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不同变温路径岩石温度记忆效应响应机制研究

不同变温路径岩石温度记忆效应响应机制研究

作者：谭小松中南大学

学位级别：硕士

深部资源能源开采、火山和地热系统、高放核废料深埋处置等工程岩体及火灾岩体均会经历不同温度变化路径的多次高温作用。类比应力Kaiser效应,把岩石对历史最高温度的记忆能力称为温度记忆能力,相应的声发射特征称为热Kaiser效应。本文... 详细信息

深部资源能源开采、火山和地热系统、高放核废料深埋处置等工程岩体及火灾岩体均会经历不同温度变化路径的多次高温作用。类比应力Kaiser效应,把岩石对历史最高温度的记忆能力称为温度记忆能力,相应的声发射特征称为热Kaiser效应。本文选取了三种典型岩性岩石-花岗岩、大理岩和红砂岩作为研究对象,围绕岩石对历史最高温度的记忆能力,以岩石热处理变温路径为变量,设置了单次热处理(A组)、不同最高温度二次热处理(B组)、同值异序三次热处理(C组)三组试件,对每组试件进行了相同的物理参数(质量、尺寸、体积、密度、纵波波速)和力学参数(单轴抗压强度UCS和巴西劈裂强度UTS)测试,探究了不同温度多次热处理岩石实时热声发射(TAE)和嗣后物理力学性质的温度记忆效应。主要研究成果和结论如下:(1)对A组岩石,花岗岩和红砂岩的表观颜色逐渐变浅,三种岩石的晶粒界限逐渐明显。600°C内三种岩石的质量损失率都均匀增大;体积和密度变化率、UCS和UTS呈现基本相似的较低高温慢速变化、较高高温快速变化,临界温度为300°C～500°C。纵波波速损伤因子由高到低分别为大理岩、花岗岩、红砂岩。(2)通过实时高温下岩石TAE试验探索了三种岩石经历RT-400°C-RT-600°C-RT(RT为室温)热处理过程中的热Kaiser效应响应特征,以“岩石再次受热的温度不超过历史最高温度时鲜有AE现象”作为判断岩石热Kaiser效应的标志。结果表明:花岗岩和大理岩在经历多次最高温度不同的热处理过程中表现了较明显的热Kaiser效应;红砂岩不表现热Kaiser效应,而通常表现热Felicity效应。(3)将“再次经受的较低温度热处理对岩石参数变化不具有进一步的加剧作用”称为岩石对该参数的温度记忆效应,对照分析结果表明:(1)花岗岩和大理岩对质量损失、体积膨胀和密度降低具有温度记忆效应,而红砂岩没有。(2)纵波波速上,对照组花岗岩和大理岩产生了等效热损伤,而红砂岩产生了非等效热损伤,且不等效程度随两次热处理温差缩小而增大。(3)花岗岩对UCS表现明显的温度记忆效应;大理岩表现的温度记忆能力不如花岗岩;而红砂岩基本不表现对其的温度记忆效应,且加剧弱化作用随两次热处理温差的减小而增强。(4)花岗岩、大理岩和红砂岩均具备对UTS的温度记忆能力,且大理岩和红砂岩表现得比花岗岩更明显。(4)花岗岩、大理岩和红砂岩经历同值异序的多次热处理后的基本物理力学参数基本一致,故花岗岩、大理岩和红砂岩的基本物理和力学性质变化均与温度路径无关。C组与A组对照组(按热处理最高温度形成对照组)各物理力学参数的对比结果进一步证明了前述的三种岩石对各基本物理和力学参数的温度记忆效应响应特征。图67幅,表24个,参考文献95篇

关键词：岩石温度路径温度记忆效应物理力学性质热声发射

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岩石统计损伤本构模型及其参数反演

岩石力学与工程学报 2005年第4期24卷 616-621页

作者：刘齐建杨林德曹文贵同济大学地下建筑与工程系上海200092 湖南大学土木工程学院湖南长沙410082

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较... 详细信息

结合连续强度理论和统计理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,建立了岩石统计损伤本构模型。分析结果表明,将岩石破坏准则作为微元强度分布变量建立统计损伤本构模型时,破坏准则的选择对建立的模型曲线和损伤岩石等效弹性模量的影响较大,因此应选取合适的岩石破坏准则。运用岩土工程反演分析方法,求解了本构模型中的统计分布参数,使所得的统计损伤本构模型能够考虑应力状态对模型曲线的影响。与前人理论曲线和试验结果的比较表明,所建立模型合理且具有工程实用价值。

