煤层冲击倾向性评价的新指标体系

基于煤岩微元强度的韦伯分布假设和连续介质损伤力学理论,建立单轴压缩下考虑残余强度的损伤统计本构模型,修正了动态损伤应变计算式,结合损伤因子、损伤速率和损伤加速度研究了煤样的损伤演化规律和煤层冲击倾向性的评价指标,并利用最小二乘法对实验数据进行反演得到反映实验曲线的本构方程,且验证了其正确性。结果表明:考虑残余强度的损伤统计本构模型能较好地反映煤岩峰值强度后的应力-应变曲线的变化趋势和残余强度特征点,并可得到损伤速率的最大值;修正后的动态损伤应变在间接表征冲击倾向性实验的动态破坏时间时可不再受加载方式的限制;提出的盈余能指数变化率指标可综合衡量盈余能、峰后破坏过程损耗的应变能、动态破坏时间的变化情况,衡量煤层冲击倾向性;以最大损伤速率、修正后的动态损伤应变和盈余能指数变化率构成的指标体系可作为评价煤层冲击倾向性的新方法。     

基于Lade-Duncan强度准则的统计损伤本构模型及其修正研究

在损伤力学理论基础上,根据Lemaitre应变等价性理论,并假定岩石微元强度服从Weibull随机分布,在微元强度度量方法上考虑损伤阀值的影响,结合Lade-Duncan强度破坏准则,建立了统计损伤本构模型。通过岩石三轴应力-应变试验曲线对模型进行验证,拟合效果良好;并针对模型不能反映残余应力阶段特征的不足进行修正。用公式法代替比较法求取损伤修正参数,建立了更加完善的统计损伤本构模型。通过与未修正模型对比发现,修正后的统计损伤模型能更好的模拟岩石破坏全过程的应力应变关系并能表征岩石残余强度特征,从而验证了该模型的合理性和可行性。     

基于熵权-理想点法的煤层冲击倾向性分类

针对目前采用的煤层冲击倾向性判别方法存在的不足,基于理想点法的基本原理,选取动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度作为评判指标,通过信息熵理论确定各指标的权重系数,建立基于熵权-理想点法的煤层冲击倾向性判别分类模型,并将该模型应用在实验室实测煤样的冲击倾向性分类中.研究结果表明:熵权-理想点法的判别结果与综合判定方法结果相同,且符合实际情况,从而验证了该方法用于煤层冲击倾向性分类的合理性和有效性.     

用于分析岩爆倾向性的剩余能量指数

通过分析岩石变形破坏过程中的能量变化,提出以岩石在峰值强度前储存的弹性应变能和峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之差(即剩余能量)与峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之比作为剩余能量指数,以反映岩石在峰值强度后区的动态特性;推导了剩余能量指数计算公式,并给出了其试验测定方法.此外,分析了将剩余能量指数作为岩爆倾向性指标的合理性,并采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行了峰值前的循环加、卸载试验和变形破坏全过程试验,结合该矿床实际岩爆资料,对剩余能量指数与现有基于能量理论的岩爆倾向性指标进行对比分析,结果表明该指标能够较好地反映岩石的岩爆倾向性.     

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.     

不同厚度充填体—围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力-应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa,峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生“X”形剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好地表征不同充填体厚度试件的全过程应力-应变曲线,验证结果表明模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

Q2黄土的结构损伤演化分析

通过西安地区不同含水量的Q2黄土的单轴无侧限压缩试验研究表明,Q2原状黄土的单轴应力应变关系呈强软化型,峰值强度前曲线近似呈线形,峰值强度后的指数型应力应变关系可以用含损伤变量的线弹性本构方程描述。对应力应变门槛值及损伤演化规律的分析和探讨认为:损伤的应变门槛值εc几乎不随着含水量的变化而变化,而损伤的应力门槛值σS及初始弹性模量E0则随着含水量的增加分别呈指数和线性减少;以强度劣化和刚度劣化来描述的损伤均适用于描述水敏性Q2黄土的损伤演化。     

不同冲击倾向性煤体变形破坏声发射特征

为更深入地了解不同冲击倾向性煤体变形破坏的声发射特征,选取具有强、弱、无三种典型冲击倾向性的煤岩试件进行单轴压缩条件下的声发射试验.试验结果表明:冲击倾向性煤体声发射活动具有明显的阶段性,与应力的变化关系密切,无冲击倾向性煤体的声发射活动在整个变形破坏阶段表现活跃,阶段性不明显,不同冲击倾向性煤体在临近破裂失稳时均有大量高能量声发射信号出现,能量大小相差一个数量级,定义能量峰值前能量释放速率与能量峰值后能量释放速率的比值为Ev,Ev能够很好的表现出不同冲击倾向性变形破坏过程的能量释放特点,可以作为评价煤层冲击倾向性的新指标.     

