心受压试件,以不同粗骨料最大粒径作为变量,研究其应力-应变曲线特征及损伤破坏特征.利用声发射技术,研究不同粗骨料粒径普通混凝土的声发射特性,从声发射波速、能量参数、空间定位分析、损伤演化规律等角度综合评价材料特性.结果表明:混凝土的强度指标及变形性能可通过应力-应变全阶段曲线较好地反映,随粗骨料粒径增大,强度呈下降趋势,但骨料间的咬合作用明显增强.声发射波速受材料的密实程度、骨料粒径尺寸影响较大,存在随粗骨料粒径增大、波速下降的趋势.从能量角度分析破坏的全过程,应力水平-累计能量曲线4个阶段特征分明,将事件数引入材料损伤本构方程建立不同粗骨料粒径下的损伤演化模型,对实时、定量评价材料损伤程度具有较高精度.     

声发射能量累积与煤岩损伤演化关系初探

为了寻求煤及岩石在受载破坏过程中能量积累与应力应变之间的关系,分别对煤矿的煤和泥岩进行了单轴加载及声发射试验,得到了煤岩试样单轴加载试验过程中声发射能量累积、应力与应变之间的关系曲线。利用损伤力学基本原理和热力学定律,理论推导了煤岩损伤演化方程,进而得到损伤与声发射能量累积关系曲线,通过拟合损伤与声发射能量累积关系曲线初步推导得到了声发射能量累积与应力应变的理论关系,并通过试验结果验证了能量累积与应力应变关系。     

高温下岩石损伤本构模型研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,根据岩石微元强度服从Weibull随机分布的特点,定义了弹性模量为岩石热损伤变量,推导了岩石的热损伤演化方程,引入岩石应力—应变曲线特征参量,同时考虑了岩石全过程应力—应变曲线的峰值条件和几何条件,建立了温度效应下岩石的损伤统计本构方程,并通过试验进行验证。试验结果表明:随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至破坏四个阶段;随着温度的增加,岩石的初始热损伤不断加剧,600℃是花岗岩热损伤的阀值点;损伤本构理论曲线与试验曲线较吻合,所建立的本构模型在岩石峰值前后的拟合明显高于传统方法,但也存在一定的偏差,可能由于在方程建立及参数的确定过程中,进行的假设和忽略对方程的精度产生了影响,本文的研究对建立高温三轴状态下的岩石损伤本构模型具有一定的参考价值。     

基于蠕变损伤的P91钢应力-应变本构关系

高温下材料的本构关系和时间相关,可以由高温等时应力-应变曲线表示。对P91钢分别进行高温(600℃)短时拉伸实验,高温蠕变100、500和900 h实验之后的高温短时拉伸实验,以及完整的蠕变断裂实验。结果表明:用高温等时应力-应变曲线描述P91钢高温蠕变损伤后的本构关系极为保守。由此,引入寿命分数参数定义材料的高温蠕变损伤,获得了P91钢发生高温蠕变损伤后材料抗拉强度与蠕变损伤的关系,修正了高温等时应力-应变曲线,建立了基于蠕变损伤的P91钢应力-应变本构方程。     

热-力耦合作用下花岗岩蠕变损伤模型

热-力耦合作用下的岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性废料处置工程影响显著。基于20～300℃下的花岗岩蠕变试验,分析温度对瞬时应变和蠕变应变速率的影响,由此认为温度对花岗岩瞬时弹性模量造成瞬时损伤并促进后续蠕变损伤过程,从而定义瞬时、蠕变热损伤变量。构建广义Kelvin热损伤模型和黏塑性热损伤元件,采用Heard指数型模型描述花岗岩稳态蠕变行为,串联后得到一个新的热-力耦合作用下的花岗岩蠕变损伤模型。给出模型参数求解方法,分析瞬时、蠕变热损伤变量变化规律,通过辨识三种花岗岩的蠕变试验数据,验证所建模型的合理性和适用性。研究成果为热-力耦合作用下花岗岩蠕变行为模拟及深部地下工程、高放射性废料处置工程长期稳定性研究提供一定参考。     

温度作用下花岗岩力学性质实验研究

对实时高温作用下(常温～850℃)和高温作用冷却后(常温～1300℃)花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研究,得到了实时高温作用下花岗岩的全应力-应变曲线、高温作用冷却后岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征。试验结果表明:实时高温作用下,花岗岩强度等力学性质连续劣化;高温作用冷却后,花岗岩在200℃～600℃的温度区间内出现了一个随温度升高强度不降反增的异常现象,在850℃之后,岩样强度降低,呈现出较明显的塑性特征,花岗岩结构发生脆塑性转变的相变行为;岩样承受900℃以上高温作用后,声发射信号强度降低,持续时间增长,尤其在峰值强度之后,残余塑性变形释放出较密集的声发射信号。随着岩样所受温度的升高,出现突发密集声发射信号的时间点延迟。     

