循环加卸载条件下充填体损伤与声发射特性研究
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摘要
为研究充填体损伤与声发射特性,对灰砂比为1:4的胶结充填体进行了单轴循环加卸试验,分析了充填体力学参数变化规律;根据能量原理,计算并分析得到了充填体在加、卸载过程中弹性能、耗散能特征;提出了单轴循环加卸条件下充填体损伤变量的表达式,得到了损伤体损伤演化方程与损伤阀值;通过对声发射参数的b值和关联分形维数D 2值的计算分析,研究了充填体在单轴循环加卸载过程中的声发射特征,以及损伤阀值和声发射特征点的声发射特征,分析得到了不同应力下微裂纹、微裂隙的演化行为;最后,研究了充填体在不同损伤状态下的声发射b值和关联分形维数D 2,建立了损伤能量释放率与声发射能的关系,提出了充填体损伤破坏判据。主要研究结论如下:
(1)充填体总应变、弹性应变以所对应的能量随循环次的增加而增大,但在第二循环中塑性应变、塑性能小于第一次循环与第三次循环。
(2)在循环加卸载过程中,充填体的力学性能并不随加载次数的增多而降低,每次卸载后充填体的弹性都会增加。
(3)充填体所耗散的能量总体经历了四个过程:用于微裂隙、微孔洞的压密→用于新自由表的形成→部分用于非线型机制→全部用于非线性机制。
(4)充填体损伤演化方程能较好的反映充填体损伤行为,方程中损伤能量释放率与声发射能呈线性关系。充填体损伤阀值约为峰值应力的0.2倍,其值大于处在声发射b值、关联分形维数D2下降区的特征点,其所对应的声发射b值处于第一次加载过程中声发射b值的“低谷”期。
(5)在加载过程中声发射b值后经历了四个过程:“低谷”期→“振荡”期→渐进“增长”期→突然“下降”期;与此对应的声发射参数的关联分形维数表现为:高数值水平期→数值稳定期→数值波动期→下降期。
(6)在卸载阶段,声发射b值存在一个“拐点”,当卸载应力大于“拐点”所对应的应力时,声发射b值的变化规律与前一加载过程相应区域的声发射b值相似,并且卸载阶段的声发射关联分形维数D2普遍大于加载阶段的声发射关联分形维数D 2。
(7)在损伤变量D“线性”增长区,声发射b值的变化幅度较大;损伤变量D进行非线性增长区初期时,声发射b值都存在一个下降区。相应的声发射关联分形维数D2则由稳步上升并最后稳定在一个相对较高的水平。
(8)声发射b值和声发射关联分形维数D 2都同时下降,可作为充填即将损伤破坏的判据。
(9)在低应力水平时,充填体微裂纹、微裂隙的演化存在随机性与不确定性;在中等应力水平时,微裂纹、微裂隙偶尔会发生几次激烈的扩展;随着应力水平的继续增大,充填体介质处于大尺度的破坏之中,微裂纹、微裂隙开始汇集、贯通,并逐步形成潜滑面。
To study the damage and AE characteristics of cemented backfill; the test of cemented backfill- cement-tailings ratio 1: 4-under uniaxial cyclic loading and unloading, has been done. The regularity for change of cemented backfill parameters are analyzed. By means of the principle of energy, not only the distributions of elastic energy and dissipated energy in whole process are obtained, but also the relationship between damage energy release rate and AE energy is established. After putting forward the damage variable under uniaxial cyclic loading and unloading, the damage evolution equation and the damage threshold of backfill are determined. By calculating and analysing of B value of AE and fractal dimension D2, the AE characteristics about the damage threshold and the AE feature point and also in the whole uniaxial cyclic loading and unloading test process are studied, which reflect the evolution behavior of micro-cracks. Further more, the characteristics of B value and fractal dimension D2 under different damage status of backfill are also studied. At last, a criterion about backfill collapse is put forward. The main conclusions are:
(1) The totle strain and the elastic strain, including the corresponding energy of them, are grow accompanying with the cycles, but the plastic strain and theplastic energy in second loop are smaller than the first loop and the third loop.
(2) Under uniaxial cyclic loading and unloading, the mechanical properties of backfill are not always deccreasing. Each unloading enhances the elasticity of backfill.
(3) In sequence, the dissipated energy is used in micro-cracks compaction→the formation of new free surface→fractional use in the mechanism for non-linear→use in the mechanism for non-linear.
(4) The damage evolution equation can well reflect the backfill damage behavior , and also the damage energy release rate has a linear relationship between AE energy. The damage threshold of backfill, which locates in the valley of B value in the first loop,is about 0.2 times of peak stress, and also larger that the AE feature point, which sites at the downcomer of B value and the fractal dimension.
(5) During the loading process, the B value of AE experiences four periods-trough period to oscillation period to gradual growth period to suddenly down period. Comparing with B value, the fractal dimension has four steps- high level of numerical period to stable period to fluctuation period to decreasing period.
(6) During the unloading process, there is a turning point existing in B-Stress curve. When the unloading stress is greater than the turning point, the B-Stress curve of unloading is as same as in loading. To the fractal dimension D2, the value in unloading process comparing with in loading process, is greater.
