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由于强降雨,水库以及河流的升降,导致岩石在不同时期具有不同的含水率,且不同的含水部位也可能具有相同的含水率,目前针对岩石在不同含水状态下的力学特性研究较多,对不同部位,尤其是含水率、应变率、含水部位三者耦合下岩石的力学规律研究较少。本文以国家自然科学基金(项目编号:52064015)为基础,利用核磁共振仪,RMT-150C岩石压力机,分离式霍普金森压杆(SHPB),对不同含水率以及含水部位的红砂岩试样进行静态与动态压缩试验。对比分析了红砂岩在不同含水率、不同应变率以及不同含水部位影响下的力学响应,提出一种基于饱水时间的率效应模型;并从损伤力学的角度出发,建立了不同含水率和应变率耦合下红砂岩的动态本构方程。主要结论如下:(1)本文利用XRD技术得到了红砂岩试样的组成成分;利用核磁共振仪对不同含水过程的红砂岩试样进行核磁共振测定,得到了不同含水过程试样的T谱、含水曲线以及核磁共振成像。发现无论是饱水还是干燥过程,红砂岩试样的含水率随时间变化均呈对数函数增长;对于不同的试样,核磁共振都有着相似的响应,其孔径分布图含有两个明显的峰,一个孔隙半径在0.1(?)m附近,一个孔隙半径在3.5(?)m附近;通过对比得出,两种不同的含水过程处理后,可以制备相同含水部位不同含水率的红砂岩试样。(2)红砂岩在静态压缩下,饱和过程相对于干燥过程,岩石压密所需时间较小;弹性阶段逐渐变小;裂纹起裂应力σ和裂纹损伤应力σ逐渐下降;最终导致岩石的宏观破坏表现为峰值应力σ不断下降,弹性模量不断下降,临界应变不断减小。压缩后的干燥红砂岩试样,试样的微观破裂过程可描述为,一方面红砂岩内部微裂纹不断发育,破裂,直至产生宏观破坏,另一方面也存在应力直接剪断矿物颗粒的现象,导致干燥试样的破坏应力明显大于饱水试样。压缩后的饱水红砂岩试样,由于水分的软化,分解作用,导致岩石内部孔隙间的间隔变大,裂纹之间更容易相互贯通,因此不会出现剪断矿物颗粒的现象,故饱水试样的强度远低于干燥试样的强度。(3)在水-岩耦合下,水的软化作用是试样强度变化的最主要原因。含水红砂岩的动态强度为水的软化作用和孔隙内水产生的Stefan效应二者动态平衡的宏观表现;随着应变率的增加,入射能的增长最快,吸收能和反射能增长稍缓,透射能逐渐下降;应变率-能量比二者间有两个明显的拐点,当应变率大于80 s时,吸收比与反射比增幅增大,透射比降幅增大;应变率大于108 s时,吸收比与反射比增幅减缓,透射比降幅减缓;相同应变率下,含水率越高,红砂岩的破碎程度越高;相同含水率下,随着应变率的提高,红砂岩内部破裂面越来越多,破碎块度增加。(4)提出一种基于饱水时间的率效应模型,能较好地描述不同含水率和应变率下红砂岩强度的变化趋势,在低应变率和高应变率下的计算较为准确,试样含水率越高,计算结果越接近试验值,理论与实验数据拟合度良好,证明了该模型的适用性。(5)从损伤力学的角度出发,以试验所得的应力-应变曲线中弹性模量的变化来定义含水状态下的损伤变量,然后把含水损伤和荷载损伤分别当作宏观损伤和微观损伤,在Drucker-Prager准则的基础上,得到了基于含水率和应变率耦合的复合损伤变量。建立了不同含水率和应变率耦合下红砂岩的动态本构方程,并与实际的应力-应变曲线进行对比,发现该模型能较好的描述红砂岩动态压缩下的应力-应变曲线,对弹性阶段、弹塑性变形阶段的计算比较准确,表明了该模型的有效性。