单轴压缩下松软煤样破裂损伤演化特性研究

为定量分析松软煤样在压缩过程中的破裂损伤演化特性,对自制正方体松软型煤进行单轴压缩试验,利用无损监测装置——声发射检测系统采集煤样内部损伤的声发射信号,使用非接触式全场应变测量系统采集煤样表面的数字散斑图像,讨论了单轴压缩下煤样的声发射振铃计数、能量与加载过程的对应关系,对比分析了有无预制钻孔煤样的声发射特征,运用数字图像相关方法统计了煤样表面散斑点数,提出了用以表征煤样内部损伤的以累计振铃计数为基准的振铃损伤变量,用以表征煤样表面损伤的以散斑数为基准的散斑损伤变量,获得了煤样损伤变量曲线。研究表明,无预制钻孔煤样声发射活动更加剧烈,能量幅度更高,钻孔的存在破坏了煤样的整体性,降低了煤样强度;声发射参数曲线与散斑数曲线均与煤样的加载曲线存在着分段对应的关系;振铃损伤变量曲线和散斑损伤变量曲线均可表示煤样的损伤演化过程,煤样内部和表面的损伤特征相互印证,综合分析更能准确的表达煤样的损伤情况。     

热损伤大理岩波动特征及声发射特性试验研究

对常温至800℃热作用后大理岩波动特征及单轴压缩过程中的声发射特性和损伤演化进行研究，结果表明：高温后大理岩体积变大，质量与密度减小，600℃是质量与密度变化的阈值温度；随温度升高，峰值应力和弹性模量先增大后减小，峰值应变单调增加，纵波与横波波速呈线性下降，频谱面积、主频幅值和振幅下降，但下降速率逐渐减小；声发射振铃计数与应力-应变曲线有较好的对应关系，能够反映大理岩不同阶段的损伤演化规律；高温使大理岩由突发性破坏向渐进性破坏发展，破坏模式由剪切破坏向劈裂破坏转变.     

基于最小能耗原理的花岗岩蠕变损伤分析

为了研究花岗岩蠕变损伤特性,采用MTS815.02岩石力学测试系统对花岗岩试样进行了三轴加载试验和分级加载蠕变试验,基于最小耗能原理、广义胡克定律和应变等效原理建立了弹性损伤方程和改进了非线性损伤蠕变模型,分析了花岗岩损伤变量与泊松比之间的变化规律和蠕变损伤过程.研究结果表明基于能量原理并结合任意阶段应力应变状态的损伤方程更合理地描述了岩石损伤发展过程.在耗能过程中损伤泊松比对岩石损伤起重要作用,损伤变量随着泊松比的增加而非线性增加,并逐渐趋于稳定,改进模型计算结果与试验曲线相吻合,较好地描述了岩石衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变的全过程;在岩石蠕变前期损伤速率较为平缓,进入加速蠕变阶段后随着微裂纹在强度弱化区汇聚,损伤速率直线升高且损伤变量突然增大.     

岩石变形全过程冻融损伤模型及其参数

寒区岩石受到荷载及冻融循环的作用,考虑岩石微元破坏的特点,将其简化为冻融损伤、受荷损伤及未损伤3部分组成。基于损伤力学理论,通过探讨冻融损伤变量、受荷损伤变量以及总损伤变量之间的关系,假定岩石微元破坏符合D-P准则,建立冻融与荷载作用下考虑残余强度的岩石损伤本构模型,并由冻融砂岩力学特性试验验证其合理性;在此基础上探讨了模型参数对岩石损伤本构关系的影响。结果表明:不同冻融次数及围压作用下的模型理论曲线与试验曲线较为吻合,较好地描述了岩石变形的全过程;模型参数对岩石损伤前及破坏后残余段的应力应变曲线几乎没有影响,但对损伤阶段的影响较大。研究成果将会对寒区岩石损伤演化认知具有较好的参考价值。     

基于MTS-AE单轴压缩下的煤岩损伤特征

基于MTS-AE单轴压缩条件下,对煤岩损伤、变形与破裂过程进行了测试;运用损伤变量理论,分析单轴压条件下煤样损伤破裂阶段的声发射能量-应力/应变参数与损伤变量之间的内在联系与特征规律。研究结果可对现场安全开采提供一定的理论指导。     

碱矿渣混凝土动态压缩性能试验及数值模拟研究

为研究碱矿渣混凝土(AASC)材料的动态压缩性能及损伤破坏机理,以应变率(39 s~(-1)、57 s~(-1)、75 s~(-1))为变量,开展了动态压缩性能试验;并对试验结果进行分析,获得三种应变率条件下该材料的应力-应变关系曲线。曲线分析显示其峰值应力和应变均随应变率的提高而增大,表明AASC属于应变率敏感材料。采用HJC本构模型开展动态压缩数值模拟,结果显示应力-应变关系曲线数值模拟结果与试验结果较为吻合,其累积损伤破坏过程是由中心向外围逐渐破坏。     

