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問題,長期以來備受關注.無論是地下開采誘發(fā)巖爆,還是自然界的地震災害,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)學上的困難,長期以來有關巖石破裂過程的力學分析方法,大多仍然建立在宏觀連續(xù)介質(zhì)力學理論的基礎之上.為了滿足連續(xù)介質(zhì)力學的基本假設,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.盡管這種簡化可以帶來數(shù)學處理上的方便,但是卻難以用這種方法來研究巖石破裂過程中出現(xiàn)的非均勻應力場的變化(包括變形局部化現(xiàn)象),而這種非均勻應力場的出現(xiàn)則正是研究失穩(wěn)前兆規(guī)律的核心內(nèi)容.同時,其結果可能遠遠偏離現(xiàn)實巖石復雜的真實情況,難以用于研究實際巖石介質(zhì)的破壞問題.該研究采用花崗巖材料通過紅外熱像試驗和數(shù)值試驗的方法,對裂紋缺陷和孔洞缺陷導致的巖石中新的裂紋孕育、繁衍、萌生、擴展和貫通機制,以及由此引起的試樣宏

3、觀強度變化等進行分析.數(shù)值試驗主要運用東北大學巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)的RFPA2D軟件系統(tǒng)進行分析研究.紅外熱像試驗研究主要在北京中國礦業(yè)大學北京校區(qū)的北京市巖石混凝土破壞力學重點實驗室完成,并與數(shù)值模擬試驗結果互相結合、互為補充,通過實驗來驗證該軟件模擬結果的可靠性.從而將巖石破裂過程的虛擬仿真與紅外熱像遙感觀測結合起來,推動巖石破裂過程數(shù)值模擬方法的進一步向前發(fā)展,為促進巖爆、地震機制的研究提供一條新的途徑.該文的研究內(nèi)容與主要

4、結論如下:(1)介紹了該研究的背景和意義,以往國內(nèi)外學者在這方面研究文獻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,對該文所采用的RFPA2D軟件基本原理、思路、網(wǎng)格劃分、破壞準則等特點做了詳細的介紹,并應用該軟件對5種含不同數(shù)目、分布、類型缺陷巖石的脆性破壞進行了數(shù)值模擬的研究.結果表明,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的物理基礎、研究背景和用途以及研究進展,指出將紅外熱像技術用于巖石破壞研究是可行的.采用紅外熱像遙感觀測方法對幾種預制裂紋缺陷和孔洞缺陷的試樣進行了試驗,驗證了巖石破裂過程中有紅外異常現(xiàn)象,在破裂區(qū)域會出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)和高溫條帶.試驗結果表明,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