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不同含水状态红砂岩蠕变破坏声发射特征

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作者：赵坤江西理工大学

学位级别：硕士

岩石蠕变破坏是诱发金属矿矿柱破坏、采场冒顶主要因素,而水的存在加剧了岩石蠕变破坏的复杂性。因此,探索不同含水状态下岩石蠕变破坏过程响应特征及预测方法具有重要的工程意义。本文对干燥、自然与饱和条件下的红砂岩开展了分级加载... 详细信息

岩石蠕变破坏是诱发金属矿矿柱破坏、采场冒顶主要因素,而水的存在加剧了岩石蠕变破坏的复杂性。因此,探索不同含水状态下岩石蠕变破坏过程响应特征及预测方法具有重要的工程意义。本文对干燥、自然与饱和条件下的红砂岩开展了分级加载蠕变声发射试验,以震源定位、矩张量反演与分形理论为主要研究方法,分析了不同蠕变应力条件下蠕变特征、宏观破坏形式及其与含水状态的关系,研究了蠕变应力大小与含水状态对声发射活动性的影响。在此基础上,分析了在沿试件加载方向震源Z值与垂直加载方向震源R值的时空演化规律,及其与蠕变应力、含水状态的关系,提出了基于震源Z值和震源R值分形维数特征的微裂纹成核、扩展与贯通的辨识方法,探讨了基于震源能量特征的长期强度估测方法,主要得到以下结论:(1)随着含水量的增加,蠕变破坏时轴向应变和横向应变均呈减小趋势,干燥、自然和饱水试件的长期强度分别为44.08MPa、40.41MPa和31.8MPa。(2)当蠕变应力小于长期强度时,声发射活动性较弱,声发射主频范围小且频段数目少。当蠕变应力大于长期强度时,声发射活动性随着蠕变应力的增大而增强,主频范围增大且频段数量变多。在加速蠕变阶段高频震源开始出现,震源主频范围继续增大且频段数目明显增多。随着试件含水量的增加,在加速蠕变阶段主频范围和振铃计数越大,但能率却相对较小。(3)当蠕变应力小于长期强度时,震源数量随着蠕变应力的增大而减小,震源时空演化特征在一定程度上体现的是原生微裂纹被压密的过程。当蠕变应力大于长期强度时,震源数量随着蠕变应力的增大而增加,且震源数量随着含水量的增大而减小。震源时空演化特征在一定程度上体现的是新生裂纹的萌生、成核、扩展与贯通的过程。微裂纹萌生主要产生于减速蠕变阶段,成核主要产生于等速蠕变阶段,微裂纹扩展与贯通形成于加速蠕变阶段。各试件蠕变破坏时,剪切型震源占比约70%,张拉型震源占比约20%,混合型震源占比约10%。(4)不同含水状态试件,在最后一级蠕变应力下震源的时空演化趋势各不相同,在沿试件加载方向上,干燥组试件震源由两端向中间汇集,自然组试件震源由一端逐渐向另一端扩展,饱水组试件震源自试件上部到下部扩展的趋势。在垂直于试件加载方向上,各组试件震源均表现为由试件外环区或中环区域向核心区汇集。(5)在减速蠕变阶段沿加载方向震源坐标Z值和垂直于加载方向震源半径R值分形维数逐渐减小,并在等速蠕变阶段趋于稳定。在一定程度上可将震源Z值与R值分形维数曲线趋于稳定时,作为微裂纹已经汇聚成核的标志。在加速蠕变阶段震源坐标Z值和震源R值分形维数持续增大。在一定程度上,可将震源空间分形维数开始增大作为微裂纹扩展、贯通的标志,该标志可作为红砂岩蠕变破坏的前兆特征。(6)随着试件含水量的增大,各蠕变应力下声发射震源能量越小。声发射震源能量整体上随着蠕变应力的增大呈现先下降后上升的趋势,在某种程度上可将平均震源能量或平均剪切能最小时所对应蠕变应力作为试件的长期强度值。