碱矿渣混凝土动态压缩性能试验研究及数值模拟

为研究碱矿渣混凝土(AASC)材料的动态压缩性能及损伤破坏机理,以应变率(39 s~(-1)、57 s~(-1)、75 s~(-1))为变量,开展了动态压缩性能试验;并对试验结果进行分析,获得三种应变率条件下该材料的应力-应变关系曲线。曲线分析显示其峰值应力和应变均随应变率的提高而增大,表明AASC属于应变率敏感材料。采用HJC本构模型开展动态压缩数值模拟,结果显示应力-应变关系曲线数值模拟结果与试验结果较为吻合,其累积损伤破坏过程是由中心向外围逐渐破坏。     

结构性黄土的修正Duncan-Chang模型

为了实现原状湿陷性黄土结构性与其本构模型研究的统一,解决软化型应力-应变曲线的切线刚度矩阵正定性问题,通过研究原状结构性黄土在不同含水率和固结围压条件下由增湿、固结作用和剪切变形引起的结构性损伤规律,建立可以反映结构性变化的修正非线性Duncan-Chang模型.该模型考虑了增湿和加荷对土体结构的损伤破坏,把含水率作为一个重要的变量,用一族具有相同初始切线模量和不同极限强度的双曲线来求取当前应变状态处的切线模量,能够统一描述结构性黄土的应变软化和硬化型应力-应变关系曲线,形成解决原状湿陷性黄土增湿和应力耦合条件下变形及强度计算问题的新方法.     

初始温度条件下全尾胶结膏体损伤本构模型

膏体充填料到达采场初始温度不同是矿山存在的普遍现象,不同初始温度条件下膏体力学特性及应力-应变关系直接影响到矿山采充周期及相邻采场开采时贫化指标.通过对初始温度为2、20、35和50℃的硬化膏体进行单轴抗压强度试验,获得不同初始温度下充填体应力-应变演化曲线.根据理论推导和试验结果,建立了不同初始温度下膏体损伤本构模型,通过本构模型参数回归,提出膏体温度-时间耦合损伤本构模型.最后,采用Comsol数值模拟软件,将温度-时间耦合损伤本构模型嵌入solid mechanics模块,对单轴抗压试验进行数值模拟,模拟应力-应变曲线与试验结果较为吻合,验证了所提出本构模型的可靠性.     

单轴压力下岩爆倾向岩石的声发射特征

在电液伺服刚性试验机上,对某矿一种具有岩爆倾向的岩石进行声发射研究,得出了声发射参数与岩石应力-应变曲线对应关系.声发射数统计和声发射波形频谱分析结果表明在加载过程中,应力达到一定水平时声发射数发生突跳,声发射频谱由低频向高频发展,到一定应力水平后基本保持稳定,能量由低频向高频集中,声发射突跳点与主频转换点应力水平基本一致,这对硬岩矿山岩爆预报有一定的指导意义.     

基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型

提出考虑宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型。首先介绍仅考虑微裂纹等细观缺陷影响的岩石损伤本构模型及仅考虑节理等宏观缺陷影响的岩体损伤本构模型,其次基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏观和细观缺陷耦合的复合损伤变量,从而建立基于宏观和细观缺陷耦合的节理岩体损伤本构模型,最后通过引用岩石单轴压缩试验资料对模型合理性进行验证。研究结果表明:该模型能够较好地同时反映宏观和细观缺陷对岩体应力应变曲线的影响。同时采用该模型对含不同倾角的单节理岩体和含多条平行节理的岩体在单轴压缩荷载下的应力应变曲线进行分析,所得结果与相关文献中的试验及理论结果具有很好的一致性,说明了该模型的合理性。     

花岗岩受压宏-细观破坏特征及能量演化规律

为揭示花岗岩单向受压时的破坏特征及能量演化规律，首先，通过偏光显微镜观察分析了花岗岩的矿物成分、含量及颗粒形貌；其次，开展了花岗岩的室内单轴压缩及巴西劈裂试验，得到了相关应力应变曲线及力学参数；然后分别从宏-细观角度分析了花岗岩单轴压缩的破坏特征，并借助场发射扫描电子显微镜观察了破坏断口的形貌特征；最后，基于能量理论分析了花岗岩在单轴压缩过程中的能量演化特征。结果表明，花岗岩属于典型的非均质脆性岩石，其单轴压缩应力应变曲线几乎没有屈服阶段，弹性阶段应力达到峰值后瞬间爆裂，且无残余强度；花岗岩单轴压缩破坏机制为剪、拉耦合破坏，且二者空间分布位置不同；花岗岩在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能，这是孕育岩爆的根本原因，而花岗岩单轴压缩过程中能量的演化不存在减速损伤阶段和残余损伤阶段，这是导致岩爆产生的主要原因。