周期荷载作用下岩石变形与损伤规律及其非线性特征

论文摘要

岩石在复杂荷载路径与受荷历史下的变形和损伤特性是岩石力学研究的难点,周期荷载是其中最常见也是最简单的力学现象,并且其与岩石的单调荷载方式密切相关,因此,周期荷载可以作为复杂荷载路径与受荷历史下岩石力学研究的“突破口”。选择重庆地区常见的砂岩、灰岩作为研究对象,以砂岩为主,利用西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室(重庆大学)的MTS815岩石力学试验机、16CHs SAMOS? System声发射测试系统、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室的CT机专用加载试验设备对单调及周期荷载作用下岩石的宏观变形及损伤特性、岩石损伤破坏过程中的声发射特性及其CT细观损伤演化规律进行了实验研究,并结合损伤力学和非线性理论进行了有益的探讨,通过以上研究,在以下方面取得一些进展:1)提出了周期荷载作用下岩石损伤破坏的四阶段规律,并在AE实验、CT实验、以及突变、分形理论分析中进行了证明和进一步说明;2)本文实验表明:岩石在低周期荷载破坏过程中出现明显的Felicity效应, Felicity比有总体下降的趋势,而且Felicity比有明显的阶段性特征。本文研究同时发现:周期荷载作用下岩石损伤过程中,定义出现“明显”声发射的标准只要在合理的范围内,并不影响Felicity比的演化趋势;3)为研究卸载时岩石的AE特性,提出了AE卸载比的概念,无论轴向应力的还是轴向应变的AE卸载比曲线都印证了周期荷载作用下岩石损伤破坏具有阶段性特征;4)岩石的种类、构造和均匀程度是AE定位实验的主要影响因素。本次砂岩AE定位实验结果显示,AE源呈散漫分布于试样中部,两端没有明显的条带丛集现象,中部没有得到声发射定位事件的“空白区”。对于此类岩石,微破裂的空间分布对主破裂的空间位置并无明显的指示意义;5)采用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室的CT机专用加载试验设备进行了多级(两级)循环荷载下岩石损伤实时CT细观实验,实验观察到了岩样损伤演化方式的转变过程,得到了岩石损伤破坏过程中CT数、密度和标准差等参数的演化过程;6)提出损伤突变的概念,建立了以累计AE能量代表损伤的尖点突变模型,运用这一模型进行了周期荷载破坏过程和单调加载破坏过程的损伤突变分析,进一步说明了本文提出的周期荷载作用下岩石损伤破坏的四阶段规律;7)通过对单调及周期荷载下岩石AE序列的关联维分析,说明在岩石破坏过程中,其AE序列存在降维的规律;8)对某矿山露天采场边坡位移序列的监测数据表明,该边坡位移序列具有分形和混沌特征,运用混沌系统时间序列状态空间最邻近点预测方法对该边坡位移序列进行了预测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的选择及意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 岩石损伤力学研究进展简介
• 1.2.2 周期荷载作用下岩石宏观变形规律及损伤特性研究进展
• 1.2.3 基于声发射及CT 的岩石损伤检测研究进展
• 1.2.4 非线性科学在岩石力学中的应用研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 周期荷载作用下岩石的宏观变形规律与损伤特性
• 2.1 实验概述
• 2.1.1 加载设备
• 2.1.2 岩样制备
• 2.1.3 岩样SEM 图像及基本物理性质
• 2.2 单调加载条件下岩石的宏观变形特性
• 2.2.1 变形特性
• 2.2.2 破坏特征
• 2.3 周期荷载作用下岩石的宏观变形与损伤特性
• 2.3.1 周期性循环荷载作用下岩石的变形特性
• 2.3.2 周期荷载作用下岩石的变形破坏规律
• 2.3.3 周期荷载作用下岩石破坏特征
• 2.4 周期荷载作用下岩石损伤模型
• 2.4.1 高周期循环荷载损伤方程
• 2.4.2 低周期循环荷载损伤方程
• 2.4.3 损伤变量表达式
• 2.4.4 模型参数的确定
• 2.5 周期荷载作用下岩石失稳破坏估测方法
• 2.5.1 岩石损伤本构模型
• 2.5.2 失稳破坏预测
• 2.6 小结
• 3 基于声发射的岩石损伤破坏规律
• 3.1 实验概述
• 3.1.1 声发射系统
• 3.1.2 消噪措施
• 3.1.3 其它措施
• 3.2 单调加载条件下岩石的声发射特性
• 3.2.1 声发射参数
• 3.2.2 不同条件下单调加载岩石声发射特征比较
• 3.3 周期荷载作用下岩石的声发射特性
• 3.3.1 不同条件下周期荷载岩石声发射特征比较
• 3.3.2 周期荷载作用下岩石损伤破坏声发射四阶段规律
• 3.3.3 岩石声发射的Felicity 效应
• 3.3.4 岩石破坏过程中卸载时的AE 活动性
• 3.4 岩石破坏过程的声发射三维定位及影响因素分析
• 3.4.1 定位实验概述
• 3.4.2 定位实验结果
• 3.5 基于声发射的岩石损伤模型
• 3.6 小结
• 4 岩石变形破坏过程的细观损伤演化分析
• 4.1 实验概述
• 4.1.1 实验设备与岩样参数
• 4.1.2 CT 扫描数据与试样密度关系
• 4.2 单调加载变形破坏的CT 细观实验
• 4.2.1 CT 数据分析
• 4.2.2 力学关系
• 4.3 循环荷载作用下岩石变形破坏过程CT 实时扫描
• 4.3.1 加卸载路径及CT 扫描点选择
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 循环荷载作用下岩石CT 细观损伤演化分析
• 4.4.1 CT 图像分析
• 4.4.2 实验分析
• 4.4.3 损伤演化分析
• 4.5 小结
• 5 岩石损伤破坏过程的非线性特征
• 5.1 从无序到有序—耗散结构理论对岩石损伤破坏规律的解释
• 5.1.1 岩石破坏过程中耗散结构的形成机制
• 5.1.2 用耗散结构理论解释周期荷载作用下岩石损伤破坏规律
• 5.2 岩石破坏过程的突变—岩石损伤破坏规律的进一步证明
• 5.2.1 实验过程中加载系统的突变
• 5.2.2 岩石损伤演化过程中的突变
• 5.3 岩石损伤破坏过程中的分形和混沌
• 5.3.1 分形与混沌
• 5.3.2 相空间重构
• 5.3.3 岩石损伤破坏过程中AE 序列关联维数演化分析
• 5.3.4 声发射时间序列的混沌特征
• 5.4 采动影响下采场边坡位移的非线性分析
• 5.4.1 变形与位移分形
• 5.4.2 岩质边坡位移的非线性分析
• 5.5 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 本文研究成果及结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 进一步研究建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 博士学习期间发表的论文目录
• B. 博士学习期间参与的科研项目
• C. 博士学习期间专利申请情况