单轴压缩下两类脆性岩石声发射特征试验研究

本文主要研究花岗岩和砂岩两种脆性岩石的详细声发射特征。通过对花岗岩和砂岩样品进行单轴压缩试验,并在试验过程中监测样品破裂全程的声发射信号。对试验结果的分析包含了力学特性分析和声发射特性分析,声发射特性分析使用了多种参数:累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值。研究主要获得了如下结果:（1）获取了岩石样品的变形参数与强度参数,并分析了其离散性;（2）岩石样品内部颗粒的胶结强度与结构的均匀性对累积声发射计数、累积声发射能量的影响;（3）需要通过进一步试验研究来确认采用AF和RA值来区分岩石类材料张拉和剪切裂纹模式的合理性及其阈值;（4）砂岩样品在接近破坏时,微裂缝活动仍然占据主导地位。文章对脆性岩石样品在单轴压缩条件下的力学特性和声发射特性进行了详尽细致的分析,发现了单轴压缩条件下脆性岩石的一些重要特性,为进一步的试验研究工作提供了基础。     

自然与饱水状态下砂岩压缩破坏力学特性及声发射特征

为研究自然与饱水状态下不同粒径砂岩损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对自然和饱水状态下3种粒径砂岩进行单轴压缩试验和声发射试验,研究其单轴应力状态下力学特性和声发射特征。试验结果表明:在自然状态下,粗粒砂岩平均抗压强度为54.23 MPa,中粒砂岩为53.56 MPa,细粒砂岩为59.46 MPa;饱水后,粗粒砂岩平均抗压强度为35.62 MPa;中粒砂岩为31.79 MPa,细粒砂岩为29.10 MPa。饱水后,粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%;泊松比分别增加9.6%、10.4%和19.5%。所有试样各阶段声发射能量曲线变化趋势与各阶段受力破坏程度具有较高的一致性,声发射能量峰值都出现在应力峰值附近,其中饱水后弹性变形阶段声发射总能量发生不同程度的减少,粗粒砂岩为67.4%,中粒砂岩为32.4%,细粒砂岩为29.3%。饱水试样损伤演化阶段较自然状态声发射总能量发生明显下降,粗粒砂岩最为明显,降幅为73.5%,中粒砂岩为36.0%,细粒砂岩为62.0%。饱水后失稳破裂阶段声发射能量值较自然状态依旧出现不同程度的减少,粗粒砂岩为30.7%,中粒砂岩为29.5%,细粒砂岩为38.3%。砂岩饱水后力学特性与声发射特征变化是试样微观结构变化在宏观层面的体现;用砂岩单轴破坏过程中声发射能量峰值可以很好地表征砂岩脆性,将为岩石脆性研究提供新的思路。      

福建武夷山风景区红色砂砾岩单轴受压声发射实验

根据武夷山九曲溪风景区工程地质条件,对取自一线天景点岩体的白垩系崇安组红色砂砾岩样品进行声发射实验,得到样品在单轴压力加载过程中的应力-应变曲线,声发射参数与应力、应变、时间之间的关系。红色砂砾岩的破坏过程分为压密变形、弹性变形、塑性变形、破裂四个阶段,每个阶段声发射特征不同,声发射能量和振铃计数变化很大,岩石破裂时的声发射能量达到2×10~6mv×μs以上,振铃计数在2×10~4左右。实验发现,在塑性阶段,岩石的声发射累计能量和振铃次数相比较于弹性阶段中后期和破裂阶段更趋于平缓,存在一个平静期。FFT变换分析得出样品破裂时的主频为25 KHz和50 KHz。实验成果为武夷山风景区岩体稳定性监测技术开发提供了基础数据。     

不同岩石的抗压和抗拉破坏特征试验研究

为探究不同岩性岩石在发生破裂时的演化模式,采用声发射监测系统对大理岩、花岗岩、灰岩、砂岩的巴西劈裂试验和单轴压缩试验监测。试验结果表明,巴西劈裂试验应力变化为非线性变化和线性变化,且不同岩石在巴西劈裂破坏时会产生二次破坏;单轴压缩条件下不同岩样在发生破坏时具有典型的全应力–应变曲线特征,声发射参数变化随应力变化较为一致,但不同岩性对于声发射参数的响应存在差异;在劈裂和压缩过程中,振铃计数和撞击计数对于岩石破坏的发生更为敏感,且岩石越坚硬,发生破坏时释放的能量越多。     

砂岩单轴压缩声发射和纤维束模型模拟

利用纤维束模型(FBM)模拟非均质材料破坏动力学行为,在实验室内进行了砂岩力控制单轴压缩声发射(AE)试验。将纤维束模型纤维断裂与砂岩声发射类比分析发现,低应力阶段纤维束模型对偶发的雪崩过程敏感性低,但在高应力阶段纤维束模型能够很好地表征应力控制单轴压缩砂岩声发射特征;雪崩尺寸的模拟和试验结果都呈现双幂形式,具有相似的双幂指数和转换点;模拟和试验结果都以纤维束模型为基础和声发射反映固体内部损伤为前提,固体的破裂失稳满足二阶相变特征,且分叉率ξ是符合描述二阶相变的连续序参量;在临界点附近针对分支率演化(固体破裂相变)过程概率理论、纤维束模拟与声发射试验结果一致,可见纤维束模型能较好地模拟岩石声发射行为进而反映岩石损伤断裂过程。     

