周期性循环载荷作用下岩石声发射规律试验研究

声发射是岩石等脆性材料内部损伤的伴生现象。在周期性循环载荷作用下通过改变不同应力幅度和不同加载速率对细粒砂岩进行声发射试验研究,探讨了声发射在周期性载荷作用下的声发射规律。研究结果表明,改变上限应力对声发射现象的影响显著,而改变下限应力的影响主要在循环末期,提早了每个循环声发射产生时间;加载速率的增加提高了声发射率,特别是循环过程中主裂纹的形成和扩展阶段,加快了岩石破坏进程;不同应力幅度和加载速率下声发射表现出不同的发展模式,不同模式预示着不同的岩石变形破坏速率。     

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。     

基于声发射特征的盐岩蠕变本构模型研究

针对盐岩作为储库介质在长期运营下的变形行为,开展了历时359 d的层状盐岩室内单轴蠕变试验,实时监测了试验过程中的声发射信号规律。研究表明,盐岩单轴蠕变试验中声发射表现出特征明显不同的3个阶段,累计声发射事件定位显示,各阶段声发射信号的分布与试件的变形及破坏位置基本一致,并且累计声发射事件数与蠕变应变近似满足线性关系,验证了基于声发射事件数来建立盐岩蠕变本构模型的合理性。进一步构建了基于声发射的盐岩损伤演化本构模型,并采用最小二乘法拟合本试验数据获得本构模型中的参数,由拟合曲线可知,基于声发射的盐岩蠕变本构模型能够较好地描述盐岩蠕变的3个特征阶段。     

不同加载条件下陕西华山花岗岩破坏过程的声发射特性

对陕西华山花岗岩试样进行单轴和常规三轴破坏过程的声发射参数测试,研究单轴和三轴两种应力条件下花岗岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,两种加载条件下,声发射特征均基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,单轴下峰值应力前声发射平台现象明显,三轴下未出现明显声发射平台。弹性阶段内声发射信号均比较少,进入塑性阶段后声发射信号开始密集出现;破坏过程中声发射幅值主要范围都集中在40~100dB;在岩样破坏之前,都会出现事件计数、振铃计数率和累计释放能量逐渐升高的过程;达到峰值强度时,均出现振铃计数率和累计释放能量跳跃性的增长,因此可以将振铃计数率和累计释放能量的突增作为岩样破坏的前兆。此外,研究发现此花岗岩的声发射特征与其承载的路径密切相关,从而进一步验证了岩石材料声发射中的Kaiser效应。     

周期荷载下盐岩的疲劳变形及损伤特性研究

利用RMT－150C型岩石力学多功能试验机,进行了盐岩单轴循环荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的疲劳强度、变形及损伤特性。试验结果表明,当上限应力大于“门槛值”时,盐岩疲劳破坏时的轴向应变可以分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏－密－疏的发展过程。改变上限应力和平均应力会显著影响疲劳的进程,提高上限应力值和平均应力值,初始轴向变形和循环轴向变形的比率都会提高,疲劳破坏时的总循环次数显著减小。盐岩疲劳破坏终点的变形量同样受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,控制误差范围在10%左右。循环荷载作用下,盐岩的变形模量经历了一个先逐渐增加,后缓慢降低,最后加速减小的过程。对循环荷载作用下盐岩疲劳损伤演化规律进行了初步探讨     

循环荷载作用下盐岩微观结构变化及经验疲劳模型

为研究盐岩在循环荷载作用下的疲劳特性和微观结构变化,对盐岩试件展开了不同上限应力下的单轴疲劳试验;同时,利用SEM和NMR设备观测了盐岩试验前后的微观结构。结果表明：循环荷载作用下,盐岩内部裂纹发育以晶间裂纹的生成为主,且裂纹数量随上限应力比（上限应力与单轴抗压强度的比值）增大而增加。循环荷载作用后（12 000次循环）,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量增加,小孔隙数量减少,且大孔隙和总孔隙增加的数量及小孔隙减少的数量均随上限应力比增大而增加。上限应力比为0.40且荷载循环次数N≤2 000次时,盐岩内部小孔隙、大孔隙和总孔隙数量均随荷载循环次数增加而增加;但小孔隙数量的增长速率大于大孔隙,此时盐岩孔隙结构变化以小孔隙萌生为主。上限应力比为0.40且荷载循环次数N >2 000次时,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量仍随荷载循环次数增加而增加,而小孔隙数量不断减少,此时盐岩孔隙结构变化以大孔隙生成为主。通过求解S形函数反函数的方法,建立了一个形式简单、参数少,且能够描述盐岩累计不可逆变形发展全过程的经验疲劳模型,并利用盐岩疲劳试验结果验证了模型的合理性。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