关键词：岩石力学岩石统计损伤本构模型反演

基于DIC方法的岩石损伤演化及断裂特征研究

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基于DIC方法的岩石损伤演化及断裂特征研究

作者：黄华森辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

在矿山、公路和水利等工程建设中可能会产生岩爆、地基塌陷或突水等工程灾害,岩石的损伤断裂过程与这些工程灾害紧密相关。岩石作为一种非均匀材料,受到外载荷和环境作用产生断裂时,初始的缺陷逐渐扩展连接,通常会伴随不同程度的损伤产... 详细信息

在矿山、公路和水利等工程建设中可能会产生岩爆、地基塌陷或突水等工程灾害,岩石的损伤断裂过程与这些工程灾害紧密相关。岩石作为一种非均匀材料,受到外载荷和环境作用产生断裂时,初始的缺陷逐渐扩展连接,通常会伴随不同程度的损伤产生,导致岩体结构稳定性降低,因此研究岩石的损伤断裂行为尤为重要。采用损伤和断裂理论以及数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法对岩石裂纹扩展过程进行研究,主要工作获得以下具体成果:(1)从损伤的角度分析岩石裂纹扩展过程中的断裂过程区,假设岩石细观单元强度服从威布尔分布,建立以应变定义的统计损伤本构模型,该模型能够反映岩石损伤变量的变化,为裂纹扩展的损伤演化特征分析奠定理论基础。(2)制作不同预制裂纹长度和角度的半圆盘岩石试件,采用三点弯曲试验方法,利用DIC方法测定岩石表面的变形场,声发射(Acoustic Emission,AE)方法监测岩石内部破裂的声发射信号,研究岩石的Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展的演化特征。(3)对半圆盘试件进行三点弯曲试验,分析不同预制裂纹长度和角度下的载荷时间曲线、位移场、应变场、裂纹尖端张开位移和应力强度因子,结果表明岩石裂纹扩展的断裂特征受预制裂纹长度和角度的影响。分析声发射方法测量的振铃计数和能量,验证DIC方法测量结果的可靠性,为岩石裂纹扩展的损伤演化特征分析提供试验数据。(4)提出使用DIC和有限元方法(FEM)结合分析,将数字图像相关方法测量岩石裂纹尖端区域发生损伤后的应变场,和数值模拟求解未发生损伤的应变场,通过推导的损伤本构方程,将试验测量的结果和数值计算的结果之间的误差建立目标函数,采用最小二乘法求解损伤变量。(5)分析观测区域损伤变量分布,研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的损伤扩展过程及演化特征以及断裂过程区的几何变化规律,研究表明,损伤场的局部化带长度可表征断裂过程区长度,可以有效判别裂纹扩展过程中的亚临界扩展阶段,亚临界扩展过程对于岩石裂纹失稳扩展的前兆信息研究具有重要意义。将损伤变量的分布与应变场进行对比分析,验证该计算方法的合理性。该论文有图39幅,表8个,参考文献69篇。

关键词：数字图像相关损伤断裂过程区有限元声发射岩石

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微波照射后岩石的劣化规律与机理分析

微波照射后岩石的劣化规律与机理分析

作者：王皓天合肥工业大学

学位级别：硕士

随着社会的迅速发展,地下工程领域进入高速发展时期。在相关的工程建设中,岩石的破碎成为一个重要问题。微波辅助破岩技术有效的弥补了现有破岩技术的缺陷,提高了破岩效率。因此,研究微波照射后岩石的劣化规律与劣化机理,对微波辅助破... 详细信息

