岩石应变-损伤时空演化特征及失稳前兆信息识别研究

摘要

本文通过建立试样应变-声发射测试实验系统，研究了不同加载条件下试样应变与声发射信号时序特征；建立了基于声发射事件的试样损伤评价模型，研究了损伤与应力之间的关系，同时对试样失稳破坏过程中裂隙的演化过程进行了实验描述；建立了基于D-P准则的弹塑性本构模型，并通过数值模拟方法对应变-损伤演化规律进行了验证；基于临界慢化理论，对试样失稳破坏应变前兆信息进行了识别研究。基于重标极差（R/S）研究方法，对试样失稳破坏声发射前兆信息进行了识别研究。可得出以下基本结论： （1）基于应变测试结果，在单轴加载条件下，应变受外界载荷波动性影响较大，当载荷发生波动时，应变也随之发生剧烈变化。测点应变时空特征主要可分为3类：1.随着载荷或时间的增加，应变逐渐增加；2.随着载荷或时间的增加，应变先降低后增高；3.随着载荷或时间的增加，应变先增加后减小。在分级加载条件下，力加载阶段，测点应变随外界载荷的变化而变化，而在力保持阶段，应变值趋近于稳定。 （2）基于声发射测试结果，随着加载的进行，声发射信号活动逐渐活跃，并且在试样失稳破坏时刻声发射计数与能量发生突增现象。分级加载条件下：在每一级加载条件下试样声发射计数及能量随载荷的增加呈先增加后减小的趋势，在力保持阶段，试样声发射计数及能量降低甚至为零。试样裂隙发展方向与施加载荷方向大致相同，试样最终表现为脆性破坏。根据建立的损伤评价模型，试样损伤与载荷呈指数函数关系。 （3）基于数值模拟结果，随着单轴加载的进行，模型应变，弹性应变能密度均随之而增加。动静载耦合作用下，当静载相同时，随着扰动强度的增加，模型的应变局部化带面积，应变，弹性应变能均随之增加，模型的损伤程度也随之增加。 （4）基于临界慢化原理，定量分析应变方差时序变化。邻近试样破裂时刻，试样测点应变的方差开始增加或者波动性增加，然后迅速增加或者骤增，也证实了开展基于内部应变的冲击地压监测及预警研究的可行性。试样在失稳破坏前声发射信号出现“平静期现象”，其可作为“前兆信息点”进行冲击地压短期预警；在加载过程中，声发射计数与能量的Hurst指数明显增加至最大值而分形维数DF明显减小至最小值，可将其作为试样失稳破坏的前兆信息。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1 研究目的及意义

1.2.1冲击地压机理与监测研究现状

1.2.2实验室条件下受载岩石应变研究现状

1.2.3实验室条件下受载岩石声发射研究现状

1.3存在的问题与不足

1.4研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

2实验系统及实验方案

2.1实验系统

2.1.1加载系统

2.12应变测试系统

2.13声发射测试系统

2.14高速相机

2.2试样制备

2.3实验方案

2.4本章小结

3试样测点应变时空特征研究

3.1 试样应变测点布置方案

3.2 单轴加载条件下试样测点应变研究

3.21试样表面测点应变时空特征

3.22试样内部测点应变时空特征

3.3 分级加载条件下试样测点应变研究

3.31试样表面测点应变时空特征

3.32试样内部测点应变时空特征

3.4本章小结

4试样声发射时空特征及损伤研究

4.1前言

4.2声发射探头布置方案

4.3试样声发射信号时空特征

4.31单轴加载条件下声发射信号时空特征

4.32分级加载条件下声发射信号时空特征

4.4试样失稳破坏的动态过程

4.41相关机理

4.42试样裂隙起裂与扩展研究

4.5基于声发射事件的试样损伤模型及损伤度评价

(1)损伤模型

(2)损伤评价

4.6本章小结

5岩石应变-损伤时空特征数值模拟研究

5.1前言

5.2相关理论

5.21D-P屈服准则

5.22基于D-P准则的弹塑性材料本构模型

5.3单轴加载数值模型及结果分析

5.31数值计算模型及边界条件

5.32模型应变时空演化特征

5.33模型能量时空演化特征

5.34模型塑性区时空演化特征

5.4动静载耦合作用下数值模型及结果分析

5.31数值计算模型及边界条件

5.41模型应变时空演化特征

5.42模型能量时空演化特征

5.42模型塑性区时空演化特征

5.5本章小结

6试样测点应变及声发射信号前兆信息识别研究

6.1前言

6.2 试样失稳应变前兆信息识别

6.31相关理论

6.22基于表面应变的试样失稳前兆信息识别

6.23基于内部应变的试样失稳前兆信息识别

6.3 试样失稳声发射信号前兆信息识别

6.31相关理论

6.32基于重标极差分析方法的声发射信号前兆信息识别

6.33基于声发射计数与能量的试样失稳前兆信息识别

6.4本章小结

7结论与展望

7.1本文主要结论

7.2创新

7.3展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

学位论文数据集