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。     

单轴压缩条件下闪长岩的声发射特征

外荷作用下的岩石变形破坏过程可以用岩石声发射特征来反映。本文以闪长岩为研究对象,将岩芯沿与岩芯轴线夹角分别为0°、45°、90°方向加工成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱状试样,进行了试样的单轴压缩试验和声发射试验,将声发射特征参数(包括振铃计数、事件数、能量)用瞬时参数与累计参数来表征,分析了岩石变形破坏过程中声发射特征参数的变化情况,研究了传感器位置对声发射参数的影响,提出了Kaiser点的确定方法。结果表明,根据振铃计数与声发射事件数,声发射过程可分成声发射活跃期和声发射平静期;声发射活跃期共有三次,每次持续时间均短暂且均伴随着裂隙的产生与扩展,声发射平静期共有两次、分别发生于新生裂隙出现之后和岩石完全破坏之前;能量在岩石完全破坏前一段时间内释放较少,在岩石破坏时释放很多;传感器位于试样上部和下部时声发射特征参数整体变化趋势一致,但位于下部时声发射参数变化更具有明显的三次声发射活跃期和两次声发射平静期; Kaiser点可以结合声发射特征瞬时与累计参数准确确定。研究成果对分析岩石的变形破坏机理具有一定的参考价值。 更多还原     

单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究

通过开展灰岩巴西劈裂和单轴压缩声发射试验,探讨两种加载方式下岩石破裂声发射b值特性及b值计算影响因素。结果表明,累积计算b值拟合度高,误差较小;步距为5 dB时不同门槛值下b值随时间变化的总体规律基本一致,选择5 dB的步距和40 dB的门槛值计算b值比较合理,能够降低非岩石破裂信号对b值变化的影响。由动态b值的波动程度可以看出,在劈裂荷载下灰岩损伤演化过程可分为3个阶段,即(0～40%)?c(?c为峰值强度)、(40%～90%)?c和(90%～100%)?c,而在单轴加载下可分为：(0～80%)?c和(80%～100%)?c两个阶段,且不同阶段岩石内部损伤的程度不同。在裂纹扩展阶段,相比单轴加载,劈裂荷载下动态b值增加较为稳定,但在整个破坏过程中劈裂荷载下动态b值波动更大,在单轴压缩和劈裂加载方式下b值的大小取决于灰岩破裂面上的结构性质及破裂模式。     

石灰岩声发射特性的试验研究

采用SYB-4声发射仪和岩石声发射参数动态测试系统,对广西高峰石灰岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验,研究了石灰岩在单轴加载过程中声发射活动随时间和岩样应力、变形等变化的内在规律,在此基础上分析了石灰岩的破坏机理。试验研究表明:除加载初期外,石灰岩声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中微裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与体积变化的主要原因。因此,采用声发射技术可对矿山采场矿岩体变形稳定性进行监测和评价。     

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。      

单轴压缩下高温后砂岩的声发射特征

通过在单轴压缩下实施的声发射测试,研究焦作砂岩受20～1 200 ℃温度作用后的声发射演变过程;结合不同温度下砂岩的力学性质,通过声发射参数分析研究砂岩在不同受力阶段的声发射特点。研究表明：400 ℃以内温度对砂岩的声发射影响不太明显,在100 ℃后和600 ℃后声发射振铃累计数均发生急剧变化,100 ℃是砂岩裂纹扩展发育的门槛值,600 ℃后砂岩内部结构成分发生了变化,声发射现象较为明显。600～1 200 ℃时,砂岩呈现出明显的脆塑性转变现象,高温导致声发射信号的时间有所推迟,声发射信号增长率不断上升。1 200 ℃后,砂岩释放密集的声发射信号,呈现出塑性破坏特征。     

基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性

为了研究在单轴压缩下不同强度煤样的声发射特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行实验研究。为了解决煤样在声发射实验中存在的各种信号干扰和信号处理方面的问题,运用小波包变换对煤样的声发射信号进行了分解、去噪和重构。研究结果表明：经过处理之后的声发射信号能够更清晰地反映硬煤、中硬煤和软煤煤样在单轴压缩下失稳破坏的变化特征。软煤、中硬煤和硬煤的声发射信号特征各不相同,随着煤样强度的增加,煤样失稳破坏时声发射累计能量和累计计数逐渐减小,煤样在受力过程中声发射能量和计数的峰值也逐渐减小,并且在峰值处释放的能量也逐渐减小。     

