单轴压缩下花岗岩声发射-红外特征及损伤演化试验研究

采用声发射、热红外技术联合监测花岗岩单轴压缩过程,分析岩石破裂过程声发射、红外辐射变化规律。从内部损伤和表面损伤两个角度,分别建立了基于声发射和红外辐射的岩石损伤变量解析表达式,并根据二者在不同阶段的互补性,建立了分段曲线损伤模型,分析单轴压缩下岩石的损伤演化特征。研究结果表明,（1）岩石损伤演化过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段3个阶段,初始损伤阶段内部损伤和表面损伤都没有发展,损伤稳定发展阶段,内部微损伤不断积聚,表面损伤仍没有发展,损伤加速发展阶段内部损伤和表面损伤均快速增大。相比内部损伤,表面损伤异常增大时间较早;（2）对比分段曲线损伤模型计算出的应力-应变曲线与试验应力-应变曲线发现两者的趋势大致相同,定义的损伤变量较为合理,能够较好地反映岩石内部裂纹缺陷产生、发展直至破坏的渐进演化过程。     

水压力作用下三峡库区侏罗系软岩损伤演化特性研究

为研究不同库水深度处侏罗系软岩的损伤演化特性,对三峡库区侏罗系泥质粉砂岩进行了不同水压力状态下的MTS三轴压缩声发射试验,建立了基于声发射振铃计数考虑水致初始损伤的损伤演化方程,对水压力作用下侏罗系软岩的力学劣化特性、损伤演化阶段和损伤演化特征值进行了分析,结果表明:随着水压力增大(0 MPa到1MPa),软岩的起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力以及弹性模量整体均呈现出减小的趋势,减小幅度分别为74.2%、66.9%、62.4%、43.4%、51.9%;侏罗系软岩的损伤演化过程可分为损伤形成阶段、损伤稳定发展阶段、损伤破坏阶段和损伤破坏后阶段,各个损伤阶段与裂隙扩展阶段基本保持同步;损伤演化特征值能够定量地反映水压力对侏罗系软岩的影响劣化程度,各个损伤演化特征值与水压力均呈现出较好的数学相关性,初始损伤变量和起裂损伤变量随水压力的增大而增大,起裂损伤增量和起裂损伤应变随水压力的增大而减小;在水压力增大过程中,初始损伤变量与起裂损伤变量的数值逐渐逼近,起裂损伤增量和起裂损伤应变数值逐渐接近于0,说明库水压力的存在会对侏罗系软岩造成不同程度的损伤,能够加速岩石的裂隙发展和破坏进程。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

盐岩单轴蠕变声发射特征及损伤演化研究

为研究盐岩在长历时蠕变过程的声发射特征规律与损伤演化过程,采用四川大学大型程控流变仪和PAC Sensorhighway II型声发射监测仪器对盐岩进行了为期约一年的单轴蠕变声发射试验,分析了盐岩长历时蠕变过程应变规律与声发射试验结果,探讨了盐岩全蠕变损伤演化过程。试验结果表明,盐岩在为期约一年的蠕变时间内经历了初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段、加速蠕变阶段,其中稳态蠕变速率基本维持在6×10~(-5)d~(-1);盐岩全蠕变过程声发射各特征参数规律与蠕变应变趋势基本一致,呈“活跃-平静-活跃”,同时根据声发射参数特征曲线可以预判盐岩进入加速蠕变阶段在300d之时,比由应变曲线(320d)判断更为提前,为储气库工程建设提供室内试验依据;根据声发射时空演化特征揭示了盐岩长历时蠕变损伤破坏路径是从“端部-中部-整部”的形式;基于声发射振铃计数特征参数计算的损伤变量变化趋势与蠕变应变趋势一致,而盐岩蠕变全过程声发射分形维数呈“下降-波动-上升”的趋势,表征声发射经历了一个从无序到有序再到无序的过程,且与蠕变速率曲线变化成一致,分形维数的拐点与声发射提前预判加速蠕变拐点节点相一致,分形维数变化与损伤变量率变化趋势基本一致,进一步分析表明声发射分形维数值基本在2上下波动,损伤变量率基本稳定在0.002d~(-1)周围。     