三轴作用下的小型围岩试件在开挖卸荷过程中的声发射特征

为了获得巷道围岩开挖卸荷过程中的声发射特征与开挖卸荷状态之间的关系,使用水泥砂浆厚壁圆筒围岩试样,开展开挖卸荷条件下3种不同卸荷速度的声发射试验研究。利用自主研发的小型巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,声发射系统及变形监测系统采集试样卸荷过程中的声发射时频信号及变形信息,并对声发射b值进行研究。研究发现：（1）试验过程具有4个特征阶段：加载段―维持段Ⅰ―卸荷段―维持段Ⅱ,这4个阶段与振铃累计曲线有良好对应关系。（2）加载段,高频高幅信号较多,分布范围广,试样内部原始裂隙在三向应力作用下压密明显;维持段Ⅰ,高频高幅信号明显减小,分布范围变窄,试样三向持续压密,变形微小;卸荷段,高、低频信号增多,幅度增加,应变率较高,变形增加速度快,卸荷对试样内侧影响效应更显著;维持段Ⅱ,较慢速卸荷的高幅信号持续增多,内外侧以较低应变率持续产生变形。（3）卸荷速度越大,卸荷段振铃累计曲线出现“陡升”的幅度越高,维持段Ⅱ“陡升”出现越早,幅度越小。（4）卸荷速度增大,b值整体量值减小且越趋于小波幅平稳变化,相对声发射大事件占比提高,破裂尺度更大。     

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。     

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。     

Investigation and modeling on fatigue damage evolution of rock as a function of logarithmic cycle

The fatigue damage behavior of granite under constant and variable amplitude loadings is studied. The experimental analysis reveals that there is a three‐stage law for the fatigue damage evolution as a function of absolute or relative cycle and the inverted‐S damage model proposed by the author, in this case, is capable of representing the damage behavior of rock. However, when the logarithmic cycle is considered, there are only two stages, i.e. steady and accelerated stages and the fatigue damage evolution greatly depends on the properties of rock and stress level. Accordingly, the fatigue damage evolution curves have been categorized into three types. Then, the effect of maximum stress, amplitude and fatigue initial damage on the damage evolution of rock is investigated. The analysis reveals that the damage evolution greatly depends on these influencing factors. The fatigue life decreases with the increase in the maximum stress, amplitude and fatigue initial damage due to the decrease in the proportion of the first stage to the whole fatigue process and the increase in the damage rate in the first stage. Meanwhile, a linear‐exponential formula is used to model the fatigue damage behavior of rock subjected to cyclic loading. This damage model is superior to the inverted‐S damage model in the convenience of establishment of critical instability point. The physical meanings of its constants have been illuminated and the applicability of this model to constant and variable amplitude cyclic loading explored. The fitting results for the test data show that this damage model can properly represent the fatigue damage behavior of rock. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

盐岩压剪条件下的损伤特性研究

为了解盐岩在压剪受力状态下的损伤特性,设计了不同放置角度的盐岩压剪试验和声发射信号采集试验,研究了盐岩试件在不同剪切角度下的损伤力学特性和声发射信号特征。针对压剪受力状态,从一般力学模型入手,讨论建立了关于剪应力和正应变的剪切损伤模型。试验结果表明,随放置角度的增大,盐岩的力学特性由塑性为主要特征逐渐转为脆性为主要特征;试验中放置角度越大,盐岩试件峰值剪应力越小,试件整体承载能力也呈下降趋势,试件的变形能力减弱,抗变形能力则随放置角度增大而先增大后减小,45°时达到最大。声发射信号表明,盐岩由于其自身的结构和损伤破坏特征,盐岩在压剪受力状态下的声发射信号比较明显;试件的放置角度为55°、65°时,在屈服阶段AE计数波动相对越剧烈,试件破坏的也越快;试件的放置角度小于45°时,AE计数呈递增式增长,峰值一般出现峰值应力附近。     

A study of progressive failure of rock under cyclic loading by ultrasonic and AE monitoring techniques