砂岩单轴压缩试验P波速度层析成像及声发射特性研究

深部矿井开采极易诱发矿柱型岩爆,矿柱型岩爆严重威胁着矿山的安全高效开采,为探究矿柱型岩爆破坏机制和前兆信息,选用自贡红砂岩进行单轴压缩试验,并采用主动超声和被动声发射对破裂过程进行监测,联合主动超声与被动声发射监测数据对波速进行层析成像反演,分析试样破裂过程中波速演化规律。研究结果表明：砂岩试样在加载过程中速度模型呈现高度非均质性,在加载过程中会出现低速区,且声发射事件集中出现在低速区内部;P波速度离散度可反映全局波速变化特征,在峰值附近变化剧烈,随荷载增加P波速度离散度持续增大;声发射事件在峰前、峰后定位结果相差较大,峰前阶段声发射事件随机分布,峰后阶段声发射事件定位结果集中。此外,研究发现选用均质速度模型进行声发射事件定位会增大定位误差,试样最终失稳前b值的降低表明试样大尺度裂纹活动加剧,导致岩石非均质性增大,也间接证明了采用非均质速度模型进行声发射震源定位的必要性。该研究结果可用于现场矿柱稳定性监测,定期反演获得矿柱波速变化为矿柱型岩爆提供先兆预警信息。     

脆性岩石单轴压缩变形强度的试验

主要讨论在单轴压缩条件下脆性岩石破坏的全过程,分析与破裂机制有关的问题及试验中主要影响因素,使试验结果为工程评价提供准确、可靠的保证。     

单轴压缩下不同强度组合复合岩体相似材料试件力学特性研究

为了研究接触带复合岩体变形破坏特征,以水泥、砂和石膏为相似材料,制作由两种不同强度材料构成的复合试件,通过单轴压缩试验,分析相似材料强度比及较高强度材料体积占比对复合试件力学特性的影响。研究结果表明,(1)相似材料强度比越大对复合试件整体强度的影响越大,较高强度材料体积占比的变化对复合试件整体强度的影响较为显著;(2)相似材料强度比为1.74时破裂面从复合试件一端穿过相似材料接触面,相似材料强度比值为2.49时破裂面由接触面向复合试件两端延伸,相似材料强度比为4.33时复合试件逐渐由两端破坏转为较低强度材料端破坏;(3)声发射计数的变化与复合试件破坏位置与形态呈对应关系,随着相似材料强度比的增加,较高强度材料端声发射计数逐渐减小,较低强度材料端声发射计数逐渐增加。研究结果可为接触带复合岩体力学特性分析提供参考。     

单轴压缩下软岩的动态力学特性试验研究

对软岩(砂浆模拟材料)进行了应变速率范围为10-5~101s-1的动单轴压缩实验。实验结果表明,试样的抗压强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势,增加幅度大于硬岩;试样的弹性模量以及泊松比随着应变速率的增加均有增加的趋势,但幅度小于强度的增加幅度。并根据不同应变速率下试样破裂面的SEM实验结果,初步地分析了软岩动态力学特性机理。     

岩体的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下,讨论了4种岩石的声发射特征;在静态胀裂剂作用下,讨论了岩体的声发射特征。研究表明,在低应力阶段,岩石几乎没有声发射活动,一般当强度达到80 %以上,即临近破坏时,声发射活动才显著增加;岩体破坏的声发射过程分为4个阶段,即初始区(Ⅰ)、剧烈区(Ⅱ)、下降区(Ⅲ)和沉寂区(Ⅳ);有的岩石的凯瑟效应不明显;岩石的声发射主频与岩石的强度有关,强度越高,主频也越高;随着应力的增加,岩石的声发射主频不会平移;应用1 kHz的探头,能满足工程岩体的稳定性分析和冒落预报的要求。     

冻结土石混合体在单轴压缩下的变形和声发射特征研究

冻结土石混合体具有明显的各向异性和结构效应,相比于冻土,其物理力学行为更加复杂。为了研究冻结土石混合体受压条件下的破坏过程和声发射特征,本文对含石量分别为30%、40%、50%的人工冻结土石混合体试样和不同含水量青藏公路冻结路基砂土石混填物试样进行单轴压缩下的声发射试验。结果表明：（1）与常温土石混合体相比,冻结土石混合体试样受冰晶和冻土的蠕变作用,在单轴压缩过程中表现出轴向应力峰后裂纹发育的变形模式。（2）受冰晶体破裂的影响,冻结土石混合体在加载初始压密阶段就出现一定数量的声发射事件,轴向应力峰后阶段也存在明显的声发射活动,呈现声发射活动的多峰特征。含石量越大,峰后声发射活动越强,且基质土为黏质粉土的土石混合体峰后声发射活动要强于基质土为砂土的冻结土石混合体。（3）冻结黏质粉土的蠕变性质和含石量的大小共同影响试样内部的变形特征。冻结土含量越高,土体越易裹挟块石做整体运动,不利于裂隙的发育,试样多见鼓胀变形,声发射活动较少;当含石量较大时,土石界面数量多,土体与块石差异运动明显,试样以裂隙扩展为主,声发射事件增多,整体变形不明显。     

