煤岩破裂过程CT图像的分形描述

为实时观测煤岩细观破坏过程,采用中国矿业大学(北京)国家重点实验室工业CT检测系统,对煤岩单轴压缩破坏过程进行了CT扫描试验.利用分形理论对煤岩破坏过程CT图像进行分析,得到煤岩试样CT图像裂纹损伤扩展破裂过程的分形维数,计算结果显示CT图像计盒维数随应力的变化趋势与煤岩单轴压缩试件应力-应变曲线趋势吻合.研究结果表明,用半型高斯函数能够较好地描述煤岩试样在单轴压缩荷载作用下计盒维数随荷载的变化规律.     

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.     

构造煤组合体单轴加载下裂隙演化及分形规律

为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势,而峰值应力应变呈增大的趋势,组合体整体特性向构造煤的脆性特性靠近,破坏形式从剪切破坏逐渐过渡到拉伸破坏。随构造煤占比的增大,主裂隙扩展时间占比由14%增大至59%,主裂隙平均扩展速率由0.76 mm/s增长至2.34 mm/s,主裂隙角度平均变化速率由3.07°/s减小至0.70°/s,煤体交界处的主裂隙角度和主裂隙角度平均变化速率均逐渐减小。随着不断的加载,组合体分形维数逐渐增大,各峰值应力处分形维数普遍分布在0.99～1.31。随着主裂隙角度的变化,全原生质煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐减小,全构造煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐增大,其他占比的构造煤组合体不同角度的主裂隙分形维数均先增加后减少,且其变化均发生在各自的煤体交界处。揭示了不同占比的构造煤组合体在加载过程中的裂隙扩展与角度的有关变化规律,为煤矿安全开采提供理论依据。     

基于数字图像的花岗岩双轴压缩数值试验研究

以花岗岩室内试验为基础,研究花岗岩基于数字图像的二维颗粒离散元模拟方法.根据拍摄的花岗岩照片,运用数字图像技术重构花岗岩真实的细观结构模型.基于重构的细观结构模型建立相应的数值模型,采用颗粒流程序(PFC),通过单轴压缩试验,标定PFC模型参数,利用二维数值双轴试验方法研究花岗岩的力学特性,并从细观上探讨花岗岩的变形破坏机制.研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行了对比分析.研究结果表明:基于数字图像的花岗岩双轴压缩试验模拟获得的花岗岩强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;基于数字图像的二维颗粒离散元法可以描述花岗岩这类具有明显非连续性特征材料在单轴、双轴受压状态下的细观破坏特征,可为进一步研究非均质材料在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础.     

含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析

含硫胶结充填体随着养护龄期的延长会出现膨胀开裂现象,存在明显裂隙的充填体试件再进行单轴抗压强度测试其结果十分离散,已不能有效地获得充填体力学参数.在室内进行配比试验,采用数字图像处理技术对得到的充填体表面裂隙图像进行二值化、去噪等预处理,而后计算其分形维数并分析其演化规律,且将分形维数与单轴抗压强度关联分析.研究结果表明:充填体试件面表的裂隙存在自相似性,表面裂隙越发育,其分形维数越大;分形维数与单轴抗压强度存在负相关关系,分形维数越小,其单轴抗压强度越高;分形维数可判别含硫充填体试件的完整性,当充填体表面裂隙的分形维数小于某阈值时,强度试验的结果更为可靠.     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

裂隙砂岩破坏过程中的能量耗散与破碎分形特征研究

对不同裂隙倾角的裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验,分析了试件变形破裂过程中的应变能演化特征,基于分形理论定量描述了最终破坏后碎屑尺度分布的分形特征,初步探究了能量耗散与破碎分形维数之间的力学机制。研究结果表明：随着裂隙倾角增加,裂隙砂岩试件的抗压强度和耗散应变能均呈现出先减小后增大的变化规律;数据拟合结果表明两者之间存在正相关关系。试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,不同裂隙倾角试件的分形维数介于2.58～2.64;分形维数随裂隙倾角的变化规律与抗压强度类似,两者近似呈线性相关关系。此外,试件的抗压强度越高,破坏时释放的耗散应变能越多,试件破碎程度越严重,所产生的微、细粒碎屑占比增大,导致分形维数变大;数据拟合结果表明耗散应变能和分形维数之间具有线性正相关关系。     

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。     

考虑界面倾角及分形特性的组合煤岩体强度及破坏机制分析

为深入研究分界面对组合煤岩体力学行为的影响,设计25个不同界面分形维数及倾角的组合体试验模型,运用RFPA软件对其力学特征及破坏机制进行数值试验研究。计算结果分析表明:界面倾角及分形维数对组合体的破坏强度、破裂形式、弹性模量及损伤有明显的影响:随界面倾角增大,破坏强度逐渐降低,组合体的破坏形式由煤样内部剪切破坏逐渐转变为煤样分界面滑移破坏;随界面分形维数的增加,破坏强度与弹性模量均逐渐增大,并且界面倾角越大,界面分形特征对组合煤岩体弹性模量的影响程度越大;随着分形维数的增大,组合煤岩体的损伤值逐渐降低,两者呈上凸形二次曲线的函数关系,且分形维数越大,损伤值降幅也越大。     

煤岩体裂隙集度演化理论模型

为了描述煤岩体内裂隙演化对其宏观力学特性的影响,引入了裂隙集度参量,从热力学平衡方程出发,推导出裂隙集度演化方程;根据岩石试件单轴压缩的全程应力应变实验结果,给出了单轴压缩下的裂隙集度演化方程和考虑裂隙集度对煤岩体力学性质影响的非线性弹性裂隙演化本构方程;通过单轴压缩煤岩试样实验数据值与理论值对比,两者吻合度相当高,证明了理论分析及其理论模型的正确性。