随着社会的迅速发展,地下工程领域进入高速发展时期。在相关的工程建设中,岩石的破碎成为一个重要问题。微波辅助破岩技术有效的弥补了现有破岩技术的缺陷,提高了破岩效率。因此,研究微波照射后岩石的劣化规律与劣化机理,对微波辅助破岩技术的发展具有理论和工程应用价值。本文以典型岩石花岗岩、灰岩、青砂岩为研究对象,首先对其进行微波照射试验,再通过单轴压缩试验对其劣化规律进行研究,并通过热分析试验和XRD试验对其劣化机理进行分析。取得的主要成果如下:(1)开展了微波照射后干燥状态下不同类型岩石强度劣化特性研究。随着微波时间和微波功率的增加,花岗岩、灰岩的物理力学性能逐步劣化,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量、变形模量逐渐降低。而青砂岩相反,微波照射后,强度逐渐增强。(2)开展了青砂岩饱水状态下的微波破裂和强度劣化特性研究。随着微波功率的增加,破裂时间呈指数减少,拟合公式为y=127.65e,破裂效果也逐渐变好。微波照射后饱水青砂岩的强度呈先上升后下降的趋势,2 k W微波照射10 s时,强度小幅上升,随着微波时间和微波功率的增加,强度又显著下降。(3)分析了微波照射后花岗岩、灰岩、青砂岩的劣化机理。微波照射后花岗岩、灰岩强度劣化,其主要原因是微波照射时岩石内部形成较大热应力,对岩石造成损伤;同时,微波照射产生高温,导致矿物的结晶水和结构水挥发,矿物结构被破坏,加上产生的蒸汽压力,对岩石的劣化也起到了一定的促进作用。微波照射后青砂岩强度增强,则是其特殊的颗粒联结方式导致的,青砂岩颗粒间为胶结联结,微波受热后颗粒间的胶结力增大,整体强度上升。而对青砂岩先进行饱水处理再进行微波照射,孔隙中自由水挥发产生较大的蒸汽压力,对岩石造成损伤,整体上又表现为强度的降低。

关键词：微波岩石劣化强度水热应力

基于不同后处理方法的砂型3D打印类岩石试样力学性能及微观结构研究

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基于不同后处理方法的砂型3D打印类岩石试样力学性能及微观结构研...

作者：王肖辉长安大学

学位级别：硕士

3D打印作为一种快速成型技术在岩土工程领域中有着极大的应用潜力,将3D打印技术应用于岩石室内试验研究,能有效克服传统试样结构不均一、试验结果离散性大的缺陷。但是3D打印试样与天然岩石之间相似性较差一直是亟待解决的关键问题之一... 详细信息

3D打印作为一种快速成型技术在岩土工程领域中有着极大的应用潜力,将3D打印技术应用于岩石室内试验研究,能有效克服传统试样结构不均一、试验结果离散性大的缺陷。但是3D打印试样与天然岩石之间相似性较差一直是亟待解决的关键问题之一。通过后处理使3D打印产物的最终性能达到预期目标是工业生产中的常用方法,而这种方法也为解决前述难题带来了新的思路。本文针对提升3D打印技术在岩石室内试验中的适用性开展研究,选取了GS19砂和呋喃树脂作为原材料,通过建立数字三维模型制备出砂型3D打印类岩石试样,并对经过不同后处理的试样开展了宏微观层面的试验研究,综合分析了试样在力学性能、微观结构以及分形特征等方面发生的变化。最后,从应用角度研究了强度和刚度经后处理显著提升的含预制裂隙试样在单轴压缩条件下的力学特性及裂纹扩展特征。本文的主要工作及结论如下:(1)介绍了砂型3D打印技术的打印原理及试样制备流程,并结合砂型3D打印技术的工艺特点和材料特征,以提升试样的强度和刚度为目标,对打印试样分别进行了包括真空渗入、低温以及渗入低温结合在内的后处理。(2)对经过不同后处理的砂型3D打印试样和未经处理的对照组试样进行力学性能测试。经试验对比发现,不同后处理的试样单轴压缩强度均高于未处理试样,其中渗入低温结合处理的方法可显著提升未处理试样的强度和刚度,而试样的抗拉强度则主要与内部的胶结物质有关。进一步将试样与天然岩石的力学性能和破坏模式进行比较,发现低温处理试样和渗入低温结合处理试样分别与弱胶结粗粒砂岩和花岗岩有着一定的相似性。(3)采用压汞及扫描电镜试验对经过不同后处理的砂型3D打印试样和未经处理的对照组试样进行了微观结构分析,并应用分形理论对试样微观结构的分形特征开展研究。研究发现,未经渗入的试样内部孔隙结构单一,分形特征不明显,与天然岩石存在差异,而经过渗入的试样内部孔隙分形特征明显,更加贴近天然岩石;使用合适的分形维数可以实现微观试验结果的量化表征;提升试样强度和刚度的关键为提高试样内部密实度、改善胶结物质性能以及加强颗粒与胶结物质间的整体性。(4)对含有不同倾角的预制单、双裂隙3D打印岩体试样进行渗入低温结合处理,并开展单轴压缩试验进行力学性能和裂纹扩展的研究。研究表明,荷载作用下单裂隙试样因裂隙倾角不同而出现的裂纹扩展形式、强度变化规律以及试样破坏特征与多数脆性材料一致;而双裂隙试样因水平预制裂隙的存在使其多发生张拉破坏,且应力应变曲线在峰后阶段出现应力再次上升。

