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

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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1 绪 论

1.1理论背景与研究意义

1.2国内外研究方法与现状

1.3本文研究内容与方法

2 试验总体设计

2.1试样模具及裂纹几何布置

2.2裂纹制作及试样制备

2.3实验装置和加载过程

2.4本章小结

3 裂纹扩展与试样破坏分析

3.1预制裂纹扩展介绍

3.2最终破坏形态及新生裂纹

3.3裂纹的起裂及贯通破坏模式

3.4本章小结

4 试样力学特性雨声发射特征分析

4.1单轴压缩下试样的应力-应变曲线

4.2 预制裂纹应力场分析

4.3单轴压缩下声发射特征

4.4本章小结

5 单轴压缩下试样表面位移分析

5.1数字图像技术原理

5.2试样数字图像处理

5.3试样表面位移分析

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1本文主要结论

6.2展望

致谢

参考文献