武夷山风景区红色砂砾岩剪切声发射实验

对取自武夷山风景区内一线天景点岩体的3个白垩系崇安组红色砂砾岩样品进行声发射实验,得到样品在剪切破坏过程中的应力-应变曲线,声发射参数与应力、应变、时间之间的关系。红色砂砾岩剪切破坏过程分为压密阶段、弹性变形阶段、局部破坏阶段、二次弹性阶段和失稳破坏五个阶段,各阶段声发射能量、振铃计数、累积能量与累计振铃计数变化很大,出现两个声发射平静期与突变期。两个平静期与弹性变形阶段和二次弹性变形阶段对应,两个突变期与局部破坏阶段和失稳破坏阶段对应。小波分析表明,存在两个信号不连续点,在应力应变曲线中对应局部破裂阶段和失稳破坏阶段。不同阶段样品之间的声发射参数变化与岩石剪切面不均一性有关。岩石剪切破坏过程声发射特性为岩体稳定性的声发射监测技术开发提供了基础数据。     

不同岩石破裂全过程的声发射序列分形特征试验研究

通过对不同岩性的岩石进行单轴压缩声发射试验,获取岩石破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试件破裂失稳时的破坏情况,分析破坏过程的载荷变化关系。着重对比了不同岩石的不同力学性质、岩石声发射序列的时域特征和声发射序列的分形特征。研究结果表明,采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;计算岩石声发射率、声发射能率的关联维数,可得出岩石破裂过程的声发射序列具有分形特征;岩石破裂过程的声发射分维值D反映了岩石内部微裂隙的统计演化规律;不同岩性的岩石破裂过程的声发射参数序列的分形特征具有一定的共性;归纳总结出岩体声发射序列分维曲线的演化模式,即波动→持续下降演化模式,提出可以将分维值的持续下降作为岩体破裂失稳的前兆。     

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。     

砂岩脆性临界破坏声发射信息应力比分析

根据岩石脆性破坏的本构方程和三维重整化理论,推导出了岩石破裂前声发射信号激增的临界点所对应的应力和岩石峰值应力比值的数学表达式。通过测试深部紫红色砂岩单轴加载变形破裂全过程中力学与声发射特征,得到了全过程力学特征曲线、声发射能量累计数等相关数,发现岩石破裂前声发射突增点所对应的应力与岩石临界点相对应。单轴刚性加载条件下岩石脆性破裂前声发射突增点所对应的应力与峰值应力比值大部分近似在74%左右,误差在±9%以内。     

石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明:在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的"钝化期",其声发射事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了"最小-回升"现象;在劈裂条件下石灰岩声发射事件频发且其声发射参数序列同样存在模糊自相似容量维特性,但其模糊容量参数的演化过程未能观测到"最小-回升"现象;在直接拉伸试验中,由于"胶结、引力"材料声发射活动具有瞬发性,不易监测,本次试验可测范围内无法计算其分维数,因此在拉伸条件下岩石试样是否具有自相似性演化规律还有待于进一步的研究。      

石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明:在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的"钝化期",其声发射事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了"最小—回升"现象;在劈裂条件下石灰岩声发射事件频发且其声发射参数序列同样存在模糊自相似容量维特性,但其模糊容量参数的演化过程未能观测到"最小—回升"现象;在直接拉伸试验中,由于"胶结、引力"材料声发射活动具有瞬发性,不易监测,本次试验可测范围内无法计算其分维数,因此在拉伸条件下岩石试样是否具有自相似性演化规律还有待于进一步的研究。     

砂岩单轴压缩与干湿循环耦合损伤试验研究

设计并进行了不同干湿循环次数下的砂岩单轴压缩试验,得到试验应力-应变曲线。观察对比各组曲线的各阶段特征,分析干湿循环作用对砂岩的变形破坏和力学性能的影响规律,发现干湿循环交替过程导致砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量均显著降低并逐渐趋于一个定值,破坏特征则由脆性向脆—延性转变,砂岩受到了不可逆的渐进损伤作用。建立了单轴压缩与干湿循环耦合作用的随机损伤力学模型,推导出随机损伤力学本构关系表达式,拟合出理论曲线并与试验曲线进行对比分析,证明该模型能较好地反映干湿循环作用下砂岩的力学特性曲线。     

