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对称和非对称载荷下声发射特色的数值摹拟研讨

宣布日期:2017-05-05 17:13    阅读次数:次

择要:操纵自行开辟的岩石分裂进程阐发RFPA体系,研讨了对称载荷和非对称载荷下岩样的粉碎进程和粉碎进程中所显现的声发射特色。数值摹拟成果演示两种前提下由微分裂诱致微观粉碎的演变进程和和微分裂相干的声发射事务源的空间散布特色和事务序列特色。数值摹拟成果指出,和对称载荷紧缩尝试比拟,二者的最大区分在于在非对称载荷紧缩尝试中部分的剪切粉碎的产生和一个加倍部分化的声发射事务源散布。从物理意思上讲非对称载荷尝试供给了在预约分裂途径下研讨脆性粉碎的体例,从声发射研讨方面来讲非对称尝试比对称尝试能更好地察看声发射事务源的部分化。
择要:部分化 ;声发射 ;微分裂 ;非对称加
1 引 言
岩石、陶瓷等复合物资的粉碎,是在微观粉碎(主分裂)前先产生微分裂(细小粉碎)。因为地壳中包罗着良多断层和节理,以是地动也被当作是包罗着断层和节理等应力集合源的地壳中的微分裂。基于这类概念,地动与岩石、陶瓷等复合物资中的微分裂有良多配合的地方。岩石在产生细小粉碎时,与地动有很是近似的特色:产生一种被称为声发射的弹性波。已有研讨标明,岩石微分裂产生的声发射和地壳中的地动在跨越8个震级级别上从命近似的统计纪律。是以着眼于由微分裂致使的微观粉碎的研讨有能够找到对尝试室试样分裂甚至地动的岩石分裂景象停止同一申明的数理情势。
声发射部分化的阐发是一个用于研讨岩石微分裂致使岩石微观粉碎的经常使用东西。以往大大都的研讨是停止岩石试样在对称载荷下的分裂尝试来停止声发射研讨。本文操纵数值体例在停止对称尝试研讨的同时,停止了非对称尝试。非对称加载供给一种新的用于研讨岩石在肯定起裂地位下产生脆性粉碎的体例。而在对称尝试中,不论是单轴仍是三轴,起裂地位都带有某种恍惚性,非对称尝试则刚好消弭了这类恍惚性。另一种在肯定起裂地位下研讨岩石产生脆性粉碎的体例是比来停止的含有初始愈合节理事后部分化的岩石粉碎研讨。不论是非对称尝试仍是含有初始微观缺点的尝试,声发射部分化的集合域都是事后肯定的,或是经由进程应力的非均质性来完成或是经由进程资料的微观缺点来完成。但是,在非对称尝试中粉碎途径也是能够事前肯定的,而在含有天然愈合的节理的岩石分裂尝试中却不老是如许。
本文操纵自行开辟的岩石分裂进程阐发体系RFPA Rock Failure Process Analysis摹拟在对称和非对称两种差别载荷前提下岩石分裂进程。按照数值摹拟成果对照阐发两种环境下应力演变进程、粉碎情势的组成进程和岩石分裂进程中所陪同的声发射特色及其参数变更,并将数值摹拟成果和对称与非对称紧缩尝试中应力的组成与开释、X射线断层扫描CT所得的粉碎情势等尝试成果停止比拟。
2 数值摹拟体例和模子
2.1 数值摹拟模子
考查一个岩石二维收集体系,网格被别离为m×n个等面积正方形单位,如许处置能够会组成应力集合地区计较精度不够,但对某一个肯定的试样和前面声发射数的计较来讲是须要的。假设进一步细划网格,则有助于进步计较精度。对今朝普通的非线性无限元而言,引入单位的非线性本构模子摹拟全体资料的微观非线性,并不斟酌到岩石类资料单位参数非均质性和随机性的特色。已有研讨标明395,组成岩石资料微观非线性的缘由能够并不是细观单位体介质的非线性,而是细观单位体介质的非均质性及随机性。这类非平均性使得岩石资料在承载进程中不时履历细观单位体的粉碎,细观单位体的不时粉碎组成微观介质的持续毁伤,从而组成微观的非线性变形景象。
鉴于岩石类资料的细观单位体的随机性及非平均性,本文接纳Monte Carlo体例和统计描写相连系对单位体停止初始化赋值。细观单位体参数(强度、弹性模量等)的非平均性能够用一个统计散布函数来描写,连系后人的经历及尝试成果,本文接纳Weibull统计散布情势。设收集合一切单位体强度和弹模阀值别离为 O和E,每一个单位强度和弹模的阀值为O和E,
它们应从命Weibull统计散布,即

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式中m1 m2为统计散布函数的形状参数,形状参数越大标明资料越平均,当它趋近于无限大时,就成为抱负的均质脆性资料。由此统计散布组成的单位体组成一个样本空间,固然它们的阀值散布函数能够不异,但空间散布却不完整一样,这些单位体组成岩石类资料微观上性子能够大致分歧,其首要差别在于细观布局的细节,反应了细观无序性,这类细观无序性
恰好表现了岩石类资料的怪异的团圆性特色。普通在物理空间中随机散布无序性能够经由进程Monte Carlo体例来完成,这类既具备统计性,又具备随机性(无序性)的单位参数赋值体例知足了收集合单位体参数非平均性和随机性的请求.

