含缺陷巖石脆性破裂的數(shù)值模擬及紅外熱像研究.pdf

1、巖石破裂過程是極其重要的巖石力學(xué)問題,長(zhǎng)期以來備受關(guān)注.無論是地下開采誘發(fā)巖爆,還是自然界的地震災(zāi)害,都是不同尺度下的巖石破裂失穩(wěn)過程.巖石是一種含有多裂紋的高度非均勻材料,由于研究巖石非均勻性在數(shù)學(xué)上的困難,長(zhǎng)期以來有關(guān)巖石破裂過程的力學(xué)分析方法,大多仍然建立在宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的基礎(chǔ)之上.為了滿足連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本假設(shè),人們不得不將巖石這種非均勻的、不連續(xù)的地質(zhì)介質(zhì)簡(jiǎn)化成理想的均勻的連續(xù)體介質(zhì),將大量存在的微裂紋、缺陷(節(jié)理、裂隙

2、、斷層)等作平均化處理.盡管這種簡(jiǎn)化可以帶來數(shù)學(xué)處理上的方便,但是卻難以用這種方法來研究巖石破裂過程中出現(xiàn)的非均勻應(yīng)力場(chǎng)的變化(包括變形局部化現(xiàn)象),而這種非均勻應(yīng)力場(chǎng)的出現(xiàn)則正是研究失穩(wěn)前兆規(guī)律的核心內(nèi)容.同時(shí),其結(jié)果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離現(xiàn)實(shí)巖石復(fù)雜的真實(shí)情況,難以用于研究實(shí)際巖石介質(zhì)的破壞問題.該研究采用花崗巖材料通過紅外熱像試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)的方法,對(duì)裂紋缺陷和孔洞缺陷導(dǎo)致的巖石中新的裂紋孕育、繁衍、萌生、擴(kuò)展和貫通機(jī)制,以及由此引起的試樣宏

3、觀強(qiáng)度變化等進(jìn)行分析.數(shù)值試驗(yàn)主要運(yùn)用東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)的RFPA2D軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析研究.紅外熱像試驗(yàn)研究主要在北京中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)的北京市巖石混凝土破壞力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,并與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果互相結(jié)合、互為補(bǔ)充,通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該軟件模擬結(jié)果的可靠性.從而將巖石破裂過程的虛擬仿真與紅外熱像遙感觀測(cè)結(jié)合起來,推動(dòng)巖石破裂過程數(shù)值模擬方法的進(jìn)一步向前發(fā)展,為促進(jìn)巖爆、地震機(jī)制的研究提供一條新的途徑.該文的研究?jī)?nèi)容與主要

4、結(jié)論如下:(1)介紹了該研究的背景和意義,以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面研究文獻(xiàn)以及作者研究的主要內(nèi)容和工作.(2)介紹了目前存在的幾種數(shù)值分析方法,對(duì)該文所采用的RFPA2D軟件基本原理、思路、網(wǎng)格劃分、破壞準(zhǔn)則等特點(diǎn)做了詳細(xì)的介紹,并應(yīng)用該軟件對(duì)5種含不同數(shù)目、分布、類型缺陷巖石的脆性破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究.結(jié)果表明,脆性破裂的聲發(fā)射前兆不明顯,在主破裂發(fā)生之前有小規(guī)模聲發(fā)射現(xiàn)象,但釋放的能量也不多,只有在主破裂發(fā)生時(shí)才產(chǎn)生大量聲發(fā)射,特

5、別是巖爆類型的破壞.(3)介紹了紅外熱像試驗(yàn)的物理基礎(chǔ)、研究背景和用途以及研究進(jìn)展,指出將紅外熱像技術(shù)用于巖石破壞研究是可行的.采用紅外熱像遙感觀測(cè)方法對(duì)幾種預(yù)制裂紋缺陷和孔洞缺陷的試樣進(jìn)行了試驗(yàn),驗(yàn)證了巖石破裂過程中有紅外異?，F(xiàn)象,在破裂區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)和高溫條帶.試驗(yàn)結(jié)果表明,斑狀花崗巖在破裂前紅外輻射溫度特征主要表現(xiàn)為高溫前兆,同時(shí)也有少部分(試塊A1)表現(xiàn)為有低溫前兆.花崗巖試樣破裂的紅外熱像特征主要表現(xiàn)為:單調(diào)降溫,低溫