含缺陷岩石脆性破裂的数值模拟及红外热像研究

摘要

岩石破裂过程是极其重要的岩石力学问题,长期以来备受关注.无论是地下开采诱发岩爆,还是自然界的地震灾害,都是不同尺度下的岩石破裂失稳过程.岩石是一种含有多裂纹的高度非均匀材料,由于研究岩石非均匀性在数学上的困难,长期以来有关岩石破裂过程的力学分析方法,大多仍然建立在宏观连续介质力学理论的基础之上.为了满足连续介质力学的基本假设,人们不得不将岩石这种非均匀的、不连续的地质介质简化成理想的均匀的连续体介质,将大量存在的微裂纹、缺陷(节理、裂隙、断层)等作平均化处理.尽管这种简化可以带来数学处理上的方便,但是却难以用这种方法来研究岩石破裂过程中出现的非均匀应力场的变化(包括变形局部化现象),而这种非均匀应力场的出现则正是研究失稳前兆规律的核心内容.同时,其结果可能远远偏离现实岩石复杂的真实情况,难以用于研究实际岩石介质的破坏问题.该研究采用花岗岩材料通过红外热像试验和数值试验的方法,对裂纹缺陷和孔洞缺陷导致的岩石中新的裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.数值试验主要运用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的RFPA2D软件系统进行分析研究.红外热像试验研究主要在北京中国矿业大学北京校区的北京市岩石混凝土破坏力学重点实验室完成,并与数值模拟试验结果互相结合、互为补充,通过实验来验证该软件模拟结果的可靠性.从而将岩石破裂过程的虚拟仿真与红外热像遥感观测结合起来,推动岩石破裂过程数值模拟方法的进一步向前发展,为促进岩爆、地震机制的研究提供一条新的途径.该文的研究内容与主要结论如下:(1)介绍了该研究的背景和意义,以往国内外学者在这方面研究文献以及作者研究的主要内容和工作.(2)介绍了目前存在的几种数值分析方法,对该文所采用的RFPA2D软件基本原理、思路、网格划分、破坏准则等特点做了详细的介绍,并应用该软件对5种含不同数目、分布、类型缺陷岩石的脆性破坏进行了数值模拟的研究.结果表明,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量也不多,只有在主破裂发生时才产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.(3)介绍了红外热像试验的物理基础、研究背景和用途以及研究进展,指出将红外热像技术用于岩石破坏研究是可行的.采用红外热像遥感观测方法对几种预制裂纹缺陷和孔洞缺陷的试样进行了试验,验证了岩石破裂过程中有红外异常现象,在破裂区域会出现明显的高温区和高温条带.试验结果表明,斑状花岗岩在破裂前红外辐射温度特征主要表现为高温前兆,同时也有少部分(试块A1)表现为有低温前兆.花岗岩试样破裂的红外热像特征主要表现为:单调降温,低温前兆型;波动升温,高温前兆型;缓慢升温,快速高温前兆型.这些前兆跟吴立新、耿乃光等人之前的试验结果较为相符.

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1论文选题背景和研究意义

1.2国内外研究岩石缺陷的文献综述

1.2.1理论模型的研究

1.2.2物理试验的研究

1.2.3数值方法的研究

1.3本文研究的主要内容和工作

第二章岩石破裂的数值模拟方法

2.1概述

2.2数值分析方法研究现状

2.3岩石破裂过程数值模拟中几个的基本问题

2.3.1非均匀性

2.3.2非连续性

2.3.3声发射

2.3.4单元尺寸与划分原则

2.4岩石破裂过程分析系统RFPA2D简介

2.4.1 RFPA分析过程流程图

2.4.2 RFPA基本原理及思路

2.4.3网格划分

2.4.4基元赋值

2.4.5应力计算

2.4.6相变分析

2.4.7 RFPA单元破坏准则

第三章含缺陷岩石破裂的数值模拟试验

3.1单裂纹试样的破裂

3.1.1模型的建立

3.1.2模拟结果及分析

3.2两裂纹试样的破裂

3.2.1模型的建立

3.2.2模拟结果及分析

3.3单孔试样的破裂

3.3.1模型的建立

3.3.2模拟结果及分析

3.4两孔试样的破裂

3.3.1模型的建立

3.3.2模拟结果及分析

第四章岩石破裂的红外热像方法

4.1概述

4.2红外热成像的物理基础

4.3红外热像研究的背景和用途

4.4基于熵和能量守恒原理的初步解释[3]

4.5红外热像的新近研究进展

4.5.1岩石单轴压缩红外成像

4.5.2穿孔岩石单轴压缩红外成像

4.5.3撞击瞬间与钻进过程红外成像

4.6煤岩受压的红外特征

4.6.1煤岩受压的红外热像特征

4.6.2煤岩受压的红外辐射温度特征

4.6.3红外前兆的相关比较

第五章含缺陷岩石破裂的红外热像试验

5.1试样类型和实验方法

5.1.1试样类型

5.1.2实验方法

5.2实验设备简介

5.3实验结果及分析

5.3.1单裂纹缺陷试样

5.3.2两裂纹缺陷试样

5.3.3单孔缺陷试样

5.3.4竖直两孔缺陷试样

5.3.5斜两孔缺陷试样

5.3.6红外热像特征小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致 谢