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。     

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。     

单轴压缩胶结充填体声发射参数时空演化规律及破裂预测

为了研究胶结充填体在荷载作用下的时空演化规律,利用WAW?300微机电液伺服万能试验系统与DS2系列全信息声发射监测系统,监测了胶结充填体试样在单轴压缩过程中的应力、应变变化规律和声发射活动,根据振铃计数率、能率的阶段性特征,将加载过程声发射参数变化规律分为3个阶段:上升期、平静期和活跃期,进而研究声发射参数时空演化规律;并利用振铃计数率、能率参数,结合尖点突变理论,进行胶结充填体破裂预测。研究表明:(1)单轴压缩条件下,胶结充填体属于延性破坏,裂纹贯穿属于剪切贯穿;(2)通过声发射参数演化规律及定位演化特征,分析得出胶结充填体在加载中是由局部破坏向整体失稳演化;(3)运用尖点突变理论进行胶结充填体破裂预测,并构建了破裂预测模型,预测结果与试验结果一致。研究结果可为人工矿柱稳定性监测和破裂预测提供依据。     

周期荷载作用下盐岩声发射特征试验研究

通过改变恒幅荷载条件下的上限应力、下限应力以及加载速率等试验条件,基于声发射技术对盐岩疲劳损伤特征进行试验研究。试验发现,盐岩声发射信号出现在加载阶段和卸载初期,而砂岩声发射信号一般集中出现在上限应力处;盐岩疲劳寿命对下限的依赖程度大于砂岩;随着上限应力的增大,盐岩声发射振铃数增多。加载速率的提高会加速盐岩的疲劳破坏。通过对比声发射振铃数累计曲线和应变累计曲线,发现两者有很好的对应关系,说明二者在反映盐岩疲劳损伤时具有一致性。最后对盐岩进行3级变幅荷载试验,发现第3级声发射振铃数比相同上、下限应力的恒幅荷载条件下多,说明变幅荷载造成的盐岩损伤比恒幅荷载条件下严重。     

双向加载煤岩变形与声发射特性颗粒流研究

为了明确煤岩双向应力状态下的强度和损伤特性,通过煤岩的单轴试验测得其力学参数,然后利用颗粒流和fish程序结合试验结果获得煤岩细观力学参数,进行了煤岩双向加载下的强度、变形和损伤声发射特征的研究。获得以下主要结论:双向加载煤岩变形破坏过程中,中间主应力对屈服阶段影响最显著,而对峰后软化阶段基本没有影响,这与三向加载下围压对峰后软化阶段的影响不同,从而表明双向加载条件下煤岩峰后基本不存在脆性-延性转化的特征。双向加载下煤岩的体变经历线性体缩、非线性扩容和线性扩容阶段,中间主应力对非线性扩容阶段影响显著,而对其他两个阶段基本没有影响。煤岩损伤破坏过程中,在弹性阶段声发射呈线性增加趋势但增速较小,屈服阶段声发射进入非线性快速增加阶段,在峰值附近增速最快,峰后初期达到最大强度,随后声发射强度急剧减小。声发射最大强度有一定的滞后效应,随着中间主应力的增大,最大声发射强度的滞后效应相对减弱,且随着中间主应力的增大,声发射最大强度持续时间段明显延长。     

高温下花岗岩的细观结构与声发射特性研究

利用LEICA DM4500P偏光显微镜对实时温度作用下山东临沂花岗岩的细观形态进行了观测,结合其在高温下单轴压缩与声发射检测试验结果,对不同温度下花岗岩的强度和声发射与细观结构形态关系进行了初步的探讨。研究表明,高温下花岗岩细观结构形态的变化主要体现在不同温度下裂纹萌生及扩展速度的不同;随温度的升高,花岗岩内部形成的裂纹越多,内部损伤越严重,单轴压缩下其声发射活动越频繁;花岗岩的力学特性及声发射特征与岩样内部裂纹网络的形成具有对应的关系,裂纹扩展缓慢则其峰值应力曲线和振铃累计数曲线走势平稳,而裂纹网络急剧扩展则峰值应力曲线和振铃累计数曲线出现拐点导致突变。通过观测岩石在热作用下内部结构形态的变化,以期推断其在热破裂过程中物理力学特征参量发生变化的原因。     

受压煤岩破裂过程电磁辐射与能量转化规律研究

首先对煤岩单轴受压变形破裂过程产生的电磁辐射（EME）、声发射（AE）信号变化规律进行了试验研究,然后在试验测定结果的基础上分析研究了煤岩变形破裂电磁辐射与加载变形能量之间的转换关系。研究结果表明,EME值随着加载时间的增加而增强,声发射信号也呈现同样的规律;电磁辐射的幅值、脉冲数在煤岩主破裂前与应力基本成正相关的关系,出现峰值后降低,试验的各个样品均呈现此变化规律;电磁辐射能和机械能的转化曲线与煤岩单轴加载过程的应力-应变关系曲线是相对应的,且呈现三次多项式的关系。从能量转换的角度来研究煤岩变形破裂电磁辐射与应力之间的关系是可行的。     

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。