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分级加载条件下红砂岩蠕变声发射震源演化规律与主频特征

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作者：於鑫佳江西理工大学

学位级别：硕士

岩石的蠕变性质是诱发金属矿山岩石破坏的主要原因之一。采用声发射技术实现对岩石蠕变破坏的预测,其关键在于建立声发射信号与声发射震源动态演化规律之间的关系。本文开展了分级加载条件下红砂岩蠕变声发射定位试验,以矩张量分析方法... 详细信息

岩石的蠕变性质是诱发金属矿山岩石破坏的主要原因之一。采用声发射技术实现对岩石蠕变破坏的预测,其关键在于建立声发射信号与声发射震源动态演化规律之间的关系。本文开展了分级加载条件下红砂岩蠕变声发射定位试验,以矩张量分析方法、小波包分析方法为主要研究手段,分析了不同加载应力条件下,岩石蠕变破坏过程中,声发射活动性特征,以及不同类型震源时空演化规律及其对应主频特征。在此基础上,研究了基于不同类型震源主频特征的岩石蠕变破坏定量预测分析方法,得到以下研究成果:(1)红砂岩长期强度约为60.8MPa,其数值约为单轴抗压强度平均值的75%。在分级加载条件下,红砂岩等速蠕变阶段应变速率与加载应力呈指数函数关系。(2)针对蠕变声发射历时长,提取对应声发射波形文件数据量大的特点,以最小二乘法定位点为中心点,以1mm的长度为球半径,随机选取球面上3个点和中心点,作为四边体的4个顶点,以此为基础,依据矩张量理论,编制了基于最小二乘法的单纯形算法声发射震源定位与类型辨识程序,实现了蠕变破坏过程声发射定源定位与类型辨识的程序化,在一定程度上提高岩石蠕变声发射试验数据处理的效率。(3)相对于单轴压缩试验,剪切、张拉与混合震源在破坏过程中的演化规律表现为自试件端面向试件中部发展的过程。红砂岩在蠕变破坏过程中,剪切、张拉与混合震源先产生于试件中部,而后自等速蠕变后期开始,震源逐步向试件上、下端部发展,并在加速蠕变起点处再次汇集于试件中部,形成宏观破裂面“雏形”,最后在加速蠕变阶段新生震源以该“雏形”为基础,直至形成宏观破裂面。(4)红砂岩在蠕变破坏过程中,声发射事件率、声发射振幅随着加载应力的增大而增大。在加速蠕变起点与终点处,声发射事件率与声发射振幅均出了一次“集群”状增大,整个加速蠕变阶段曲线形状类似“U”型。(5)在分级加载蠕变破坏过程中,红砂岩震源主频范围在0000kHz之间,大于单轴压缩破坏过程中震源主频范围,并且震源主频随蠕变加载应力的增大而增大。相对而言,在蠕变破坏过程中剪切震源呈现多主频特征。(6)不同类型的震源的汇集与贯通,降低了不同类型震源的主频,可将剪切、张拉与混合震源对应的主频均出突然减小至050kHz,作为分级加载条件下红砂岩蠕变破坏的预测方法。

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花岗岩蠕变破坏声发射震源特征及其演化规律

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作者：包涵江西理工大学

学位级别：硕士

岩石蠕变是引发金属矿山地压活动主要原因之一,探索不同应力条件下岩石蠕变过程中的变形破坏机制及预测方法具有重要工程意义。本文对花岗岩进行了分级加载蠕变声发射震源定位试验,研究了花岗岩蠕变特征、声发射特征参数与加载应力的关... 详细信息