岩石应力应变全过程的声发射及分形与混沌特征

试验研究了岩石应力-应变全过程的声发射特征,得到岩石试件在初始压密和弹性阶段撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;应变硬化阶段撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。因岩石每个变形阶段产生的声发射特征不同,则可以用声发射方法研究岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。根据岩石声发射损伤三维定位的试验研究结果,其损伤的发展具有分形特征和统计自相似性,且岩石声发射事件数的演化过程可以用触发-生长-触发的链式生长模型来描述,通过事件数可以观察岩石微裂纹的演化过程,且岩石微裂纹的演化可用Logistic方程来描述,因而岩石的损伤演化具有分叉和混沌特征。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

含水率对红砂岩特征应力及声发射特性的影响

为了探讨含水率对红砂岩特征应力及声发射响应特征的影响,利用RMT-150C岩石力学压力试验机和PCI-II AE win型声发射系统开展了不同含水率条件下红砂岩试件单轴压缩试验。对水侵蚀作用下红砂岩的物理力学参数及特征应力演化机制进行了分析,探究在不同含水率条件下声发射(宽、窄频带)时间序列模式的演化规律,同时基于累计声发射事件数与统计力学理论构建了红砂岩的损伤演化模型。试验结果表明:(1)P波波速随着含水率增加呈现先减小后增加的变化趋势,当含水饱和度达到临界值时,P波波速会降到最低值;(2)窄频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部颗粒间的摩擦作用息息相关,而宽频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部裂纹演化存在着内在联系;(3)水对声发射事件率(宽频带)在裂纹非稳定扩展阶段影响相对较为显著,对特征应力与强度的比值影响甚微,但对各阶段应变百分比作用效果相对较为明显,随着含水率的增加,红砂岩试件的失效模式由脆性破坏逐渐向延展性破坏转变;(4)随着含水率的增加,声发射事件率(窄频带)活跃期呈现后移的变化趋势,干燥、自然与饱和状态下岩石试件声发射模式分别为主震型、前震–主震–后震型和群震型;(5)基于声发射累计事件数(宽、窄频带)与统计力学理论构建的损伤演化模型可将不同含水率条件下红砂岩试件的损伤过程分为4个阶段:初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段。     

动态扰动对应力松弛岩石变形行为影响的试验研究

利用自主研发的岩石松弛-扰动试验装置,测试了岩石加载、松弛、动态扰动和扰动后4个阶段的轴向应力、轴向应变和声发射响应,观察到了岩石试样在动态扰动后应变增加、应力降低的现象,砂岩试样的这种特征比花岗岩明显。初步分析认为,产生该现象的原因一方面由于松弛-扰动过程导致岩石内部出现不可逆的损伤,另一方面则是扰动去除后试样的残余变形。在初始压密和弹性阶段,砂岩试样的声发射撞击数少;在接近应变峰值阶段,撞击数骤增;在应力松弛阶段撞击数骤减;在动态扰动阶段,撞击数骤增。声发射是由于岩石损伤引起的,声发射数据反映了岩石的损伤是引起松弛试样在动态扰动后应变增加、应力降低的一个原因。另外,基于砂岩和花岗岩的准静态循环加、卸载试验,对砂岩、花岗岩在不同应变等级下的残余应变进行了定量化;砂岩的残余应变远高于花岗岩,这与砂岩试样在历经松弛-动态扰动后应变增加、应力降低较为明显的趋势相对应。同时,无论是松弛-动态扰动试验还是准静态循环加、卸载试验,岩石的残余变形都会随着卸荷初始应变的提高而增加。岩石的损伤与残余变形是密切相关的,两者的综合作用引起了动态扰动后岩石试样的应变增加、应力降低现象。     

