不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征研究

岩石尺寸是影响其力学行为的重要因素,而岩爆是岩石处于复杂应力状态下的特殊力学响应,因此研究岩爆过程中的尺寸效应影响问题具有重要意义。利用室内MTTA真三轴岩爆模拟试验系统和PAC声发射(AE)监测系统,对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验,观察岩石试件破坏特征,分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征。研究结果表明,随着岩石试件高度的降低,岩爆临界破坏强度有升高的趋势。岩石岩爆破坏后破裂面特征随着试件高度的降低而发生明显变化,经历了由劈裂张拉破坏为主向剪切破坏为主破坏模式的转变。同时,试验中表征损伤的声发射能率参数随着试件高度的降低有增大的趋势,即释能速度越来越快。对实验各典型阶段产生的AE特征波形进行提取并采用快速傅里叶变换方法处理,对比频谱图发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势,不同高度岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布,主频主要集中在90～120k Hz低频区间范围,是该花岗岩岩爆中的最重要特征频率,频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同。     

不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征研究

岩石尺寸是影响其力学行为的重要因素,而岩爆是岩石处于复杂应力状态下的特殊力学响应,因此研究岩爆过程中的尺寸效应影响问题具有重要意义。利用室内MTTA真三轴岩爆模拟试验系统和PAC声发射(AE)监测系统,对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验,观察岩石试件破坏特征,分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征。研究结果表明,随着岩石试件高度的降低,岩爆临界破坏强度有升高的趋势。岩石岩爆破坏后破裂面特征随着试件高度的降低而发生明显变化,经历了由劈裂张拉破坏为主向剪切破坏为主破坏模式的转变。同时,试验中表征损伤的声发射能率参数随着试件高度的降低有增大的趋势,即释能速度越来越快。对实验各典型阶段产生的AE特征波形进行提取并采用快速傅里叶变换方法处理,对比频谱图发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势,不同高度岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布,主频主要集中在90～120k Hz低频区间范围,是该花岗岩岩爆中的最重要特征频率,频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同。     

中低应变率加载条件下花岗岩尺寸效应的能量特征研究

能量相互转化过程的综合作用导致了岩石破坏,而其破坏的根本原因是岩石中储存的应变能的释放。对中低应变率加载条件下岩石尺寸效应能量特征的研究结果表明：花岗岩破坏时吸收的总能量U、弹性应变能Ue以及损伤应变能Ud均随试件尺寸的增长而降低;岩石强度与岩石中储存的能量有关,尤其与弹性储能有关,即弹性应变能愈高,岩石强度越大;试件长度由50 mm 变为125 mm时,弹性储能逐渐降低,岩石破坏形态从劈裂破坏变为剪切破坏,大尺寸时局部化变形明显。能量是不同应变率加载条件下岩石破坏细微观及宏观特征存在差异的内在动力;亦是导致岩石强度存在尺寸效应的本质动因。     

蚀变花岗片麻岩破坏过程中声发射事件的演化规律

通过单轴压缩条件下的声发射试验,分析了蚀变花岗片麻岩破坏过程中声发射事件的演化规律,研究发现:对于多数试件,高能级声发射事件的首次出现可作为岩石处于高应力水平的标志,中能级声发射事件在试件空间内形成贯通分布可作为岩石应力水平进一步上升的标志,最后贯通区出现高能级声发射事件可作为岩石破坏的前兆现象;发生脆性破坏的试件,不会出现中能级声发射事件在试件空间内形成贯通分布的现象;对于含弱区的试件,首个高能级声发射事件会出现于低应力水平,此时岩石内声发射事件呈条带状密集分布于高能级声发射事件周围,其他区域的声发射事件少、能级低。以上研究为利用声发射信息识别岩石应力水平及评价岩石稳定性提供了试验依据。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探

裂隙岩体力学参数的尺寸效应和各向异性是岩石力学与工程领域亟待解决的难点问题。充分利用3D砂型打印技术快速成型、可批量制备复杂内部结构岩体模型的优势,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,制备不同尺寸和旋转角的裂隙网络类岩石试件。通过单轴压缩试验研究裂隙网络岩体力学特性的尺寸效应,揭示裂隙密度与强度之间的相关性,分析表征单元体尺度岩体力学特性的各向异性。结果表明：3D砂型打印试件的力学性能与真实岩体相似,应力-应变曲线可划分为初始压密、弹性变形、裂纹萌生与扩展和峰后破坏4个阶段。试件抗压强度与试件边长之间呈指数衰减关系,存在显著尺寸效应性质。裂隙密度与抗压强度之间呈显著的负指数关系,基于裂隙密度与抗压强度确定的岩体表征单元体尺度具有良好的一致性。裂隙岩体的破坏模式和抗压强度具有显著的各向异性特征。研究方法从3D打印角度为复杂裂隙岩体尺寸效应及各向异性的室内试验研究提供了可靠途径。     