基于四参数等效应变的各向同性损伤模型

针对Eoland和Mazars各向同性损伤模型关于峰值应力前后应力应变曲线假设的缺陷,做了两点改进：(a)认为应力峰值前后d—s均为非线性关系;(b)根据Hsieh—Ting-Chen强度破坏准则的基本思想,给出了一种新的用于各向同性损伤模型的四参数等效应变．该等效应变不但可以用于描述单轴应力状态下混凝土的本构关系,而且能描述多轴应力状态下混凝土的本构关系．数值算例验证了所给等效应变的合理性,从而说明了修改过的Mazars损伤模型的正确性．     

岩石损伤本构模型及稳定性分析中的应用

从损伤力学出发,考虑Mohr-Coulomb准则的损伤门槛以及Hoek-Brown强度准则的残余应力,基于岩石强度的Weibull分布假设,提出一种新的岩石损伤本构模型。结果表明此岩石损伤模型能较好地反映岩石应力-应变全曲线;通过损伤模型对岩体强度与变形规律的分析,计算出CDP模型参数,用ABAQUS进行数值模拟。从能量的角度研究结构的破坏过程,用最大弹性变形能来判别结构破坏。结果认为岩体的强度破坏实质上是稳定性问题,属于极值点失稳;并结合塑性区贯通验证合理性,对于研究岩石、混凝土损伤及稳定性有一定的参考价值。     

钢纤维再生砖骨料混凝土损伤本构模型研究

基于应变等效原理与钢纤维再生砖骨料混凝土(SFRBC)微元强度服从Weibull统计分布的规律,建立了SFRBC的统计损伤本构模型.为更好地反映SFRBC实际受压情况,考虑材料残余强度修正系数与损伤应变阈值对模型的影响.基于分布参数模型曲线,拟合出考虑纤维掺量的纤维因子与分布参数的表达式,得出了以纤维因子为变量的统计损伤本构曲线,并与试验结果进行对比.结果表明:修正后的理论曲线与试验曲线符合较好,能有效反映钢纤维掺量的增加、SFRBC的韧性增强及宏观平均强度提高等特点.通过分析SFRBC的累计损伤演化过程可知:纤维掺量的增加可有效延缓SFRBC在峰后的累计损伤发展以及损伤发展速率,模型曲线的下降度应变硬化明显,其韧性及延性随纤维掺量的增加而得到不同程度的增强.     

冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型

为研究冻融砂岩受载过程中的损伤劣化规律,首先,对冻融0,25,50,75和100次的砂岩进行单轴压缩试验,获得不同冻融循环后损伤砂岩的应力-应变关系以及破坏模式;其次,基于能量演化及能量分配规律,分析不同冻融次数砂岩的损伤特性;最后,提出利用耗散能变化规律确定应力-应变曲线分段压密点的方法,建立冻融砂岩的分段损伤本构模型。研究结果表明：砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低,砂岩的破坏模式逐渐由剪切破坏为主向张剪复合破坏转变;破坏后的裂纹数量逐渐增多,破坏表现为由脆性逐渐向延性破坏过渡;峰值应力处的总能量、弹性能、耗散能均随冻融次数增加,表现出“减小—增加—减小”三段式变化规律;弹性能耗比(耗散能与弹性能的比值)的最小值K_min是判断砂岩从稳定状态转向非稳定状态的重要标志,是冻融砂岩破裂前的预兆指标。基于冻融和受荷损伤因子,建立了考虑压密段的分段损伤本构模型,能够更合理地描述冻融损伤砂岩的变形破坏过程。     

碾压混凝土的动态力学特性分析及损伤演化本构模型建立

为了深入认识碾压混凝土的动态力学特性,参考实际水工混凝土大坝工程制备试样,借助改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置测定碾压混凝土的动态性能,得到不同级配碾压混凝土试样在动态冲击荷载下(应变率为25～80s-1)的应力-应变曲线,分析其强度和变形特性、破坏形态和吸能特性,并建立基于Weibull分布的损伤演化本构模型。研究结果表明:碾压混凝土强度较低,加载过程中应力发展不充分,其应力-应变曲线呈现1个明显的平台阶段;碾压混凝土的峰值应力、峰值应变、单位体积吸能率均随加载应变率的提高而增大,并满足二次多项式关系;建立的统计损伤演化模型可以有效地描述碾压混凝土在动态冲击荷载下的力学行为,理论结果与实验结果吻合较好。     

煤层冲击倾向性变权重可变集分类识别

针对煤层冲击倾向性评价的模糊不确定性问题,为准确合理地评判冲击倾向性强弱,提出变权重可变集分类识别模型。模型选取动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度作为分类指标,采用CRITIC法计算指标客观常权,利用指标数据与指标分类标准值区间的关系求解指标客观变权,最后运用博弈论对主客观权重进行优化集成,得到评价对象的变权权向量。引入可变集理论合理确定评价指标对各类别指标标准值区间的相对差异度,建立冲击倾向性可变集评价模型,依据类别特征值判断评价对象的隶属类别。实例表明,该方法较好地考虑了模型参数与样本指标权重的可变性,能科学合理地评价煤层冲击倾向性,识别结果更为可信,为煤岩冲击倾向鉴定与冲击地压危险性预测提供了新的方法和思路。     