岩石蠕变是引发金属矿山地压活动主要原因之一,探索不同应力条件下岩石蠕变过程中的变形破坏机制及预测方法具有重要工程意义。本文对花岗岩进行了分级加载蠕变声发射震源定位试验,研究了花岗岩蠕变特征、声发射特征参数与加载应力的关系,提出改进的稳态蠕变速率法作为岩石长期强度估测方法。基于单纯形算法,分析了破坏蠕变声发射震源分布特征,研究了震源沿加载方向与垂直加载方向演化规律及其空间分形维数特征。在此基础上,以矩张量分析方法为主要研究手段,分析了蠕变破坏过程中对应于剪切型、张拉型与混合型声发射震源震级、绝对能量与主频特征,最后,建立了可表征花岗岩蠕变特征的颗粒流程序(PFC)数值模型,探索了不同蠕变应力条件下弹性应变能与耗散能特征,在一定程度上揭示了花岗岩蠕变破坏能量机制。得到以下主要结论:(1)相对单轴压缩试件,蠕变试件的破裂面倾角与最大主应力夹角减小,均值约为76°,蠕变试件主要以剪切型破坏为主;采用改进的稳态蠕变速率法确定花岗岩的长期强度约为61.1MPa,约占单轴抗压强度均值的81.5%。随着蠕变应力的不断增大,瞬时应变呈现先减小后稳定的趋势;蠕变破坏时蠕变速率曲线呈“U”型,呈现先减小然后基本不变最后突增的趋势。(2)相对而言,当蠕变应力小于长期强度,声发射平均事件数、平均能量随着蠕变应力的增大无显著变化,但声发射平均振幅出现减小的趋势,当蠕变应力大于长期强度,声发射平均事件数、平均能量、振幅显著增大。在一定程度上可将累计能量突增作为岩石即将步入加速蠕变阶段的前兆特征。(3)当蠕变应力接近长期强度,震源主要分布在试件上下两端,沿加载方向震源z值范围位于42mm～58mm较少;垂直加载方向震源由侧壁逐渐向轴线靠拢,震源r值在0mm～5mm范围内几乎不存在。当蠕变应力大于长期强度,在减速、等速蠕变阶段,沿加载方向震源z值主要在0mm～42mm与58mm～100mm的范围内;垂直加载方向震源r值主要位于范围为6mm～25mm的外核心圈。加速蠕变阶段沿加载方向上震源由端面向中部汇聚;垂直于加载方向震源由试件外壁迅速向轴心汇聚,贯穿试件。当蠕变应力接近长期强度时,剪切型震源聚集于试件中上部与中下部;张拉型震源向着试件中部靠拢;混合型震源在端部越来越多。当蠕变应力大于长期强度,剪切型、张拉型及混合型震源都密集的分布在试件内部。(4)在蠕变破坏过程中,剪切型震源数目最多,占总震源数目的67.3%～75.2%;张拉型震源数目次之,占总震源数目的15.5%～23.1%;混合型震源数目最少,占总震源数目的9.2%～17.8%。对震级而言,随着蠕变应力的增大,混合型、剪切型及张拉型震源震级都呈逐渐增大的趋势。当蠕变应力大于长期强度时,剪切型震源震级均值最大,混合型震源震级均值最小。(5)当蠕变应力小于长期强度,主频范围起初主要位于230k Hz～340k Hz,随着蠕变应力的增大,增加两条主频带,范围分别30k Hz～35k Hz、100k Hz～130k Hz。当蠕变应力大于长期强度时,减速阶段、等速蠕变阶段的主频带范围增大,分别位于25k Hz～45k Hz、90k Hz～145k Hz、215k Hz～350k Hz的范围。在加速蠕变阶段,主频带明显拓宽,可将主频带开始明显拓宽作为步入加速蠕变阶段的一种辨识方法。在蠕变破坏时,剪切型、张拉型震源主频带范围在减速、等速蠕变阶段相似,其主频带范围大于混合型震源主频带范围。(6)在蠕变过程中,弹性应变能、耗散能与蠕变应力呈指数函数关系。当蠕变应力大于长期强度时,在减速蠕变阶段与等速蠕变阶段,弹性应变能与耗散能逐渐增大,在加速蠕变阶段,耗散能突然增大,弹性应变能先短暂下降然后突然增大。其中,弹性应变能短暂下降这一特征预示着此时微裂纹发生了质的变化,大量裂纹开始汇聚、贯通,也可作为进入加速蠕变阶段的判断依据。

