废石胶结材料蠕变与循环载荷条件下变形破坏机理研究

发布时间：2017-09-23 06:24

  本文关键词：废石胶结材料蠕变与循环载荷条件下变形破坏机理研究

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【摘要】：废石胶结充填体是构成人工矿柱的主要材料。在工程实际中,在爆破开挖时,人工矿柱会受到冲击载荷的作用；而在爆破开挖后的矿石回采阶段,人工矿柱主要受到恒载作用。因此,人工矿柱实际上主要受到反复加卸载荷和分级恒载的作用。所以研究废石胶结充填体的在这两种载荷作用下的破坏机理和破坏前兆现象便很有意义。本文以国家自然科学基金：循环载荷下矿山固废胶结充填体损伤过程声发射特性研究(No.51304083)项目为依托,对不同灰沙比的废石胶结充填体进行了分级蠕变声发射试验和循环加卸载声发射试验,得到了在这两种载荷作用下的废石胶结充填体变形和声发射特征；在此基础上在PFC3D中引入应力腐蚀模型来模拟了不同灰沙比的废石胶结充填体的不同时长分级蠕变过程；最后,在试验和模拟的基础上,建立了非定常蠕变模型来描述废石胶结充填体的蠕变过程。研究结果表明：(1)在单轴受载条件下,废石胶结充填体试样的破坏方式主要分为剪切式(Ⅰ型)和张开式(Ⅱ型)：在分级蠕变载荷作用下,两类试样都有明显的体积不变和体积变形阶段,但是只有Ⅱ型试样有明显的扩容阶段：通过数值模拟研究发现,废石胶结充填体内部充填料的破坏主要集中在宏观滑移面上时,废石胶结充填体做剪切式破坏；当大量剪切破坏出现在宏观滑移面之外时,废石向外侧的位移较大,使得废石胶结充填体做张开式破坏；应变激增阶段的出现来自于废石胶结充填体内部某一部位废石闾的率先较大张开：试样的蠕变过程由建立的非定常蠕变模型描述。(2)对于蠕变试验,在会引起试样破坏的恒载作用下,随着试样进入加速蠕变状态,Ⅰ型试样在微裂纹之间不断贯通连接的过程中最终形成宏观滑移面从而破坏,这一过程伴随着声发射振幅出现增大的趋势,并在试样破坏时释放强度较大的声发射,声发射事件率表现为整体稍微增大并在最后迅速减小的特征,声发射b值表现为“锯齿状波动——剧烈减小”的循环模式：Ⅱ型试样中的废石在微裂纹之间不断贯通连接的过程中相互分离,从而导致试样破坏,这一过程伴随着声发射振幅的减小,并在试样破坏时释放强度较大的声发射,声发射事件率会出现大幅度降低,声发射b值表现为在不断的做锯齿状波动中呈增大趋势。(3)对于循环加卸载试验,在加载过程中,当相对应力水平较小时,试样内部的微破裂以原有缺陷的闭合为主,声发射出现的较少,对应的声发射b值表现为整体增大的趋势；当相对应力水平较高时,试样内部的微裂纹处于以大尺度破坏为主的稳定扩展状态,声发射现象大量出现,对应的声发射b值表现为整体减小的趋势,局部在一定范围内波动的变化规律；试样在加载到破坏的过程中,内部微裂纹不断的连接与贯通,这一过程伴随着声发射事件率的激增,声发射b值整体呈“减小—平稳—减小”的变化规律；在卸载过程中,试样只在卸载初期内部有微裂纹的扩展,声发射事件率逐渐减小,声发射b值波动幅度越来越小。(4)由于废石胶结充填体这种混凝士类的多相复合材料,在受到载荷作用之前,其内部已含有许多不同性质的微裂纹、微孔洞以及微观构造上的不均匀性,即便是在较低的应力作用下,低强度的微裂纹、微孔洞等微观缺陷也会受压变形而开裂和扩展,所以在循环加卸载作用下会出现明显的费利西蒂效应,效应区间大概为相对应力水平28.1%-33.9%以及75.3%以上。
【关键词】：废石胶结充填体 蠕变 循环加卸载 声发射 PFC
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD801
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-14
• 2 文献综述14-31
• 2.1 混凝土类材料受不同载荷作用的研究现状14-16
• 2.2 声发射技术理论基础及应用现状16-23
• 2.2.1 声发射信号的产生机理16-17
• 2.2.2 声发射信号的传播形式17-18
• 2.2.3 声发射信号参数18-19
• 2.2.4 声发射噪声的来源和排除19-20
• 2.2.5 影响声发射信号的因素20
• 2.2.6 声发射检测仪器简介20-21
• 2.2.7 声发射技术研究与应用现状21-23
• 2.3 充填材料研究现状23-25
• 2.4 研究内容25-29
• 2.4.1 研究目标25
• 2.4.2 研究方法25-26
• 2.4.3 研究方案26-28
• 2.4.4 技术路线28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 3 废石胶结充填体分级蠕变破坏规律与声发射特征31-64
• 3.1 废石胶结充填体分级蠕变声发射试验条件和方案31-35
• 3.1.1 试验系统31-32
• 3.1.2 试样制备32-35
• 3.1.3 实验方案35
• 3.2 废石胶结充填体分级蠕变变形特征35-40
• 3.2.1 Ⅰ型试样变形特征36-38
• 3.2.2 Ⅱ型试样变形特征38-40
• 3.3 废石胶结充填体分级蠕变试验声发射特征40-54
• 3.3.1 废石胶结充填体试样声发射振幅特征40-47
• 3.3.2 废石胶结充填体试样声发射事件率特征47-54
• 3.4 废石胶结充填体试样声发射b值特征54-62
• 3.4.1 声发射b值原理54-55
• 3.4.2 声发射b值特征55-62
• 3.5 本章小结62-64
• 4 循环加卸载下废石胶结充填体变形与声发射特征64-80
• 4.1 废石胶结充填体循环加卸载试验条件和方案64-65
• 4.1.1 试验系统64
• 4.1.2 试样制备64-65
• 4.1.3 试验方案65
• 4.2 循环加卸载下废石胶结充填体变形特征65-68
• 4.3 循环加卸载下废石胶结充填体声发射特征68-78
• 4.3.1 声发射凯塞效应和费利西蒂效应68-70
• 4.3.2 声发射b值特征70-78
• 4.4 本章小结78-80
• 5 废石胶结充填体蠕变与循环加卸载破坏过程数值分析80-92
• 5.1 废石胶结充填体模型的建立和细观参数的确定80-87
• 5.1.1 PFC3D简介80
• 5.1.2 PFC3D的基本思想与假设80-81
• 5.1.3 粘结模型的选择81-83
• 5.1.4 单轴模型的建立和细观参数确定83-85
• 5.1.5 应力腐蚀模型原理及细观参数的确定85-87
• 5.2 PFC模拟结果87-91
• 5.3 本章小结91-92
• 6 废石胶结充填体非定常蠕变模型92-100
• 6.1 蠕变模型建立方法92-93
• 6.2 西原蠕变模型原理93-95
• 6.3 非定常蠕变模型的建立95-96
• 6.4 非定常蠕变模型参数辨识96-99
• 6.4.1 非线性最小二乘法原理96-97
• 6.4.2 参数辨识结果97-99
• 6.5 本章小结99-100
• 7 结论100-104
• 7.1 主要结论100-101
• 7.2 创新点101-102
• 7.3 研究展望102-104
• 参考文献104-113
• 作者简历及在学研究成果113-115
• 学位论文数据集115

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本文编号：903743