基于分数阶微积分岩石的动态变形行为研究

为了更合理地描述岩石环向与轴向动态变形之间的关系,从分数阶微积分出发,在黏弹性应力–应变组合模型理论基础上,提出环向–轴向应变分数阶黏壶及环向–轴向应变关系的黏弹性组合模型,构建了基于分数阶微积分的岩石在静动态压缩及循环荷载条件下环向–轴向应变关系模型,并给出了模型的解析解,从而得到的分数阶体积应变公式可以作为体积应变求解的新方法。基于多种岩石、混凝土及石膏的实验数据,对分数阶微积分环向–轴向应变关系模型的参数进行拟合分析,对模型参数进行了敏感性分析,揭示了围压、应变水平、分数阶导数阶数及模型参数对环向应变的影响规律。结果表明环向–轴向应变关系模型不仅可以更好地反映岩石体积变形的减缩减胀特性,而且能够描述岩石在循环荷载及动态压缩条件下变形规律。     

岩层变形检测的植入式光纤Bragg光栅应变 传递分析与应用

 为研究深部岩层的变形及其发展过程,构建光栅–传感器结构–水泥砂浆–岩层的应变传递系统,根据光纤光栅传感器的应变传递理论,分析用于岩石检测的光纤、中间层和岩层力学参数对光栅应变传递率的影响,给出光纤光栅传感器及钻孔参数设计,为工程应用提供依据。研究表明,深孔岩层监测的钻孔直径宜选100 mm左右,光纤光栅传感器的临界长度为149.23 mm。将其应用于济三煤矿第四系松散地层沉降变形监测中,结果表明,光纤光栅传感器可对松散层的应变变化进行实时检测。     

单轴压缩条件下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为准确得到甘肃北山核废料地质处置区花岗岩围岩强度与变形特征。在MTS815岩石电液伺服机上对花岗岩进行了单轴压缩试验,并对试验结果进行了系统的分析。结果表明:北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹,而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展,并纵向贯通,将岩石分为竖向块体,呈现出脆性破坏特征;将花岗岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段,初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展阶段。应用裂纹体积应变模型求得各阶段终止时分别对应岩石的四个特征应力值:起裂应力、弹性应力、损伤应力和峰值应力;依据裂纹体积应变概念,将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变,提出可以通过比较轴向与径向裂纹应变间的大小来确定其起裂方向。     

松散层沉降光纤光栅监测的应变传递及其工程应用

 为了研究深部厚松散层失水沉降变形特征,建立光纤光栅–胶结层–封装材料及传感器封装材料–钻孔封孔材料–松散层的应变传递计算模型。通过对光纤光栅应变与松散层应变的传递分析,指出前人应变传递理论中所推导的公式不适用于松散层监测的应变计算,由此给出钻孔植入光纤光栅传感器的松散层应变传递计算模型,并分析影响松散层应变传递的因素,指出封孔材料弹性模量在8～15 GPa范围内时可以得到较高应变传递率。针对某矿松散层12个层位安装的24个光纤光栅传感器,采用该模型得出92.40～148.69 m范围内松散层变形沉降的应变监测结果。工程实践表明,该煤矿松散层埋深97.56～104.33,141.94～144.88 m处为最易出现压应力集中的区域,这与煤矿的实际情况、采用相关方法监测的结果基本一致。光纤光栅应变传递理论研究对推动光纤传感技术发展及其工程应用具有重要实践意义。     

大坝模型试验的光纤传感变形监测

考虑到大坝模型试验中内部变形难以监测的现状,研制了一种新型的基于光纤布拉格光栅(FBG)技术的光纤传感器.这种传感器为圆棒式结构,其表面沿轴向安装了准分布式的光纤布拉格光栅.对于大坝物理模型,该传感器可预埋入坝体和坝基的内部.当大坝受到油压千斤顶荷载产生变形时,该传感器类似于一根一端固定并同时受轴向拉、压和横向弯曲的弹性梁.根据弯梁原理,由光纤布拉格光栅测得的应变结果可反算出大坝沿水平向和竖向的位移分布.室内标定试验结果表明,该传感器测得的变形量与其他常规传感器的读数一致.在一个二维混凝土重力坝物理模型的超载破坏试验中,采用预埋于坝体、坝基内部的光纤传感器以及表面安装式位移计、电阻应变花对该模型进行实时的变形监测.试验结果验证了该光纤传感器在大坝模型内部变形监测中的有效性,同时也揭示了大坝在超载作用下的变形机制和破坏形态.     

岩梁小变形的光纤光栅检测方法研究

岩石变形过程复杂,且受环境因素的影响,而影响其破坏的初期损伤状态是关键。光纤光栅技术近几年发展迅速,在单点的基础上发展起来的多点光纤光栅传感技术,可以将光栅点构成阵列式布置。鉴于此,本文首次将多点光纤光栅传感技术用于岩石变形过程的检测中,将多个光栅点阵列布置于相似模型的岩层中,通过实验研究了岩石变形与光栅点波长变化的初步关系。这一研究对检测岩石小变形及监测岩土工程的安全性具有重要意义。     

深部灰岩单轴蠕变特性试验研究

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统,对重庆市某煤矿深部灰岩进行了单轴蠕变压缩实验,对单轴蠕变实验过程中伴随的声发射特征进行了研究,认为岩石的声发射特征能很好的表征岩石整个蠕变变形过程,包括岩石微观结构如晶格缺陷的扩散、孔隙裂隙的张合、粒间协调变形及微观破裂的产生、扩散贯通等岩石蠕变特征。同时对实验曲线进行了不同的模型参数的反演,认为用对数函数型及指数函数型模型均能很好的表征该类灰岩蠕变变形性能,且二类模型中对数模型为最佳模型。     