基于声发射试验的红层砂岩损伤演化特性分析

红层砂岩在我国广泛分布,其特殊的工程地质特性对工程建设具有重要影响。对取自重庆万州龙驹坝地区的侏罗系红层砂岩样品进行了声发射试验,分析了其在单轴压缩条件下的损伤演化特性,得到了样品在单轴压缩条件下的应力-应变特征曲线,以及声发射参数在红层砂岩破裂过程中的响应特征。试验结果表明:样品在单轴受压条件下的损伤过程分为内部压密、弹性变形、塑性变形、破裂和残余变形5个阶段,各阶段声发射参数具有显著差异;不同类型样品的损伤量曲线与应力曲线具有同步性,且在弹性-塑性临界点开始出现损伤量的跳跃性增长;对AE振铃计数率参数的回归分析表明,样品在损伤破裂过程中的声发射参数序列存在分形特征,关联维数D可以较好地表征岩石内部损伤的发展规律。试验成果可为红层岩体失稳破坏的监测预警及风险评价提供数据支撑。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

岩石疲劳损伤及破坏前兆研究现状与展望

疲劳是岩石的重要力学特性之一,与工程的安全稳定密切相关.在循环荷载作用下,岩石初始损伤不断累积、加剧,最终导致岩石的失稳破坏,从而诱发工程灾变.阐述了近年来基于声发射、红外辐射技术开展岩石疲劳损伤与破坏方面的研究进展.首先论述了研究人员采用声发射时域参数、声发射空间演化以及Felicity比开展岩石疲劳损伤特性的研究进展.进而,针对研究人员采用声发射时域参数、损伤变量、分形维值、Felicity比、加卸载响应比、RA以及b值等参数开展岩石疲劳破坏前兆的研究进展进行讨论.在此基础上,论述了研究人员采用红外辐射技术开展岩石疲劳损伤与破坏前兆的研究进展.最后,提出了今后岩石疲劳损伤与破坏前兆研究中需要进一步深入解决的几点问题.本文可对深入认识岩石疲劳损伤机理、破坏前兆特征起到积极的促进作用.      

三维高静载频繁动态扰动时岩石损伤特性及本构模型

采用改进的SHPB试验装置,进行深部岩石的三维高静载频繁动态扰动试验,分析动态应力-应变曲线的一般特征,可将其细分为微裂纹稳定发展、微裂纹非稳定发展、疲劳损伤、疲劳破坏4个阶段进行描述,其中峰值后的2个阶段处于动态应力卸载过程。基于连续因子、应变等效原理及统计损伤理论定义岩石的损伤变量并推演损伤演化方程,采用组合模型法建立岩石的本构模型。结合试验数据,验证岩石的损伤演化规律及建立的本构模型,结果表明:利用推演的损伤演化方程计算出损伤变量,其与动态应变的关系曲线符合试验中岩样的损伤规律;建立本构方程的拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,说明建立的本构模型可以用来预测深部岩石处于三维高静载频繁动态扰动时的动力学特性。     

D-P随机损伤本构模型及其在预防陷落柱突水中的应用

预测陷落柱突水与否的关键在于准确描述其内岩石在采动影响下的力学特性及损伤深度。以弹性模量作为损伤变量,基于耗散结构理论建立细观层面的修正平行杆模型,根据宏观层面的声发射和应力-应变数据得到损伤演化方程;结合Drucker-Prager屈服准则和对应的非关联流动法则,建立D-P弹塑性双标量型随机损伤本构模型。分析结果表明,D-P随机损伤模型可以较好地反映岩石非线性和随机性特征,在概率意义上预测了应力-应变曲线的离散范围。同时,该模型可以较好地反映压-拉-压循环荷载下岩石弹性模量的退化。基于此模型,对成庄矿51510工作面WDX40陷落柱的损伤规律进行研究发现,柱体内压缩损伤深度呈现非对称倒马鞍形分布规律,且远离切眼的陷落柱边壁处压缩损伤深度更大。     