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。     

矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了单轴循环加卸载作用下矽卡岩强度变化及声发射特征。在矽卡岩循环加卸载过程中,若加载过程中岩样没有明显局部破坏,则随着循环次数的增加,弹性模量逐渐增大,岩样强度略有提高;若加载过程中岩样内部已经出现明显的局部破坏,产生了不可恢复的宏观裂纹,则循环加卸载会促进宏观裂纹层面间的滑移,从而加速岩样失稳破坏。矽卡岩在单轴压缩作用下声发射曲线大体可分为压密、弹性、塑性、峰后屈服4个阶段,并伴随有不同的声发射情况。此外,矽卡岩在循环加卸载作用下具有反凯塞效应,并且随着加卸载循环次数的增加,费拉西蒂比逐渐变小;岩样卸载阶段仍然有大量声发射产生。     

单轴压缩下多裂隙类岩石材料强度试验与数值分析

采用伺服控制单轴加载系统对预制多裂隙水泥砂浆试件进行加载试验,探索裂隙角度和分布密度对多裂隙类岩石材料断裂破坏强度的影响规律。对试验数据整理分析,应用FLAC3D建立应变软化模型,进行数值模拟。试验数据和数值分析结果表明,裂隙分布密度相同时,裂隙倾角对试件断裂破坏强度的影响比较显著,25°附近取得最小值;裂隙角度相同时,裂隙分布密度对试件断裂破坏强度的影响与裂隙倾角有关,角度较小时,影响比较显著,随着角度的增大,影响越来越弱。试验所得结论,对于预测地下工程中多裂隙情况下围岩强度变化规律提供了依据。     

点荷载强度指数估算与岩浆岩的单轴压缩强度的关系

单轴压缩强度是岩石工程建设中广泛使用的力学参数,直接确定单轴压缩强度相对耗时且较为麻烦。点荷载试验可以间接估算岩石的单轴压缩强度（UCS）,试验方式简洁。通过收集到的岩浆岩点荷载试验成果,分析结果表明,（1）大部分转换公式在点荷载强度指数较大时得到偏高的单轴压缩强度值,特别是对部分幂函数;（2）ISRM（American Society for Testing and Materials）建议的取值范围仍然高估了岩石的单轴压缩强度值。为更准确地估算岩石的单轴压缩强度,建议采用点荷载强度指数 的二次函数（见式（1））估算岩石的单轴压缩强度,适用范围为0.0 MPa < <15.0 MPa。     

单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究

通过开展饱水花岗岩单轴压缩声发射试验,采用快速傅里叶变换提取声发射信号主频及次主频,进一步提出了综合表征声发射信号频谱特征的参数:主频比F ,即主频与次主频的比值,研究岩石破裂过程声发射频谱特征。研究结果表明:饱水花岗岩破裂过程声发射主频、次主频频带数量呈现“3→6→3”先增大后减小的规律,与主频分布特征相比,次主频低频区间占比减小,中、高频区间占比增大,次主频总体平均值比主频高约5 kHz。声发射主频比尸分布区间在弹性阶段达到最大:0 < F < 8 ,且F≠1,根据主频比与1 的关系,可将声发射信号划分为2 类:A 类信号(0 < F < 1 ),其主频小于次主频;B 类信号(1 < F < 8 ),其主频大于次主频。总体来看,饱水花岗岩破裂过程声发射A 类与B 类信号的数量关系约为3:2, A 类信号数量相对较多,特别是塑性阶段A 类信号占绝对优势,其数量为B 类信号的3.0?3.5倍。饱水花岗岩破裂过程声发射A 、B类信号事件率近似同步变化,二者均出现明显的平静期前兆特征,在实际应用时,可以对岩石破裂过程数量庞大且计算繁琐的声发射信号进行甄别,选择A、B 两类信号中的一种,进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别。     

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。