花岗岩在微波照射下的损伤研究

基于采用微波能量预先弱化岩石的方法可以有效的降低岩石强度这一理论。本文先通过对花岗岩试件进行一定条件下的微波照射及劈裂试验,再利用ANSYS软件建立简化的二相岩石模型,模拟不同功率密度和照射时间下模型内部的温度分布和应力分布。结果表明：一定功率下,随着微波照射时间的增加,花岗岩试件抗拉强度逐渐降低,降低速度先快后慢,存在一个最佳照射时间范围。而采用高功率密度和短时间的微波照射时,模型内部的温度梯度增大,更易产生较高的温度应力,造成岩石损伤。模拟结果与试结果基本吻合,为微波辅助机械破岩技术提供一定的参考价值。     

微波照射下花岗岩损伤演化规律及本构模型研究

为进一步分析微波破岩机理,对微波照射下硬岩损伤演化规律及其本构行为进行了研究。首先,对岩石进行弹性微元假设,结合微元强度准则和三参数Weibull分布,推导出微波作用后硬岩损伤演化方程和本构模型以及各参数确定公式,然后,采用不同微波功率照射后的花岗岩超声波检测和单轴压缩试验结果对模型进行验证。结果表明,建立的模型理论曲线与试验曲线具有较高的吻合度,能反映出花岗岩破裂的应力应变过程,且模型各参数的物理意义及对模型的影响规律明确,虽然峰后拟合存在一定偏差,但仍可以基本反映岩石经微波照射后的弱化规律。对经微波照射后的岩石本构方程进行深入研究,可为微波照射岩石的相关计算和数值模拟提供一定的参考,有助于促进微波辅助破岩技术的发展。     

微波照射下花岗岩单轴压缩损伤本构模型

为深入研究微波照射花岗岩的损伤演化过程以及探讨微波照射过的花岗岩进行单轴压缩后花岗岩应力-应变关系,首先以微波照射花岗岩的损伤特性为基础,综合考虑花岗岩在微波照射以及荷载作用下受到的损伤,将Weibull分布与损伤力学结合,得到考虑多因素作用的花岗岩损伤演化方程。然后根据Lemaitre应力等效原理及Hook定律,推导出考虑微孔隙闭合的花岗岩损伤本构模型。最后,采用微波循环照射花岗岩试验和单轴压缩试验对模型进行验证。验证结果显示,本研究建立的本构模型与试验结果拟合的曲线能较好吻合,证明了模型的合理性及参数取值的正确性。为岩石微波损伤理论的研究以及微波辅助破岩提供思路。     

不同冷却方式对微波照射后花岗岩强度影响的试验研究

微波辅助破岩对破岩难度较大的硬岩具有良好的应用前景,其中冷却方式对破岩效果有显著影响。为了分析不同冷却方式对微波照射后花岗岩损伤的影响程度,对微波照射后的花岗岩分别经分自然冷却、洒水冷却和水流冲击冷却三种方式冷却。结合热成像试验和单轴抗压试验,对其温度场变化及强度性能进行研究。结果表明:第一,微波照射后的试件均可产生可见裂纹,扩展范围基本分布在试件中部和顶部;第二,同一微波照射参数下,不同冷却方式对花岗岩强度弱化程度不同,采用水流冲击法冷却时,岩石表面温度降低最快,岩样裂纹扩展最为显著,抗压强度降低程度最大,这些成果对试验研究和工程中微波破岩运用提供参考。     

微波照射对岩石抗冲击性能的影响

对花岗岩和黄砂岩做落锤冲击试验,研究微波照射后岩石抗冲击性能的下降规律,分析在一定时间、不同功率作用下,岩石抗冲击性能的降低机理。研究结果表明:微波照射时间一定时,岩石抗冲击性能随微波照射功率的增大而逐渐降低,降低速度先变快后变慢;花岗岩和黄砂岩分别在微波照射功率为8 k W和4 k W时抗冲击性能下降最快。微波照射引起不同岩石抗冲击性能降低的原因,在于不同矿物组成的膨胀变形不同,致使微裂纹扩展至岩石破碎,抗冲击性能丧失。     

微波照射下花岗岩强度损伤规律研究

为了探究微波照射下花岗岩强度损伤规律,降低地下工程掘进的开挖难度,选取河北省平山县花岗岩试件,分别开展了微波照射后的单轴抗压强度试验和超声波纵波波速试验.分析了各个试验条件下的应力-应变曲线、峰值应力-峰值应变曲线和超声波纵波波速特征.对比研究了不同照射参数下花岗岩纵波波速规律、峰值应力强度损伤规律和弹性模量强度损伤规...     

