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专利号: 2021105499849
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于四参数试验确定岩石变形破坏宏细观全过程的方法,其特征在于,具体步骤为:

A、首先对需测试的工程岩体取样,将取样后的岩体进行试样加工,制作成圆柱体试样;

B、将圆柱体试样放置到压缩试验系统中的试验机上,并将变形传感器和声发射探头贴在圆柱体试样表面,然后开始压缩试验,在压缩试验进行的同时,通过声发射探头收集声发射数据,通过变形传感器收集圆柱体试样表面的变形数据;

C、根据有限变形理论,对步骤B收集到的变形数据进行计算,得出每一应力水平下能够表征材料宏观变形特性的参量—平均整旋角θ,具体为:其中, 为变形梯度;正交变换 为旋转张量;而对称变换 为应变张量, 表达式如下:

试验测量时应变分量是基于小变形理论计算得出的,即:i

式中,u|j为位移协变导数, 为小变形应变;

结合小变形应变分量和有限变形应变分量能得到:式中, 为转轴方位张量;

根据胡克定律,一维弹性无损的本构方程为σ=ES    (5)

由式(4和式(5)可得:

上式中σ为应力;

将式(6)推广至三维情况则能写为在三轴试验中 结合式(10)得出:在三轴压缩试验中有如下假设:则式(8)能写为

由式(12)得出平均整旋角θ的计算公式:从而计算得出平均整旋角θ;

D、对步骤B收集到的声发射数据采用G‑P算法,计算声发射时间分维数DT,根据空间投影法计算声发射空间分维数DS,具体为:将声发射信号的时间序列为研究对象,则每一个时间序列对应一个容量为n的序列集:X={x1,x2,…,xn}      (12)式(12)能构造一个m维的相空间(m<n),先取m个数作为m维空间的一个向量X1={x1,x2,x3...xm}                             (13)然后右移一个数据再取m个数构成第二个向量,以此类推,构成N=n‑m+1个向量,相应的关联函数为:

式中,H为Heaviside函数;r为给定的尺度;在给尺度r取值时,为避免分散性,取r=kr0,k为比例系数 双对数坐标系中能得到n个点,对n这个点进行数据拟合,若结果为直线,则表明声发射序列在给定的尺度范围内具有分形特征,直线的斜率就是声发射参数的声发射时间分维数DT,即DT=lgW(r)/lg(r)                             (15)对于DS,采用空间盒维数覆盖,盒维数的定义:其中,N(r)为特征尺寸大于的离散体数目,C是材料常数,上式的另一形式为数目半径关系为:

其中,r为覆盖自然离散体的不同半径,M(r)是半径为r的圆内所覆盖的离散体数量,两边取对数得到:

lgM(r)=lgC+Dslg(r)    (18)DS为声发射空间分维数;

E、当压缩试验完成后,对试样破裂面进行SEM扫描电镜试验,获得破裂面细观形貌,观测破裂面形貌,并计算破裂面分形维数DA;

计算以δ为大小的单位覆盖图像所需要的单位数量为N(δ),DA=‑log(N(δ))/logδ;

F、由于平均整旋角θ的变化对应着岩石变形的各个过程,包括压缩过程中压密阶段、线性阶段以及塑性屈服阶段,因此最后根据获得的峰值强度前每一应力水平下声发射时间分维数DT、声发射空间分维数DS和破裂面分形维数DA与同一应力水平下的平均整旋角θ进行综合分析,得出θ与DT、DS、DA的数学趋势关系,具体公式为:θ=a*DT+b*DS+c*DA                          (19)最终得出a、b和c的值,从而建立岩石变形破坏全过程的宏细观之间的定量关系。

2.根据权利要求1所述的基于四参数试验确定岩石变形破坏宏细观全过程的方法,其特征在于,所述圆柱体试样的高度为100毫米、直径50毫米。

3.根据权利要求1所述的基于四参数试验确定岩石变形破坏宏细观全过程的方法,其特征在于,所述变形数据包括轴向变形和环向变形。