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含贯通节理花岗岩蠕变声发射特征

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作者：王文杰江西理工大学

学位级别：硕士

节理发育的岩石是金属矿山井下开采过程中地压活动最为活跃的区域之一,其蠕变性质是诱发巷道片帮、采场冒顶、采空区垮塌等典型灾害重要因素之一,对节理岩石蠕变破坏进行可靠、精确预测、预报是金属矿山亟需解决的技术难题。本文对含贯... 详细信息

节理发育的岩石是金属矿山井下开采过程中地压活动最为活跃的区域之一,其蠕变性质是诱发巷道片帮、采场冒顶、采空区垮塌等典型灾害重要因素之一,对节理岩石蠕变破坏进行可靠、精确预测、预报是金属矿山亟需解决的技术难题。本文对含贯通节理花岗岩进行分级加载蠕变试验,采用稳态蠕变法估算了试件的长期强度,分析了含贯通节理花岗岩在蠕变过程中的声发射事件率和累计事件数等活动特征,研究了声发射活动特性与节理倾角的关系。采用单纯形定位算法得到各试件蠕变破坏过程的震源空间坐标,运用矩张量分析法对震源破裂类型进行了识别。在此基础上,分析了蠕变声发射震源演化规律以及声发射震源时空分形维数特征,提出了含贯通节理花岗岩蠕变破坏的预测方法。通过对细观参数的调试,建立了可体现含贯通节理花岗岩蠕变特征的PFC模型,研究了蠕变过程中弹性应变能和耗散能的变化特征,并分析了蠕变破坏过程能量演化与节理倾角的关系。主要得出以下结论:(1)含贯通节理花岗岩单轴抗压强度、弹性模量随着节理倾角的增大而减小,在压密阶段的应变量随着节理倾角的增大而增大。(2)节理倾角为15°、30°、45°、60°花岗岩的长期强度分别为52.3MPa、46.4MPa、42.3MPa和22.7MPa。试件的长期强度随着节理倾角的增大而减小,并且可用y=-0.016x+0.6x+46.3函数表示。各试件瞬时应变量的整体趋势是随着蠕变应力的增大而减小,且在第一级蠕变应力作用下试件的瞬时应变最大,约占总应变的66%～79%。当蠕变应力小于长期强度时,各试件等速蠕变阶段的平均声发射事件率,随着节理倾角的增大呈现增大→减小→增大的趋势;当蠕变应力大于长期强度时,各试件等速蠕变阶段的平均声发射事件率,随着节理倾角的增大表现为减小→增大的特征。(3)剪切型震源占总震源数的65.5%～69.9%左右;张拉型震源占总震源数的18.9%～22.8%左右;混合型震源占震源总数的9.1%～12.2%左右。当蠕变应力小于长期强度时,剪切型震源随着节理倾角的增大而增多;张拉型震源随着节理倾角的增大先增大后减少;混合型震源随着节理倾角的增大而增多。当蠕变应力大于长期强度时,剪切型震源随着节理倾角的增大而大幅度增多;张拉型震源随着节理倾角的增大而增多;混合型震源随着节理倾角的增大而多。(4)在减速蠕变阶段试件的震源z值与r值分形维数呈减小趋势;在等速蠕变阶段震源z与r值试件的值分形维数基本保持稳定;在加速蠕变阶段的z值与r值分形维数均基本保持不变。在一定程度上,可将z与r值的同时增大,作为含贯通节理花岗岩蠕变破坏前兆特征。(5)当节理倾角小于等于45°时,弹性应变能随着节理倾角的增大而增大,大于45°时弹性应变能减小;耗散能随着节理倾角的变化表现为:当倾角小于等于30°时保持相对稳定,在30°～45°之间随倾角增大而减小,大于45°时随倾角增大而增大。对于含节理岩石蠕变破坏过程中,耗散能随着蠕变历时的增大总体呈现增长的趋势,但弹性应变能在加速蠕变起点处存在突然减小的。

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