循环载荷作用下岩石损伤演化规律研究

论文摘要

岩石作为一种非均质脆性材料在循环载荷作用下损伤破坏问题涉及到诸多工程领域。本文利用先进的MTS815岩石力学测试系统和12CHs SAMOS? System声发射测试系统对岩石在循环载荷作用下的损伤演化特性进行了较深入的研究。本文通过实验研究与理论分析相结合的方法,探讨了不同上限应力水平、不同下限应力水平、不同加载速率、不同含水量等不同实验条件下循环载荷作用时岩石的声发射特征,并利用岩石的声发射特征作为岩石损伤的宏观表现,分析了岩石在循环载荷作用下的损伤演化规律,建立了以声发射参数为损伤变量的岩石损伤演化方程,同时,在运用分形理论计算了循环载荷作用下岩石声发射关联维数的基础上分析了岩石关联维数的变化规律。所取得的主要研究成果如下:(1)在深入分析单轴压缩作用时不同载荷条件下岩石声发射特征的基础上改进了基于岩石声发射参数的损伤演化方程;同时利用岩石声发射Kaiser及Felicity效应探讨了循环门槛值问题,并发现Kaiser效应上限应力值为相应峰值强度的70%左右;(2)在等幅循环作用下上限应力对声发射的影响起主导作用,决定着声发射变化的趋势;下限应力的影响主要在循环末期,每循环中提高了声发射产生的时间,即Felicity比值减小;加载速率对声发射的影响主要在声发射率上,速率加大使循环过程中的主裂纹形成、扩展速率增快,增大了声发射率,从而加快了岩石破坏的速率;不同饱和度下的声发射结果表明,含水量越多,声发射率越低,声发射数少,破坏时释放的能量少;(3)不同加载速率和不同应力变化幅度条件下的等幅循环载荷实验结果表明,岩石的声发射规律也体现出了相应的不同发展模式。不同的模式预示着岩石不同的破坏速率,稳定型表明岩石在循环载荷过程中破坏进程缓慢,需要更长的时间;而突变型表明循环过程中破坏进程快速,岩石变形破坏的速率加快;建立了基于声发射参数的循环损伤演化模型;通过声发射定位技术分析了循环条件下声发射的时空演化特征,从时间和空间上研究了岩石的损伤演化规律;同时探讨了影响声发射定位的几个相关因素;(4)等幅循环载荷条件下声发射关联维数随着循环比呈降低趋势,即是一个降维的过程,但受不同实验条件的影响,其降维方式有所差异。声发射维数的变化和表示累积损伤的声发射数有良好对应关系,维数的变化是由于累积损伤变化的结果,与损伤有很好的相关关系。声发射分形维数变化和裂纹发展状态具有一致性,维数明显变化则表明裂纹发展快速,维数变化稳定表明裂纹变化不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究的目的意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 损伤理论研究现状
• 1.2.2 声发射研究现状
• 1.3 本文的主要内容和技术路线
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 2 实验概况及方法
• 2.1 岩样的采集与加工
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 静态加载实验
• 2.2.2 循环载荷实验
• 2.2.3 声发射实验
• 2.3 仪器设备
• 2.3.1 动力设备
• 2.3.2 声发射仪
• 2.4 试件的端部润滑
• 3 单轴压缩岩石损伤声发射规律研究
• 3.1 声发射参数的选取与预置
• 3.2 应力应变全过程曲线
• 3.3 单轴压缩声发射实验结果
• 3.3.1 不同加载速率
• 3.3.2 不同饱和度
• 3.3.3 不同岩石结构
• 3.4 基于声发射的单轴压缩损伤演化模型
• 3.5 本章小结
• 4 循环载荷作用下岩石损伤声发射规律研究
• 4.1 一致性分析
• 4.2 声发射KAISER 及FELICITY 效应分析
• 4.3 门槛值问题
• 4.4 等幅循环载荷作用下声发射损伤演化规律
• 4.4.1 应力上限的影响
• 4.4.2 应力下限的影响
• 4.4.3 加载速率的影响
• 4.4.4 饱和度的影响
• 4.4.5 应力幅度的影响
• 4.4.6 声发射变化模式
• 4.5 循环载荷作用下声发射全过程时空演化规律
• 4.5.1 定位原理
• 4.5.2 静态加载及峰后过程声发射时空演化规律分析
• 4.5.3 循环加载过程声发射时空演化规律分析
• 4.5.4 定位实验的影响因素分析
• 4.6 基于声发射的循环损伤演化模型
• 4.6.1 高周疲劳模型
• 4.6.2 低周疲劳模型
• 4.7 本章小结
• 5 循环载荷作用下声发射分形特征研究
• 5.1 分形定义及分形维数
• 5.2 岩石损伤裂纹分形特征
• 5.3 岩石损伤声发射关联维分析
• 5.3.1 相空间重构
• 5.3.2 声发射时间序列数据预处理
• 5.3.3 声发射维数变化分析
• 5.3.4 声发射分形损伤
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在学习期间发表的论文
• B 作者在学习期间参加的科研项目