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2.2 数值摹拟体例
本文所用的岩石分裂进程阐发体系RFPA是介于线弹性无限元与非线性无限元之间的一种“拟非线性”无限元法式345。起首将施加的外载别离为细小的加载步,别离加载步的巨细应能够在必然近似程度上描写现实加载进程的持续性,每一个加载步现实上是一次线弹性计较,但应力、应变和位移被保留上去,下一加载步是在上一步应力、应变程度根本上计较。对第i加载步,有

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入下一步加载计较;若是有单位分裂,则按照岩石的声发射与岩石的毁伤具备分歧性的假设,以为声发射的比率与岩石粉碎的单位面积成反比,计较出每一个声发射事务的能量:

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后的应变能,按照其巨细在声发射图顶用圆圈标在单

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单位分裂后,鄙人一步计较中假设分裂的单位持续存在,只是其弹性模量和强度急剧降落。这类弱化分裂单位的做法,在无限元计较中获得较对劲的成果。计较接纳频频迭代的体例,在必然的边境前提和发展法则(单位体的粉碎法则)感化下,由无限元计较应力场肯定应分裂的单位体。显现单位的分裂后,内边境前提产生转变,须要从头求解应力场方程,如许不时地反复求解直至稳态。迟缓转变外边境前提,每次反复上述进程,直至资料微观断裂为止。
3 数值摹拟成果及阐发
3.1 微分裂诱致微观粉碎的溃化进程
图3显现了对称载荷感化下岩石微分裂诱致微观粉碎的演变进程。在加载初始阶段微分裂首要表现为随机性及无序性,单个微分裂的影响规模很小,微分裂之间的接洽干系感化很弱,微分裂之间彼此统计自力。跟着外界位移的增添而组成岩样的毁伤不时增大,微分裂之间的接洽干系感化越显加强,表现微短程接洽干系,并且在部分小规范规模内串级,在岩样的中部显现微观裂纹,但全部体系仍坚持全体不变。在高毁伤

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阶段,微分裂从小规范串级过渡到大规范串级,统计涨落愈来愈激烈,微分裂彼此间的接洽干系感化愈来愈大,终究贯穿全部试样,组成剪切分裂的情势。固然,根据垫板的性子的差别和试样高径比的差别也能够组成X型共轭微观分裂情势。
图4显现了非对称载荷感化下岩石微分裂诱致微观粉碎的演变进程。和对称载荷环境相近似,在加载的初始阶段微分裂表现为随机性和无序性。但是,因为在非对称载荷前提下,在试样的加载和未加载的边境面上存在一个高应力集合区,以是微分裂更早地在部分规模内串级,从而使得试样在高应力集合区更早地产生微观裂纹。尔后跟着加载位移量的增添,裂纹沿着应力散布所肯定的应力集合面从岩样的顶端扩大到低端,但是全部岩样仍未落空承载才能,只是

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全部应力-应变曲线此时产生一个较大的动摇。跟着加载位移量的持续增添,微分裂的集合地区转移到岩样的别的地区,直至全部试样落空承载才能。图 ” 为非对称载荷前提下由 X射线断层扫描CT)察看到的花岗岩粉碎情势。将尝试成果和数值摹拟成果停止对照能够看出,二者的粉碎情势很是近似,从前面的阐发还能够看到,不只终究的粉碎情势几近一样,声发射事务源的全部空间演变也几近完整分歧。
对称与非对称两种加载前提下的最大区分在于在非对称加载尝试中部分剪切粉碎的产生。

