岩石剪切破坏裂纹扩展模拟及声发射能量监控

我国西南地区因其特殊的地质条件成为我国自然灾害的频发地，工程中对于岩质边坡的施工将引起地应力的重分布，对工程安全有着重要影响[1]。对于岩石破裂过程中的裂纹扩展及能量释放，一直以来都是研究的难、重点，引起了广泛的关注和研究，并对此发展了多种数值模拟方法，如离散单元法、等效连续模型、刚性元法等[2-4]，但大多不能较完整的体现裂纹的发展规律以及跟能量释放相结合。本文将从岩石的非均质性出发，利用RFPA2D在岩石破裂研究方面的优势，来模拟探究岩石剪切破坏过程中裂纹的扩展及能量的释放。

1 RFPA原理及数值模型

RFPA是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破坏过程数值计算方法，该方法考虑了材料性质的非均质性、各向异性，能够获取计算模型每一时间步的应力应变、声发射、裂纹出现扩展等结果，对于模拟实际情况下的岩石剪切破坏具有直观性、科学性[5]。

（3）远程控制：主要应用于重大等突发事件、领导视察、巡测等场景。为达到路灯的二次节能，需要对单灯进行调光，开，关，以及单灯状态的查询，尤其是在突发事件，如重大事件，天气恶劣等情况下需要从云端对路灯进行实时控制；正常情况下是对路灯进行批量操作，对于不同时的场景时延要求不同，如领导视察时延需要控制在1分钟以内，如正常使用时延可以在30分钟之内，如时延太长，可考虑提前下发指令，并不受时延的影响。此外，需要根据路灯类型进行分组如公路灯、街道灯、饰灯、景观灯、CBD、小区等，并采用工作日、节假日、重大活动等不同的制定不同的控制模式。

为了考虑材料的非均质性，假设基质单元的弹性模量及强度等力学参数服从Weibull分布函数，即:

式中，m为形状函数，反映岩石材料力学的均质度,m越小表示岩石材料越不均匀；α0表示岩石材料的平均性质[6-7]。

(1) 岩石剪切破坏的尺寸效应显著，主要表现在宏观裂纹贯通方式、水平应力的变化程度及峰值等方面。

图1 计算模拟模型及加载工况

2 模拟结果分析

2.1 剪切破坏裂纹扩展分析

20 m×10 m尺寸岩石剪切过程中，裂纹首先由右侧水平荷载加载段形成，并逐步向内侧、下部发展，裂纹的扩展沿岩石内部剪应力集中边缘发育。图2中A1-A2(工况1)反映，在右侧裂纹扩展完成之后，岩石中部自右向左出现张性裂隙，并最终向左发育贯通岩石，与右侧裂隙面形成岩石剪切破裂面。图2中B1-B2(工况2)反映，岩石剪切破坏过程，左右两荷载加载端均出现裂隙，由两侧向中部区域发育，并最终贯通岩石，裂隙的扩展遵循沿剪应力集中边缘发育的规律。图2中C1-C2、D1-D2(工况4、5)显示，10 m×10 m尺寸的岩石剪切过程未出现明显的由两端向内部裂纹扩展的现象，破坏过程首先在岩石内部出现细小张性裂隙，随时间步推移，形成宏观裂隙，并向两水平荷载加载段扩展，最终岩石剪切破坏。

从模拟结果来看，岩石试样在剪切过程中出现应力集中，剪应力呈现连接左右水平荷载加载端的“纺锤型”分布，如图2青色线状剪应力所示。图2中A2、B2、C2、D2分别显示于231、245、477、109步形成贯通裂纹，岩石试样剪切破坏。主断裂面上下部分分布有大量张裂纹，剪裂纹的形成是诸多细小张裂纹汇集演化而来，对破坏模式起主导作用。