考虑初始损伤和蠕变损伤的岩石蠕变全过程本构模型

考虑到天然岩石存在不同程度初始损伤以及蠕变过程中岩石受载后裂隙扩展而导致的新损伤,对具有初始损伤的岩石蠕变特性进行全面描述。根据不闭合结构面应力与法向变形之间的关系,提出裂隙岩石塑性变形体元件,描述岩石蠕变过程中的瞬时塑性变形。引入初始损伤影响因子,建立具有初始损伤的岩石损伤变量演化方程,构建模拟岩石加速蠕变的蠕变损伤体元件。将裂隙岩石塑性变形体和蠕变损伤体与描述瞬时弹性变形和黏弹性变形的广义开尔文模型进行串联组合,形成能够反映具有初始损伤的岩石瞬时弹-塑性变形、稳定蠕变和加速蠕变的蠕变全过程本构模型,提出了进行少量蠕变试验既能解析模型参数的方法,在不同应力水平下模型理论曲线与蠕变试验曲线吻合。     

三轴循环荷载下砂岩损伤耗能比演化特征研究

为了研究循环载荷下岩石能量演化特征,引入耗能比?,开展砂岩不同围压下轴向循环加卸载试验,探究全应力-应变过程中?值演化特征,进而探讨岩石试样循环加卸载作用下损伤变形演化规律。试验结果表明：对应全应力-应变曲线的5个阶段,?值演化过程可划分为线性下降、稳定发展、缓慢增加、突然增加和平缓变化5个阶段,在?值整个演化过程呈现“勺”演化特征,该特征充分反映了试样变形演化过程中的能量转化关系及损伤演化程度;随着围压的增大,?值整体呈现减小趋势;同一应变水平下,不同围压下?值在线性下降阶段、稳定发展阶段差值逐渐减小,在缓慢增加阶段、突然增加阶段差值逐渐增大,在平缓变化阶段差值减小并趋于一个稳定值;分析循环加载下岩石材料参数演化特征,考虑围压作用及耗能比演化规律,建立岩石试样循环加卸载作用下的应力-应变演化理论公式,并进行了试验曲线拟合,验证了该理论公式的合理性。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

裂隙砂岩变形破裂过程中应变场及红外辐射温度场演化特征研究

采用数字图像相关方法和红外热成像技术非接触式全场观测手段,对不同裂隙倾角的砂岩试件进行单轴压缩试验,引入标准差和近似导数定量地描述应变场和红外辐射温度场的分异程度和分异速率,分析其变形破裂过程中两个领域全场信息的演化规律、变化机制以及前兆异常特征,并探索全场信息之间的相关关系。研究结果表明,裂隙砂岩应变场标准差演化过程可划分为初始分异、初加速分异、中加速分异和快加速分异4个阶段。红外辐射温度场标准差演化过程可划分为初始分异、稳定分异和加速分异3个阶段;应变场和红外辐射温度场标准差在裂隙砂岩变形破裂过程中变化趋势大致类似,两者的皮尔逊相关系数在0.50～0.91之间,呈显著或高度正相关关系;裂隙岩体破裂失稳前应变场分异速率出现2个尖峰,分别对应于张拉裂纹和剪切裂纹起裂点,可视为2个前兆点;红外辐射温度场分异速率在剪切裂纹萌生前呈持续增长,也可视为前兆点。研究成果可为裂隙岩体稳定性监测与预报提供新的手段和理论依据。     

岩石损伤检测技术的研究进展

岩石损伤变量的测定是岩石损伤力学分析研究的基础，岩石损伤理论付诸岩石工程实践必须解决岩石损伤检测的问题。总结当前国内外的岩石损伤检测方法，可将其分为结构分析法和陛能测试法，具体包括扫描电镜分析、计算机断层扫描检测、应力应变测试、声波探测、声发射测试以及红外辐射探测等。在采用不同的测试技术时，必须谨慎考虑损伤与相应物理力学描述之间的耦合关系，尽可能使得所定义的描述能真正反映损伤变量的值。具体应用时应该在符合热力学原理的前提下尽可能选择易于测量且利于分析的损伤变量描述形式及相应的检测技术。     

基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。