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基于声发射和图像处理技术对类岩石材料破裂过程的模型试验研究

李鹏飞  
【摘要】:由于复杂的地质构造和赋存条件,岩石是一种典型的不连续介质,存在一些如矿物解理、微裂隙、粒间空隙、晶格缺陷等内部缺陷。国内外学者经过大量研究发现,在受力的情况下,这些软弱结构面会张开、扩展并贯通引起岩石的失稳甚至破坏。因此,进行含预制裂纹试样的相似模型试验研究,对实际工程有重要的指导意义。关于含两根预制裂纹的试样,学者们做了大量的研究工作,但没有综合考虑空间布置对试样破坏过程的影响。本文为了研究裂纹空间布置因素对起裂模式、破坏模式、试样力学特性以及试样表面位移变化的影响,基于声发射和图像处理技术主要做了以下工作并取得了相应成果:①对预制裂纹尖端微裂纹出现的先后顺序进行了描述,并对新生裂纹的类型进行了归类:翼型裂纹,次生共面裂纹和次生倾斜裂纹。考虑了裂纹的空间布置因素对起裂模式和破坏模式影响:随着裂纹倾角增大,当裂纹间距比较小时,试样破坏模式由剪切破坏向张拉破坏转变,而当裂纹间距比较大时,试样破坏模式在张拉破坏的几种模式之间转变;随着裂纹间距的变大,试样由剪切破坏向张拉破坏转变;随着裂纹未连通率变化,试样破坏模式主要在张拉破坏的几种模式之间转变。②分析在不同空间分布下试样的应力-应变曲线,考虑了裂纹的空间布置因素对试样力学特性的影响:随着裂纹倾角的变大,试样的起裂应力有先减小后增大的,也有一直增大的,而峰值应力有先增大后减小的,也有一直增大的;随着裂纹间距的变大,试样的起裂应力和峰值应力都是先减小后增大;随着裂纹未连通率变小,试样的起裂应力和峰值应力都是先减小后增大。③根据试样破坏过程中的声发射数据和应力应变曲线,分析每个试样破坏过程中的声发射特征,得到如下结论:剪切破坏模式中产生声发射事件的水平比较低,其变化趋势与应力应变曲线基本一致;张拉破坏模式中产生声发射事件的水平比较高,其变化趋势与应力应变曲线有较大的不同。④通过观察试样的位移矢量图和数值模拟结果,分析了裂纹起裂和试样破坏时的位移变化情况,得到如下结论:起裂时,试样变形一般以压缩变形为主,试样一般有向下方移动的趋势;破坏时,试样表面位移改变比较大,有明显的相对滑移现象;根据裂纹空间布置的不同,相对滑移面沿主对角线或副对角线。


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