(7) The B value shows ups and downs, when damage variable in“linear increase”period. As damage variable locate in“non-linear increase”period, the B-Stress curve has a downfall area, while the fractal dimension displays steadily increasing and then stable at a relatively high level.
(8) That both B value and the fractal dimension decrease at same time, can be used as the filling about to damage and failure criteria.
(9) The evolution of micro-cracks has randomness and uncertainty, when the stress at low lever. In the middle Stress level, violent expansion may occasionally occurred in micro-cracks. As the stress increase, large-scale breakage continuing occurred in backfill, and micro cracks began to gather, and at last form a potential slip surface.
(1)充填体总应变、弹性应变以所对应的能量随循环次的增加而增大,但在第二循环中塑性应变、塑性能小于第一次循环与第三次循环。
(2)在循环加卸载过程中,充填体的力学性能并不随加载次数的增多而降低,每次卸载后充填体的弹性都会增加。
(3)充填体所耗散的能量总体经历了四个过程:用于微裂隙、微孔洞的压密→用于新自由表的形成→部分用于非线型机制→全部用于非线性机制。
(4)充填体损伤演化方程能较好的反映充填体损伤行为,方程中损伤能量释放率与声发射能呈线性关系。充填体损伤阀值约为峰值应力的0.2倍,其值大于处在声发射b值、关联分形维数D2下降区的特征点,其所对应的声发射b值处于第一次加载过程中声发射b值的“低谷”期。
(5)在加载过程中声发射b值后经历了四个过程:“低谷”期→“振荡”期→渐进“增长”期→突然“下降”期;与此对应的声发射参数的关联分形维数表现为:高数值水平期→数值稳定期→数值波动期→下降期。
(6)在卸载阶段,声发射b值存在一个“拐点”,当卸载应力大于“拐点”所对应的应力时,声发射b值的变化规律与前一加载过程相应区域的声发射b值相似,并且卸载阶段的声发射关联分形维数D2普遍大于加载阶段的声发射关联分形维数D 2。
(7)在损伤变量D“线性”增长区,声发射b值的变化幅度较大;损伤变量D进行非线性增长区初期时,声发射b值都存在一个下降区。相应的声发射关联分形维数D2则由稳步上升并最后稳定在一个相对较高的水平。
(8)声发射b值和声发射关联分形维数D 2都同时下降,可作为充填即将损伤破坏的判据。
(9)在低应力水平时,充填体微裂纹、微裂隙的演化存在随机性与不确定性;在中等应力水平时,微裂纹、微裂隙偶尔会发生几次激烈的扩展;随着应力水平的继续增大,充填体介质处于大尺度的破坏之中,微裂纹、微裂隙开始汇集、贯通,并逐步形成潜滑面。
To study the damage and AE characteristics of cemented backfill; the test of cemented backfill- cement-tailings ratio 1: 4-under uniaxial cyclic loading and unloading, has been done. The regularity for change of cemented backfill parameters are analyzed. By means of the principle of energy, not only the distributions of elastic energy and dissipated energy in whole process are obtained, but also the relationship between damage energy release rate and AE energy is established. After putting forward the damage variable under uniaxial cyclic loading and unloading, the damage evolution equation and the damage threshold of backfill are determined. By calculating and analysing of B value of AE and fractal dimension D2, the AE characteristics about the damage threshold and the AE feature point and also in the whole uniaxial cyclic loading and unloading test process are studied, which reflect the evolution behavior of micro-cracks. Further more, the characteristics of B value and fractal dimension D2 under different damage status of backfill are also studied. At last, a criterion about backfill collapse is put forward. The main conclusions are:
(1) The totle strain and the elastic strain, including the corresponding energy of them, are grow accompanying with the cycles, but the plastic strain and theplastic energy in second loop are smaller than the first loop and the third loop.
(2) Under uniaxial cyclic loading and unloading, the mechanical properties of backfill are not always deccreasing. Each unloading enhances the elasticity of backfill.
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(4) The damage evolution equation can well reflect the backfill damage behavior , and also the damage energy release rate has a linear relationship between AE energy. The damage threshold of backfill, which locates in the valley of B value in the first loop,is about 0.2 times of peak stress, and also larger that the AE feature point, which sites at the downcomer of B value and the fractal dimension.
(5) During the loading process, the B value of AE experiences four periods-trough period to oscillation period to gradual growth period to suddenly down period. Comparing with B value, the fractal dimension has four steps- high level of numerical period to stable period to fluctuation period to decreasing period.
(6) During the unloading process, there is a turning point existing in B-Stress curve. When the unloading stress is greater than the turning point, the B-Stress curve of unloading is as same as in loading. To the fractal dimension D2, the value in unloading process comparing with in loading process, is greater.
(7) The B value shows ups and downs, when damage variable in“linear increase”period. As damage variable locate in“non-linear increase”period, the B-Stress curve has a downfall area, while the fractal dimension displays steadily increasing and then stable at a relatively high level.
(8) That both B value and the fractal dimension decrease at same time, can be used as the filling about to damage and failure criteria.
(9) The evolution of micro-cracks has randomness and uncertainty, when the stress at low lever. In the middle Stress level, violent expansion may occasionally occurred in micro-cracks. As the stress increase, large-scale breakage continuing occurred in backfill, and micro cracks began to gather, and at last form a potential slip surface.
引文
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