基于分形理论的不同加载速率下岩石单轴压缩破坏规律研究

论文摘要

本文以国家自然基金项目（No.51764013）为依托,以分形理论为基础,从宏观和细观两个角度对不同加载速率下岩石的破坏规律进行了研究。从宏观角度,本文通过不同加载速率下的室内单轴实验,分析了岩石破坏过程中的能量变化和损伤关系,并根据破坏后的岩石碎块,计算了不同加载速率下的块度分形维数,且以此为基础借用传统的损伤演化方程建立了块度分形损伤演化本构方程,并用实验数据进行了验证。从细观角度,本文通过电镜扫描和图像处理技术对岩石破坏断口的细观结构进行了形貌学分析和分形维数计算,讨论了图像阈值和放大倍数对岩石断口细观结构分形维数的影响,并结合能量关系和断口形貌特征,对不同加载速率下岩石的宏细观破坏模式、分形特征、能量变化等规律进行了探讨。本文将理论与实验相结合,取得了如下主要成果:（1）岩石在单轴压缩条件下,随着加载速率的增加,其破坏过程中应变能、耗散能和弹性能均增大,虽然不同加载速率下三种能量的变化有所不同,但损伤过程是一致的,且加载速率越快,岩石的损伤越剧烈。（2）岩石宏观破裂性质随加载速率的增大由张拉破坏逐渐向剪切破坏转化,加载速率越高岩石破碎后的块度分布系数越小。但其块度分形维数随加载速率的增加而增大,且实验验证块度分形与能量具有较高的线性相关性。（3）用分形维数处理过的参数f=块度分维值/同尺度下最大块度分维值,代替传统的损伤系数,推导得到新的块度分形损伤演化本构方程=（1-1）),该方程可以较好的描述岩石的应力-应变关系,但存在一定误差,这个误差随加载速率的增大而减小。（4）在0.001mm/s加载速率下岩石的细观破坏模式主要以沿晶断裂为主,随着加载速率的上升,其破坏模式逐渐由沿晶断裂向穿晶断裂转化,当加载速率为0.05mm/s时,穿晶断裂为主要破坏模式。（5）SEM图像处理时的阈值和岩石断口放大倍数会对断口细观结构分形维数的计算产生较大影响,且分形维数随阈值的增加先增大后减小,随放大倍数的增大而减小。（6）随加载速率的增加,岩石断口的细观结构分形维数成增长的趋势,分形维数越大岩石破坏消耗的能量越多。且岩石断口细观结构分形维数可以反应其宏观破碎情况,断口细观结构分形维数越大,岩石块度分形维数就越大,且破碎效果越好,损伤越剧烈。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景及依据
•   1.2 理论概述和研究现状
•     1.2.1 分形理论概述
•     1.2.2 分形理论研究现状
•     1.2.3 电镜扫描技术概述
•     1.2.4 电镜扫描技术在岩石力学领域的应用现状
•   1.3 研究方案
•     1.3.1 关键技术
•     1.3.2 研究方法
•     1.3.3 技术路线
• 第二章 岩石力学实验及其能量分析
•   2.1 引言
•   2.2 实验方案
•     2.2.1 实验设备和方案
•   2.3 实验结果分析
•     2.3.1 力学参数
•     2.3.2 应力-应变曲线形态
•     2.3.3 岩样峰值强度
•     2.3.4 岩样峰值应变
•     2.3.5 岩样弹性模量
•     2.3.6 应力-时间关系
•   2.4 能量特征以及损伤机制
•     2.4.1 能量计算
•     2.4.2 基于能量分析的损伤特征
•     2.4.3 基于能量分析的损伤机制探讨
•   2.5 本章小节
• 第三章 岩石块度分形特征及其分形损伤演化规律
•   3.1 引言
•   3.2 实验方案
•   3.3 不同加载速率下岩石破坏特征
•     3.3.1 试样宏观破坏形态特征
•   3.4 岩石块度分形特征
•     3.4.1 岩石破碎块度分布
•     3.4.2 块度分形计算
•     3.4.3 块度分形与加载速率之间的关系
•   3.5 能量与块度分形特征
•     3.5.1 能量与块度分形关系
•     3.5.2 能量与块度分形关系的实验验证
•     3.5.3 块度分形维数与峰值点能量状态
•   3.6 块度分形损伤演化规律分析
•     3.6.1 块度分形损伤演化本构方程推导
•     3.6.2 岩石块度分形损伤演化本构方程的实验验证
•   3.7 本章小节
• 第四章 基于SEM技术的岩石断口形貌细观结构分形特征研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验设备
•   4.3 断口形貌特征分析
•     4.3.1 断裂方式的细观机制分类
•     4.3.2 不同加载速率条件下断口形貌分析
•   4.4 不同加载速率下岩石断口细观结构分形研究
•     4.4.1 岩石断口细观结构分形计算原理
•     4.4.2 图像处理
•     4.4.3 图片阈值对岩石断口细观结构分形维数计算的影响
•     4.4.4 岩石断口放大倍数对其细观结构分形维数计算的影响
•     4.4.5 不同加载速率下岩石断口细观结构分形特征研究
•   4.5 岩石断口细观结构分形特征与能量耗散及释放相关性研究
•   4.6 宏观块度分形与断口细观结构分形相关性研究
•   4.7 本章小节
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黎强

导师: 赵康

关键词: 加载速率,能量,损伤规律,块度分形,断口形貌,细观结构分形

来源: 江西理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 江西理工大学

基金: 国家自然基金项目(No.51764013)

分类号: TU45

总页数: 78

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