岩梁小变形的光纤光栅检测方法研究

岩石变形过程复杂，且受环境因素的影响，而影响其破坏的初期损伤状态是关键。光纤光栅技术近几年发展迅速，在单点的基础上发展起来的多点光纤光栅传感技术，可以将光栅点构成阵列式布置。鉴于此，本文首次将多点光纤光栅传感技术用于岩石变形过程的检测中，将多个光栅点阵列布置于相似模型的岩层中，通过实验研究了岩石变形与光栅点波长变化的初步关系。这一研究对检测岩石小变形及监测岩土工程的安全性具有重要意义。     

光纤光栅应变传感器二维应变测量方法

文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。     

软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。     

Deformation and failure characteristics of sandstone under uniaxial compression using distributed fiber optic strain sensing

This paper investigates the deformation and fracture propagation of sandstone specimen under uniaxial compression using the distributed fiber optic strain sensing (DFOSS) technology. It shows that the DFOSS-based circumferential strains are in agreement with the data monitored with the traditional strain gage. The DFOSS successfully scans the full-field view of axial and circumferential strains on the specimen surface. The spatiotemporal strain measurement based on DFOSS manifests crack closure and elastoplastic deformation, detects initialization of microcrack nucleation, and identifies strain localization within the specimen. The DFOSS well observes the effects of rock heterogeneity on rock deformation. The advantage of DFOSS-based strain acquisition includes the high spatiotemporal resolution of signals and the ability of full-surface strain scanning. The introduction to the DFOSS technology yields a better understanding of the rock damage process under uniaxial compression.     

岩样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论,局部化带的尺寸由特征长度确定,得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明:剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比,其比例系数与剪切带倾角有关;轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量;当流动应力为0时,剪切带消耗的能量达到最大值;轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;增加剪切带倾角,侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力,剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸,因此,不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”,将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论,可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上     

基于全应力应变曲线岩石破坏动力学特征分析

长期的地质运动与地质构造作用,使得岩石力学与工程系统复杂,岩体的变形、损伤、破坏和演化包含多种相互耦合的动力学过程.基于MTS试验得到的不同岩性岩石试件单轴压缩全应力-应变曲线,对轴向应力分量进行功率谱分析、最大Lyapunov指数计算和Kolmogorov熵提取.其功率谱含有丰富频谱成分,具有连续、噪声背景和宽峰的特...     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

A viscoplastic degradation model for rocks

In this paper a viscoplastic constitutive model for rocks is proposed in which both yield stress and viscosity undergo variation during the deformation process. The model is initially formulated for a uniaxial stress state; its extension to a general stress state has been also presented. Our model is capable to sufficiently well predict both the pre-peak hardening and post-peak softening response of rock material in compression providing good simulation of material response in both stable and post-critical stages of deformation. Such behaviour can be obtained for both low and high strain rates. In our examples, model parameters are determined from uniaxial compression tests performed on sandstone at different strain rates.     

混凝土强度与变形特性的围压效应试验研究

运用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统对C30和C50混凝土圆柱体试件进行单轴、三轴压缩试验,得到了混凝土的应力-应变全过程曲线,研究了不同围压下混凝土的强度和变形特性。结果表明:Newman非线性方程较Richart线性方程更为准确地表达了强度与围压的变化规律,随着围压的增加,两种强度等级混凝土对应围压的强度差别逐渐减小;混凝土的抗压强度和破坏形态存在一临界围压σ3c,高于此临界围压时破坏阶段为应变软化,且抗压强度受混凝土强度等级影响较小,反之为应变硬化;随围压的增大,混凝土材料由脆性逐渐过渡为延性,变形能力增大,弹性模量、割线模量减小,泊松比增大,峰值轴向应变增大,其变化关系可用Ansari线性方程表示。     

岩梁弯曲流变特性的试验研究

岩石较少有直接拉伸破坏,在巷道和采场顶板中,弯曲变形是重要的变形模式。采用一次加载和分级加载两种加载方式对岩梁的弯曲流变破坏进行了试验研究,对岩梁的弯曲流变特性进行了分析,重点分析了流变条件下岩梁弯曲中性面位置的变化规律。结果表明:岩梁的顶底两侧均存在流变,虽然其大致规律相似,但存在明显的差异。岩梁底面为高应力区的拉伸流变,顶面为低应力区的压密阶段的流变。岩梁的弯曲中性面位置在流变过程中随时间而变化,并最终趋于稳定,但在不同的加载方式中性面的稳定位置差别较大。对弯曲流变与单轴压缩流变进行的比较表明,岩石单轴压缩流变的横向极限拉应变和弯曲拉伸流变的极限拉应变基本一致。     

轴对称压缩条件下岩石局部化剪切带数值模拟

在岩石室内试验中,可以很清楚地观察到试样在失稳过程中常常伴随着宏观剪切带(破裂面)的形成。根据相关试验规程和标准规定的试样形状、尺寸和试验条件,采用FLAC3D软件,对岩石试样在轴对称压缩(单轴或常规三轴)条件下局部化剪切带的形成过程进行数值模拟,取得的结果与相关试验结果基本一致。     

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r~(1/2)奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。