2.2 剪切破坏应力-应变分析

数值模型的剪切过程中，对水平剪切力的控制方式为水平匀速加载，竖直方向荷载为第1加载步施加，且全程维持该荷载直至剪切破坏。选取两种尺寸的模型的应力应变曲线如图3所示。图3中a1、a2为20 m×10 m尺寸，工况1；图3中b1、b2为10 m×10 m尺寸，工况4。从图3中a1、b1可以看出，尺寸对于X方向应力的变化幅度及峰值是有影响的。20 m×10 m尺寸在剪切前期(前20步)应力急剧增大至77MPa，接近峰值。而10 m×10 m尺寸X方向应力则随加载步均匀稳定增大。图3中a1显示20 m×10 m尺寸的岩石试样在剪切破坏过程中的应力峰值为84 MPa(230步)；图3中b1显示10 m×10 m尺寸的应力峰值为19 MPa(108步)。样品水平尺寸扩大1倍，X方向应力峰值扩大4倍。相同尺寸在不同水平加载速率的情况下，X方向应力的变化幅度及峰值是相近的。加载工况2、3剪切破坏时，X方向应力与工况1相近，为80、82MPa；加载工况5剪切破坏时，X方向应力与工况4相近，为20 MPa。

图2 剪切破坏裂纹扩展图

图3 应力应变曲线

Y方向位移从第2步开始统计，考虑竖向荷载从第1步加载，使得Y方向位移瞬间从0到峰值，为方便观察截取第2步到终止步的区段进行比较分析。从图3中a2、b2可以看出，Y方向位移在第2步达到峰值0.011 m、0.019 m后，随加载步逐渐减小，但是两种尺寸的减小过程存在差异。图3中a2显示2 0 m×10 m尺寸试样在剪切过程中其Y方向位移曲线随加载步变化的减小是存在明显起伏波动的，而10 m×10 m尺寸试样的Y方向位移曲线变化则比较平缓，无明显波动。通过比较两种工况的剪切破坏裂纹扩展图，我们发现20 m×10 m尺寸(工况1)试样在剪切过程中出现更多的裂纹，且裂纹集中出现区段对应图3中b2的Y方向位移曲线波动明显。裂纹的扩展、声发射与Y方向位移曲线波动能够对应起来，具体如下文所述。

（4）将第（1）—（3）步产生的数值作为SHA-256(SHA-256())算法的输入，得到一个256 bit的二进制数，并检查这个数是否符合PoW机制的要求；

从图4中a1、b1可以看出,20 m×10 m尺寸试样在剪切过程中声发射的数量远多于10 m×10 m尺寸试样。工况1累计声发射数量为15 000个，而工况4的数量为8 000个，相差近乎一倍。但声发射的能量并不存在明显差距，工况1声发射能量最大值为0.012 MJ，工况4的最大值为0.0 2MJ。图4中a2、b2显示在100步时，工况1、4的累计声发射能量分别为0.02 MJ、0.025 MJ，表明岩石尺寸对于剪切过程中声发射的数量有明显影响，但是对能量数值大小的影响并不明显。对比图4中a1和图3中a2可以发现，工况1的岩体在剪切破坏过程中，声发射能量较大的加载步对应Y方向位移曲线波动明显，

结合卫星定位技术、信号检测与处理技术、多模通信技术和网络技术，研究了集装箱实时监测的卫星定位、分布式环境监测、安全保障和多模通信等技术方案，设计实现了一种集装箱远程实时安全监测系统。实验测试结果表明，利用相关技术方案搭建的集装箱远程实时安全监测系统功能完善，能够对集装箱在运输过程中的安全状态、位置信息、箱内环境进行远程实时监测，不足之处在未对系统的功耗进行严格的测量和控制，如果能结合低功耗设计、电源管理和新能源发电等技术手段实现系统的长时间工作，则具有一定的应用推广前景，有助于促进集装箱物流运输行业的发展。

综上所述，新生儿黄疸与诸多因素相关，其中开奶时间、喂养方式、母婴血型不合则为新生儿黄疸病情加重的主要危险因素。间歇蓝光照射配合茵栀黄颗粒治疗NHB配合服药护理和光疗护理可有效改善患儿血清胆红素水平、降低黄疸持续时间、缩短蓝光照射时间及住院治疗时间，减少不良反应的发生率。