基于颗粒流模型微波辅助破岩过程数值模拟

微波辅助破岩是一种新型的破岩技术,通过微波加热预先在岩石内部产生微裂纹,然后联合其它破岩手段,可以有效提高破岩效率。以吸波的方铅矿和透波的方解石组成的岩石颗粒为研究对象,采用颗粒流程序建立了细观数值模型,对微波照射下的岩石颗粒细观物理力学应进行了模拟分析,揭示了不同微波照射条件下岩石内部温度分布与演化以及微裂纹的产生与发展的规律。研究结果表明:微波照射下,方铅矿温度明显高于方解石,岩石温度呈不均匀分布,不同矿物之间存在温差;微波照射可以使岩石在时间很短及温度较低的情况下产生微裂纹;微裂纹主要由方铅矿的热膨胀引起,微裂纹以拉伸裂纹为主,极少部分为剪切裂纹。岩石内部微裂纹的分布形态主要取决于方铅矿在岩石中的分布;微波照射时,裂纹首先产生于方铅矿周围,继而向周边的方解石内扩展,相互连通后导致岩石破裂;在消耗能量相同的情况下,微波功率越高,需要微波照射时间越短,岩石内部温差越大,产生的裂纹数量越多,破岩的效率更高。     

微波照射后花岗岩损伤机理试验

在不同微波照射参数下,对干燥花岗岩试件进行了微波照射.通过热成像仪、超声波检测和巴西圆盘劈裂试验,以纵波波速、抗拉强度、相对动弹性模量及损伤变量作为定量指标,衡量微波照射对岩石损伤效应的影响.研究结果表明:微波照射功率的增加,对花岗岩纵波波速、抗拉强度下降幅度的影响明显,远高于微波照射时间变化对其的影响.高功率下,花岗...     

中低围压花岗岩细观破坏机制的数值模拟

采用数字图像处理技术表征花岗岩的细观结构,利用基于数字图像的岩石破裂过程分析系统(RFPA-DIP)建立反映花岗岩内部矿物颗粒分布的数值模型,进行花岗岩压缩数值试验,分析花岗岩压缩荷载作用下破坏机理.研究结果表明,花岗岩非均匀的细观结构起着使试件内部产生了拉应力区的作用;单轴压缩荷载作用下,试件在细观层次上以拉伸破坏为主;中低围压条件下,试件表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦合的破坏方式,而且破坏机制随围压的增大是不断变化的,剪切破坏逐渐成为主控破坏方式.     

超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究

为提高深层干热岩破碎效率,以干热岩地层常见岩性-花岗岩为研究对象,提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性,主要采用数值模拟和理论计算等研究方法,建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型,探究了硬质花岗岩在温度-压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现：在单轴径向压缩载荷下,高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动,岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小,导致裂纹越容易扩展。温度越高,岩石损伤越明显,其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律,可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。     

点载荷作用下煤岩体的破坏特性

为了了解点载荷作用下岩石的破坏特征,通过理论分析和数值模拟对点载荷作用下岩石破坏特征进行分析,得出点载荷作用下的应力分布规律,在加载点周围岩石所受的力接近压应力,但在距加载点一定距离以外的范围内,岩石受到了垂直加载轴方向的弹性拉应力,其在试件内部分布均近球状。试件的形状对其应力分布影响不大。最后分析了点载荷作用下岩石破坏机理.     

微波照射下岩石损伤细观模拟分析

为了研究微波照射下岩石内部的损伤过程,以岩石颗粒为研究对象,岩石颗粒由吸波的黄铁矿和透波的方解石所组成,大小为1 mm×1 mm,采用有限差分法对微波照射下岩石颗粒的屈服分布及演化进行计算分析,计算考虑了微波照射时间和黄铁矿晶体大小的影响。研究结果表明:在微波照射下,岩石颗粒既有拉伸屈服也有剪切屈服,在照射过程中,岩石颗粒的屈服面积不超过总面积的5%,但随着照射时间的增长,可在岩石颗粒内部形成贯通的发散状屈服带,这将大幅的降低岩石颗粒的强度;在相同条件下,黄铁矿晶体的大小决定了岩石颗粒的屈服类型,晶体小以剪切屈服为主,晶体大的以拉伸屈服为主,晶体大的颗粒更易形成贯通的沿晶屈服带。     

花岗岩真三轴加载破坏前兆信息

岩体开挖卸荷导致内部扰动和应力重分布,极易发生突发性失稳破坏。对不同中间主应力下的花岗岩试件进行真三轴加载试验。试验过程中采用高速摄像机、声发射、红外热像仪全程观测,研究岩石加载破坏过程中红外热像演化特、临空面温度变化特征、声发射振铃计数率变化特征、岩石表面裂纹发育,研究岩石破坏前各类监测数据的异常反应。研究表明:热像异常演化对岩石未来表面破裂有指导作用,未来裂纹扩展区域与热像异常出现位置相一致;岩石破坏前临空面上温度会出现异常,一般表现为温度曲线转折性变化和温度跳跃式升高;声发射振铃计数率会在试件失稳破坏前出现密集性增高现象。这些异常现象作为前兆信息为岩石破坏提供预警,研究结果为岩体开挖卸荷后工程灾害预警与防治提供理论参考。     