关键词：岩石 3D打印后处理方法力学性能微观结构分形维数预制裂隙

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岩石在三轴加卸荷过程中的一种本构模型研究

岩石力学与工程学报 2002年第5期21卷 626-631页

作者：赵明阶许锡宾徐蓉重庆交通学院河海系重庆400074 重庆交通学院教务处重庆400074

岩石被视为包含有随机分布、无充填的椭球形微裂纹的各向同性体,岩石变形分解为岩石母体的线弹性变形和微裂纹的变形之和。基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。一组石膏... 详细信息

岩石被视为包含有随机分布、无充填的椭球形微裂纹的各向同性体,岩石变形分解为岩石母体的线弹性变形和微裂纹的变形之和。基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。一组石膏模型的三轴实验结果显示,实验数据与理论计算结果能基本吻合。

关键词：岩石本构模型三轴卸荷

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岩石材料的冲击开裂机理

爆炸与冲击 2008年第4期28卷 304-309页

作者：陈德春孟红霞吴飞鹏张琪中国石油大学石油工程学院山东东营257061

基于爆燃压裂造缝原理.研制了可以模拟爆燃加载环境的岩石冲击开裂实验装置,为进行动载下的岩石开裂机理研究提供了实验手段。根据动量和能量守衡原理等.建立了冲击峰值压力和加压速率计算模型,模型计算结果与16次钢质岩心实验结果间平... 详细信息

基于爆燃压裂造缝原理.研制了可以模拟爆燃加载环境的岩石冲击开裂实验装置,为进行动载下的岩石开裂机理研究提供了实验手段。根据动量和能量守衡原理等.建立了冲击峰值压力和加压速率计算模型,模型计算结果与16次钢质岩心实验结果间平均相对误差分别为2.56%和4.04%,具有较高的精度。39次岩石冲击开裂实验结果分析表明,冲击能盘和平均加压速率是影响岩石开裂以及开裂能否形成多条裂缝的主要因素;多条开裂裂缝的形成更大程度上取决于平均加压速率.且存在明显的临界平均加压速率;基于实验结果的灰色关联分析和多元二次多项式回归,建立的裂缝条效计算相关公式具有较高的精度.为油气田开发中爆燃压裂技术的机理研究和施工参数设计与控制提供重要的依据。

关键词：固体力学开裂机理冲击岩石计算模型

基于岩石图像特征学习的岩性智能识别方法研究

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基于岩石图像特征学习的岩性智能识别方法研究

作者：袁航中南大学

学位级别：硕士

岩性识别是资源勘探、地质调查、岩土勘察、岩石力学等领域的一项基础性、前提性工作。准确快速的岩性识别能够帮助地质学家推断区域地质演化历史,判断深部矿产资源、油气资源类型,反演资源储量信息;为矿山开采、隧道开挖、水利水电建... 详细信息