3 声发射结果分析

两种尺寸的样品分布选取一种工况进行声发射结果统计分析，研究裂纹扩展、声发射与位移变化之间存在的联系。图4中a1、a2为20 m×10 m尺寸，工况1；图4中b1、b2为10 m×10 m尺寸，工况4。

图4 声发射能量及累计曲线

从1990年代以来，高校知识分子题材成为小说创作的一个重要写作领域。作为南昌大学中文系教授的阿袁，从2002年创作小说走上文坛开始，陆续发表了《长门赋》《子在川上》《鱼肠剑》《俞丽的江山》《郑袖的梨园》《汤梨的革命》等高校生活题材作品，她以一个知识分子的写作立场，专注于高校知识分子的世界，细致入微地呈现了他们的生活日常和内心情态，阿袁的小说格调优雅，有着女性写作的柔婉，也有着智性写作的机锋睿智，笔意灵动，语言雅致却又谈笑自如。她从一个知识女性的视角关注她笔下的知识女性，拂去这些女性身上在世人眼里做为知识分子的想像帏幕，把她们还原于世俗生活的场景中，呈现了知识分子题材小说独特的女性书写风致。

(2) 微小裂隙首先在剪应力集中的区域生成，呈“纺锤状”分布发育。裂隙形成、声发射能量以及Y方向位移之间存在明显对应关系。

4 结论

文中研究不同尺寸、剪切速率对裂纹扩展及声发射能量监控结果的影响。计算模型及加载工况如图1所示，模型尺寸为20 m×10 m和10 m×10 m两种，分别划分为80 000、40 000个单元，垂直荷载为70 MPa。模型中，基质单元的平均强度为300 MPa，平均弹性模量为80 GPa，内摩擦角30°，为摩尔-库伦模型。

岩石剪切破坏过程中，声发射能量的大小取决于颗粒成分的强度、颗粒间接触的紧密程度以及围压。脆性岩石的一个颗粒在承受逐渐增大的三轴应力时发生形变，并且通过改变相应的形状来积累弹性应变能。当施加的应力超过颗粒体自身强度时，就会发生碎裂，在密闭的设置下，以高频弹性应力波的形式传递其能量，引起周围颗粒的碎裂，从而形成裂缝。大范围岩体的移动也会产生高围压荷载，这部分应力足够碾碎周围的颗粒。当密实的碎裂发生得越来越明显，就会引发岩崩灾害。

(3) 岩石剪切破坏过程中，颗粒在复杂应力波场的影响下会碎裂产生弹性体波，从而进一步加速和影响滑移。通过裂缝一系列的产生、发展所引起断开的岩石体的突发性、灾难性解体的过程，是由碎屑释放弹性应变能所驱动的。

1.4 评价标准 颈动脉粥样硬化斑块形成标准如下［4］：内中膜厚度超过1.2 mm即为斑块形成；劲动脉内膜光滑完整即为正常；其中斑块质地与周围组织相比呈低回声，且表面粗糙不平整即为软斑；强回声且表面光滑即为硬斑。

参考文献

[1] 李邦翔.高山河谷地区地应力分布特征及对节理围岩工程稳定性的影响.山东大学，2015.

[2] 陶连金，苏牛瑞，张倬元. 节理岩体边坡的动力稳定性分析[J].工程地质学报,2001,9(1)：32-38．

[3] 邬爱清，丁秀丽，陈胜宏，等.DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(1):1-8．

[4] 郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡和岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3381-3388．

[5] 黄明利，唐春安，朱万成，等.岩石破裂过程的数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2009，19(4)：468-471．

[6] 唐春安．岩石声发射规律数值模拟初探[J]．岩石力学与工程学报,1997,16(4):368-371．

[7] Tang C.Numerical Simulation of Propagation Rock Failure and Associated Seismicity[J].Internation Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34(2):249-261