Summary New experiments were conducted to expand the existing information on AE and pulse velocity changes. In this study, a few Hyderabad granites were subjected to uniaxial compressive cyclic loading conditions at room temperature. The laboratory tests were carried out by loading the rock to a constant stress maximum ranging between 40% and 80% of failure stress in the initial cycles, and then by progressively increasing the stress maximum, and also increasing the time gap between the cycles. Compressional wave velocity and amplitude changes were monitored in directions perpendicular to the applied stress, and acoustic emission event count data were recorded continuously until the fatigue failure of the rock.Rock specimens loaded cyclically to high stress levels, were in general found to fail after 10 to 12 cycles, at stresses corresponding to nearly 75% of the failure stress of intact rock. Deviations from the Kaiser effect were noticed when the stress maximum became comparable to the dilatant strength of the rock. The pulse amplitude and AE event counts were found to be sensitive parameters, to study the influence of cyclic stress, as well as the effect of the time gap between the cycles, on the microcrack development and progressive failure of rock.     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

Experimental evaluation of sandstone under cyclic coupled compression-shear loading: fatigue mechanical response and failure behavior

In this study, the inclined sandstone specimen is introduced into cyclic loading tests to fulfill the coupled compression-shear loading state. 21 cyclic coupled compression-shear loading tests are conducted on inclined specimens under different loading conditions, including maximum stress levels ranging in 0.80, 0.85, 0.90 and 0.95, and amplitude levels varying in 0.40, 0.50, 0.60 and 0.70. Our testing results systematically revealed the influence of cyclic loading parameters on fatigue mechanical response of rocks under coupled compression-shear loading, regarding the deformation characteristics, energy evolution, damage variable and failure mechanism. Under higher maximum stress or cyclic amplitude, inclined rocks are characterized by larger elastic modulus and higher dissipated energy, resulting in less irreversible strain, faster damage accumulation and shorter fatigue life. Furthermore, a fatigue life prediction method is proposed based on the energy dissipation, and its reliability is verified by comparing with experimental results. In addition, the progressive cracking behavior of rocks is analyzed during the fatigue tests by virtue of digital image correlation technique. Under cyclic coupled compression-shear loading, rock specimens are featured by a prominent shear-dominated failure along its short diagonal direction combined with local tensile damage along the loading orientation.

     

循环荷载下砂岩疲劳损伤过程的声学特性分析

利用电液伺服疲劳试验机系统研究了砂岩在单轴受压循环荷载作用下的疲劳损伤特性,配合智能型超声波检测设备及损伤在线实时监测系统,对砂岩试件在疲劳损伤过程中的声学参数（超声波速、时域波幅、波形）进行了实时的测量及详细地分析研究。结果表明,在循环加载过程中横向超声波速随损伤的发展变化比较敏感,呈现有规律的倒S型三阶段衰减现象,可以客观地描述砂岩的疲劳损伤特性及直观地反映疲劳损伤的各个阶段;超声波时域幅值在砂岩疲劳损伤过程中变化不稳定;波形在砂岩损伤过程中从有规则的纺锤形逐渐发生畸变,波形相关系数随循环次数的增长呈现整体下降趋势。研究成果进一步丰富了声学数据在疲劳损伤过程中的应用,从声学角度探讨了岩石疲劳损伤过程的微观机制,为进一步选择声学参数进行岩石疲劳损伤过程的跟踪识别提供试验依据。     

盐岩流变损伤特性及本构模型研究

借助盐岩单轴流变-声发射试验,分析了流变3个特征阶段与声发射事件数的对应关系,并基于Weibull分布构建了声发射事件数随加载时间的关系式,进而获得了损伤变量的演化关系式。对盐岩流变-声发射试验及流变-超声波试验数据拟合分析表明,该损伤变量表达式具有很好的适用性。进一步对损伤表达式中的参数进行了敏感性分析,揭示了形状参数、尺度参数对损伤值的影响规律。引入分数阶微积分理论及损伤理论,构建了基于损伤的Abel黏壶本构关系,通过替代西原模型中Newton黏壶的方法,求解获得了盐岩分数阶流变本构模型。由盐岩单轴流变试验曲线拟合分析可知,分数阶流变模型能很好地描述盐岩流变的3个特征阶段,尤其是加速流变阶段,且验证了西原模型为分数阶流变模型的一种特殊形式。