岩石动态断裂韧度温度相关性的实验研究

利用CCCD-SHPB(Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar)试验系统对花岗岩试件实施同一加载速率、不同温度下的纯I加载试验,进而研究环境温度对岩石类材料动态断裂性能的影响。实验过程中控制加载脉冲,使得测试试件的加载速率基本一致,测得不同温度下试件两端平均载荷P珔随时间的变化关系,将最大P珔max代入中心裂纹圆盘应力强度因子K I公式,获得不同温度下中心裂纹巴西圆盘岩石试件的动态断裂韧度K Id。测试结果表明,温度处于10~100℃时,花岗岩动态断裂韧度K Id随着温度的升高逐步下降,近似呈线性关系。     

微波照射下钢筋混凝土黏结强度损伤演化

为了寻求一种在钢筋混凝土结构中无噪、无尘的钢筋回收方法,将钢筋混凝土试件经不同功率微波照射后,通过钢筋拉拔试验测试微波对钢筋与混凝土界面黏结强度的影响,并绘制黏结应力-钢筋滑移量(τ-s)曲线。结合理论分析,推导出微波作用下钢筋与混凝土黏结界面损伤演化方程,绘制出损伤演化特征曲线。研究结果表明:5 000 W微波照射后,黏结强度仅为0 W微波照射后的1/3。在微波照射下黏结强度显著降低,且黏结强度对1 500～3 500 W的微波变化较敏感。随微波功率提高,拉拔破坏形式由拉拔劈裂逐渐转变为拉拔滑移,高功率微波照射后,混凝土在不发生拉拔劈裂的情况下能直接将钢筋拔出。通过有限元软件对试验过程进行模拟,模拟结果与试验结果相符。     

微波照射后玄武岩损伤机理试验研究

为探究微波循环照射下玄武岩损伤机理,在不同微波照射参数下,对玄武岩试件进行微波循环照射和连续照射,通过超声波检测、巴西圆盘劈裂试验,以纵波波速、抗拉强度、损伤变量作为定量指标,衡量微波辐射对岩石损伤效应影响程度。结果表明:采用低功率微波照射时,因单次微波输入能过低不足以达到裂纹起裂能,使得循环照射的功效无法显现,此时不宜使用循环照射微波加载模式;采用高功率微波照射时,微波循环照射对岩石的损伤效应随着循环次数的增多而增强,且较之于连续照射,可实现用较少的能耗达到更好的损伤弱化效果;水是引起岩石损伤的重要因素,在循环照射间歇采用冲水冷却方式可增强岩石受损程度;可见高功率微波循环照射方式可提高破岩效果。     

天空冷背景下受力岩石微波辐射特征实验研究

分析了环境因素对微波辐射观测的影响机理. 以此为基础,在天空冷背景条件下,利用岩石试验机、微波辐射计、声发射、温度测试仪等,开展了岩石弹性变形阶段循环加载微波辐射变化特征的室外观测实验. 结果表明,在天空冷背景下能可靠获取岩石受力变形过程中的微波辐射能量变化信息. 花岗岩弹性变形阶段的微波辐射亮温变化与应力间呈同步性很强的正相关关系,相关系数达0.94; 岩石表面的温度变化与应力间亦呈正相关,但其变化滞后于应力变化,且单位应力的微波亮温升幅远大于表面温度升幅. 实验证实了利用微波辐射观测手段可有效探测岩石受力引起的岩石内部应力状态的变化.     

温度循环对岩石物理力学性质影响试验研究

温度的交替性变化对岩体内部损伤加剧,岩石损伤的积累与发展,导致高寒区岩土工程发生破坏失稳。选取花岗岩、砂岩进行不同温度循环条件下的单轴压缩试验,分析花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度与温度循环次数的变化关系;对经历不同温度循环次数的岩石试件进行纵波波速测定,并引入纵波波速劣化度,定量分析温度循环对岩石的损伤。结果表明：花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度逐渐减小,且与温度循环次数拟合关系可表征为负指数变化关系;温度循环条件下,岩石试件的纵波波速随循环次数的增大而减小,温度循环初期,波速值变化速率较快,后期变化趋势基本平缓。试件纵波波速劣化度最大可达15.02%,表明温度循环对岩石产生明显损伤。研究为寒区岩土工程的稳定性分析提供试验依据,具有较高的参考价值。     

温度循环对岩石物理力学性质影响

温度的交替性变化对岩体内部损伤加剧,岩石损伤的积累与发展,导致高寒区岩土工程发生破坏失稳。选取花岗岩、砂岩进行不同温度循环条件下的单轴压缩试验,分析花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度与温度循环次数的变化关系;对经历不同温度循环次数的岩石试件进行纵波波速测定;并引入纵波波速劣化度,定量分析温度循环对岩石的损伤。结果表明,花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度逐渐减小,且与温度循环次数拟合关系可表征为负指数变化关系;温度循环条件下,岩石试件的纵波波速随循环次数的增大而减小,温度循环初期,波速值变化速率较快,后期变化趋势基本平缓。试件纵波波速劣化度最大可达15.02%,表明温度循环对岩石产生明显损伤。研究为寒区岩土工程的稳定性分析提供试验依据,具有较高的参考价值。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.