岩性识别是资源勘探、地质调查、岩土勘察、岩石力学等领域的一项基础性、前提性工作。准确快速的岩性识别能够帮助地质学家推断区域地质演化历史,判断深部矿产资源、油气资源类型,反演资源储量信息;为矿山开采、隧道开挖、水利水电建设等大型岩石工程施工设计提供指导。地层岩性勘探不充分则易在施工建设时期发生坍塌、滑坡、沉降、岩爆等多种工程地质灾害。因此,准确快速的岩性识别具有重要意义。然而,目前的岩性识别方法和手段对人员和设备依赖性强,识别过程耗时费力、主观不确定性强,无法满足要求。近些年快速发展的人工智能技术能够实现目标的智能检测、分类及分割,为岩性智能化识别提供了支撑。因此,本文就岩性智能识别方法开展研究,综合采用数字图像处理、机器学习、深度学习、目标识别在内的多种方法和技术,提取岩石图像特征,建立基于岩石图像特征学习的岩性识别模型,实现岩性智能化识别,主要的研究内容如下:(1)从开源数据库—国家岩矿化石标本资源共享平台收集岩石手标本图像,构建包含20种岩性的共2315张图像的岩石宏观图像集。从开源数据库—中国科学数据网中的岩石显微图像专题论文集以及网络开放资源库中整理收集岩石薄片镜下显微图像,构建包含13种岩性的共2930张图像的岩石微观图像集。对岩石图像进行尺寸缩放、图像增强的预处理,为后续岩性智能识别模型的训练及测试提供支撑。(2)考虑基于机器学习的岩性智能识别目前存在特征维度高而样本数量少的问题,提出了基于特征度量与孪生神经网络的宏观岩石图像岩性智能识别方法。首先利用数字图像处理技术从宏观岩石图像中提取光学特征,包括纹理、颜色和统计类型等共91种特征构建特征数据集;其次对数据集进行交叉重组并重新定义为0/1类型标签,以此构建新的数据集以实现样本数据信息的深度挖掘;然后以两个相同结构的单神经网络为基础构建孪生神经网络SNN(Siamese Neural Network)岩性识别模型,定义距离函数为两姊妹神经网络输出特征的距离平方和。最后以新的数据集训练并测试模型的岩性识别可靠性,并以传统的神经网络模型作为对比验证。(3)考虑基于深度学习卷积神经网络的岩性智能识别目前存在池化方法对岩石特征信息表征能力不足的问题,提出了基于自适应二阶池化卷积神经网络的微观岩石图像岩性智能识别方法。按照所要进行池化的对象是否为网络的最后一个卷积层将池化层划分为采样池化层和分类池化层;采样池化层使用自适应池化方法,为每一个特征图设计池化核,池化核参数跟随神经网络训练过程自适应调节;分类池化层使用二阶池化方法,从特征对中提取基于二阶外积的特征信息,推导两种池化方法在正向和反向传播中的变化过程。以经典CNN模型为骨架,嵌入两种池化方法构建岩石薄片岩性识别模型(ASOPCNN),以微观岩石图像集进行训练和测试,以验证模型识别岩性的可靠度。(4)为进一步验证所建立的岩性识别模型在未知岩样图像岩性识别方面的性能,建立与上述开源数据库非同源的新测试集用于测试,同时与目前使用的其它几种常用的智能识别方法作比较,综合验证本文所提出的岩性智能识别方法的应用效果。图66幅,表18个,参考文献95篇

关键词：岩石岩石薄片图像岩性识别人工智能机器学习深度学习卷积神经网络

岩石空隙变化及其变形全过程的统计损伤模拟方法

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湖南大学学报（自然科学版） 2017年第9期44卷 100-106页

作者：曹文贵张超贺敏刘涛湖南大学岩土工程研究所湖南长沙410082

针对因空隙(包括初始和次生空隙)变化引起岩石变形呈现高度非线性的特征,首先将岩石视为由颗粒骨架和空隙两部分组成,并采用宏观与微观分析相结合的方法,建立岩石应力与应变分别在宏观与微观方面的关系,从而揭示空隙岩石变形力学机理,... 详细信息

针对因空隙(包括初始和次生空隙)变化引起岩石变形呈现高度非线性的特征,首先将岩石视为由颗粒骨架和空隙两部分组成,并采用宏观与微观分析相结合的方法,建立岩石应力与应变分别在宏观与微观方面的关系,从而揭示空隙岩石变形力学机理,为模拟岩石变形全过程奠定了基础;然后,在此研究基础上依据Lemaitre应变等价性原理,建立考虑空隙变化影响的新型岩石损伤模型,引入统计损伤理论进而建立能够模拟岩石变形全过程的统计损伤本构模型并给出了参数确定方法.该模型不仅能反映岩石的应变软化特性,而且还能反映因空隙压缩引起的岩石变形的非线性特征;最后,通过实例分析,将本文及同类模型的理论曲线与实测曲线进行对比分析,表明了本文模型与方法的合理性与优越性.

关键词：岩石空隙变化统计损伤理论本构模型非线性变形