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3.2 声发射事务源的空间序列
图 6是对称载荷下声发射事务源的空间演变图。在低毁伤阶段,因为岩石类资料的非均质性,声发射显现出一种随机的无序的散布。跟着加载位移量的增添,固然应力仍低于试样的抗压强度,但声发射事务源显现出部分化的散布,凡是声发射事务源的演变和试样中应力集合区分歧,起头时在岩样的中部和下部串级。在粉碎的后阶段声发射事务扩大到岩样的边
界,此时终究的分裂面组成。随后最大的声发射事务降落,而显现出加倍平均的散布。在试样的端部四周声发射事务较少能够是因为端部磨擦而引发的。
图7是非对称载荷下声发射事务源的空间演变图。和对称载荷一样,在初始阶段,声发射事务显现出一种随机的无序的散布。跟着加载位移量的增添,在试样的加载与未加载的边境四周声发射很是活泼。尔后声发射事务追踪裂纹的扩大中剪切分裂面的组成,从试样的顶部转移到底部。在剪切粉碎面组成今后,声发射的活泼区转移到试样的别的地区。作为对照,
图 8显现了花岗岩岩样在非对称载荷感化下声发射事务源在加载进程中的演变图,散布图追踪了剪切分裂面从顶部到底部组成进程中声发射事务的外表。在剪切粉碎组成今后,声发射活泼区转移到试样的其他地区。图8只是显现了今后的声发射源,不累计之前的声发射源,图7不只显现了今后的声发射源还显现了之前累计的声发射事务源。经由进程对照能够看出,数值摹拟所显现的声发射事务源的空间散布演变进程和尝试成果所显现的演变进程很是近似。

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3.3 声发射事务源的时候序列
图9和图10别离显现了对称加载和非对称加载前提下的声发射数、积累声发射数和载荷与加载位移量之间的干系。在对称载荷前提下,当载荷靠近岩石的峰值强度时,声发射事务数较着地增添,致使声发射事务积累曲线急剧回升。在非对称载荷前提下,声发射事务数较着增添的时辰早于对称载荷的环境,非对称粉碎中积累的声发射较着增添的时候也早于对称粉碎,这是因为在非对称边境前提下试样的顶端有一个高应力集合区,微分裂起首在此萌发并扩大致使而成的。

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和对称载荷近似,声发射事务数的最大地位位于试样终究全体粉碎的时辰。两种前提下较着的差别在于和规范的对称紧缩前提下的共轭型粉碎比拟,非对称尝试显现一个较着的部分化的剪切粉碎。

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3.4 声发射事务的幅度和能量统计
不论是对称加载仍是非对称加载,试样粉碎进程中所开释的声发射能量都经由进程式8停止计较。已有研讨标明,在地动时建立的震级-频度散布式Gutenberg-Richter frequency-magnitude relationship对岩石分裂进程中的声发射也建立。图 11和图 12显现的别离是对称载荷和非对称载荷下试样的震级和频度散布曲线,震级和频度散布曲线的负斜率即为经常使用的作为粉碎预兆信息的b值。在对称载荷的环境下,b值在终究的剪切分裂面组成前俄然降落;而在非对称载荷环境下,b值在试样的全部粉碎进程中产生两次较着的降落,这是因为在非对称载荷前提下,因为部分应力集合区的存在,试样在全体剪切粉碎前出
现了一次较大的部分剪切粉碎,如图5 中的粉碎进程所示。

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4 结 语
声发射部分化的阐发是一个用于研讨岩石微分裂致使微观粉碎的经常使用东西。以往大大都的研讨是停止岩石试样在对称载荷下的分裂尝试来停止声发射研讨。但是,在对称尝试中,不论是单轴仍是三轴,裂纹的起裂地位带有某种恍惚性。固然停止含有初始愈合节理这类事后部分化的岩石试样粉碎的研讨尝试消弭了这类恍惚性,但在试样的粉碎途径方面仍具备某种随机性。本文研讨的非对称载荷尝试,供给了一种新的用于研讨岩石在事后分裂途径下产生脆性粉碎的体例。从声发射的研讨方面看,和对称尝试比拟,非对称尝试能更好地察看声发射部分化。
操纵岩石分裂进程阐发RFPA体系研讨了对称载荷和非对称载荷下试样粉碎进程和粉碎进程中的声发射特色。数值摹拟成果显现了对称载荷下和非对称载荷下岩石试样由微分裂诱致微观粉碎的演变进程。经由进程对照指出两种加载前提下的最大区分在于在非对称加载尝试中部分剪切粉碎的产生。这是因为非对称载荷前提下,因为20%的试样外表未加载,加载和未加载的边境即成为应力集合区,剪切粉碎今后引发而致使部分剪切粉碎。经由进程与 X射线断层扫描CT)所机关出的岩石粉碎情势的对照标明,数值摹拟成果不论是从终究的粉碎情势,仍是粉碎面标的目的角和演变进程都表现出与尝试很好的分歧性。
经由进程记实和微分裂相干的声发射的地位、声发射数和声发射能量,数值摹拟成果演示了两种载荷前提下声发射事务源的空间散布特色、时候序列特色。声发射事务源的空间散布揭露出了声发射在粉碎面标的目的上部分的小规模的变更,经由进程和尝试中声发射监测成果的对照,数值摹拟成果极好地反应粉碎面上声发射事务源的演变。数值摹拟成果指出,和规范的对称
载荷尝试比拟,非对称载荷尝试中能够察看到声发射事务源的加倍部分化散布。但是,不论应力边境前提若何,70%的声发射事务源是剪切粉碎。

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