基于单元应变能变化率的结构损伤识别方法

针对梁类结构,根据单元损伤前后的模态应变能变化率,推导了新的损伤位置识别指标,并利用结构在损伤前后模态应变能变化与频率变化的关系提出了损伤程度评估指标.悬臂梁的数值模拟分析结果显示:损伤位置识别指标在损伤单元对应的结点处呈现显著的正号峰值,能够清楚地指示损伤位置;损伤程度识别指标对于单一损伤工况的损伤程度估算结果较接近于实际损伤程度,但对于多点损伤工况的损伤程度估计值偏小.所提出的损伤指标仅根据结构损伤前后的低阶模态频率和模态曲率即能达到较好的损伤识别效果,可应用于实际结构中.     

冲击荷载作用下含黏结界面混凝土破坏特征与应力应变分析

为研究冲击荷载下板式无砟轨道结构蒸养混凝土与自密实混凝土层间界面的破坏行为,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含黏结界面混凝土进行冲击试验,并就其破坏特征和应力应变全曲线特性以及损伤本构方程进行探讨.结果表明：含黏结界面混凝土在动态冲击荷载作用下存在界面脱黏分离和整体破碎两种失效模式.界面脱黏分离失效模式下,随着应变率的增加,含黏结界面混凝土的动态抗压强度、强度动态提高因子(DIF)、峰值应变、冲击韧性均增加,具有明显的应变率敏感性;整体破碎失效模式下,界面脱黏变形和破碎变形同时存在,随着应变率的增加,裂纹向界面区域累积、拓展,界面起到了能量缓冲的作用,此时含黏结界面混凝土动态抗压强度、DIF基本不变,而峰值应变和冲击韧性增加.所建立的基于Weibull分布的本构模型与试验结果吻合较好,尤其对峰前应力应变曲线有很好的匹配性.     

混凝土含损伤的摩尔-库伦强度模型试验研究

对100mm×100mm×100mm立方体混凝土试块,利用真三轴设备,在平面应变条件下进行静态加载试验.试验数据表明,在压剪破坏条件下,混凝土材料的峰值强度和残余强度都遵守摩尔-库伦强度准则,残余强度的内摩擦角高于峰值强度的内摩擦角,残余强度的内聚力低于峰值强度的内聚力.进一步分析认为,混凝土的抗剪切承载能力包含内摩擦力和等效内聚力,在到达峰值点和过了峰值点之后,实际内摩擦力达到残余强度公式的计算值;混凝土的等效内聚力随着剪切变形的增加逐渐衰减,即使在测量强度的加载过程也是如此;对应于峰值强度线与残余强度线的交点,存在一个大小轴平均应力临界值,在保持大小轴平均应力恒定的条件下进行加载,如果所述平均应力小于该临界值,则剪应力-剪应变关系曲线出现下降段,如果大于该值,则不出现下降段.     

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

基于Mogi-Coulomb统计损伤本构模型及渗透性突变的研究

摘要：在基于Lemaitre应变等价性理论和岩石微元强度服从 Weibull 随机分布的基础上,引进Mogi-Coulomb准则作为岩石微元强度的表示方法,并深入研究岩石压缩破坏过程中损伤变量的变化规律,建立了统计损伤本构模型,该模型可以较好的反映岩石在不同围压下压缩破坏对应的损伤阀值。通过岩石三轴应力–应变试验曲线对模型进行验证,并与基于Drucker-Prager和Mohr-Coulomb准则的损伤模型的模拟曲线相比较,表明基于Mogi-Coulomb准则的损伤模型能较好的模拟岩石应力应变关系,特别反映了不同应力状态对损伤阀值的影响及岩石低应力水平的线弹性特性。最后将考虑损伤阀值且基于Mogi-Coulomb准则建立的损伤统计本构模型应用于岩石渗透性突变点和对应的临界破坏强度的研究,本模型的预测值与试验值较吻合,表明该模型的合理性和可行性,具有良好的应用前景。     

初始损伤对脆性岩石抗压力学性质的影响

基于现有各向同性损伤本构理论,提出岩石初始损伤定义及其计算方法。初始损伤表示为加载前的损伤岩石弹性模量相对无损岩石弹性模量的劣化程度。对不同初始损伤的玄武岩试样进行单轴抗压试验,定量分析初始损伤对玄武岩的应力与应变关系、强度、破坏应变、初始泊松比和应变软化性质等的影响,给出单轴抗压强度、初始泊松比等力学参数随初始损伤变量变化的规律及拟合公式。研究结果表明:只有当岩石初始损伤超过损伤门槛值即无损岩石破坏时对应的损伤值时,岩石抗压强度随初始损伤增大而显著减小;与峰值应力对应的应变随初始损伤增大而近似呈线性增大趋势;岩石初始泊松比随初始损伤增大近似呈指数增大;初始损伤越小,应力峰值后的岩石破坏越显脆性。