基于无网格法的含缺陷岩石变形局部化数值模拟研究

利用自主开发的基于无网格法的岩石力学计算分析程序,采用Mohr-Coulomb破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含一个缺陷的岩石试样的变形特性,探讨含缺陷材料的岩石变形局部化的演化规律。计算结果表明,岩石试件的破坏是一个渐进破坏的过程;加载过程中试件中的缺陷弱粒子首先出现粒子破坏并产生声发射,随加载进行试件产生微裂隙并扩张形成一个变形局部化带,局部化带扩张、发展,最终形成一个明显的剪切破坏带,缺陷粒子对试件的破坏起到了控制作用。岩石的声发射记录了岩石材料的塑性破坏过程,岩石试件的剪切破坏带与塑性区的发展具有非常类似的规律,但塑性区面积要大于剪切破坏带,从所处位置来看剪切破坏带位于塑性区之内,通过研究声发射特征信息发现变形局部化发生在应力-加载步（应变）达到峰值强度前。     

北山花岗岩热破裂室内模拟试验研究

岩石热破裂是高放废物地质处置工程中需深入研究的课题。对我国高放废物重点预选场址甘肃北山的花岗岩开展室内热破裂模拟试验研究,采用多通道温度测试仪、声发射、波速层析成像和数码显微镜等手段研究了该花岗岩热破裂过程。试验表明,（1）热破裂从试件端部开始产生,逐步向内缓慢扩展,表现出分段性和独立性;（2）根据声发射撞击率可将热破裂可分为稳定热损伤、宏观裂纹形成、宏观裂纹扩展、裂纹冷却闭合4个阶段,声发射定位的时空演化规律清楚地揭示了裂纹从试件上端部向内部扩展的规律;（3）波速层析成像指示了宏观裂纹位置及高温对岩石造成显著损伤的区域,热应力产生的损伤集中在试件边界,范围小,损伤严重,高温造成的损伤集中在钻孔附近高温区,范围较大,损伤略轻微;（4）监测多通道温度,获得了试件内的温度场并为数值模拟参数选取提供验证,采用有限元程序进行了热力耦合数值模拟,从机制上初步解释了热破裂现象,研究认为综合声发射实时监测热破裂过程和波速层析成像能实现对热损伤的量化的特性可实现岩石热破裂的动态监测和损伤量化,为今后地下实验室相关试验的开展和认识高放废物处置长期稳定性做了有意义的探索。     

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。     

岩石在动载作用下的破坏与强度

研究岩石的动载性能,在凿岩爆破上有重要意义。分段式霍布金生杆已应用于研究岩石对波动载荷的效应。作者使用改型的霍布金生杆法对岩石试件在动载下的破坏强度作了试验研究。冲击试验台配合微处理机作高速数据显示与处理,借助应力波在弹性杆中的一维理论对数据进行解释。测定了多种岩石静载与动载的强度,并对岩石试件尺寸及加载速率的影响也作了试验。     

数据库技术在井间声波探测工程中的应用

针对目前数据库与工程软件相互分离的现状，探讨了如何在工程实践中创建数据库，实现数据库和工程设计应用软件的有机结合，并对快速高效开发相应的管理应用软件方面提出了一点看法。同时以新桥硫铁矿为例，详细介绍了井间声波层析成像数据库，以及数据库管理系统应用软件的开发逻辑和研制过程。     

碳酸盐岩的声波特性研究及其应用

基于岩溶地区碳酸盐岩试样室内声波测试分析发现: ( 1)泥质灰岩和角砾状灰岩的波速比普通灰岩、灰质白云岩比一般白云岩和角砾白云岩的高。( 2)灰岩的声波、密度略大于白云岩的声波、密度,灰岩的动弹性模量、剪切模量和体积模量也比白云岩大。( 3)溶蚀程度和微小结构面对碳酸盐岩中波的传播速度影响较大,灰岩波速随风化程度的提高而降低。( 4)纵、横波速与岩石的密度具有线性关系,利用密度、波速、纵横波速比或泊松比可初步判断碳酸盐岩在岩性上的差别。( 5)声波测试和单轴抗压强度试验求得的岩石的弹性模量具有一定的相关性,利用声波测试结果可以推求实际工程中计算、设计所需的力学参数。      

古建筑风化石质构件力学参数的确定方法

针对目前常规确定岩石力学参数的方法只能得出岩块的整体强度,不能反映古建筑石质构件风化层内力学参数逐渐变化,无法很好地满足石质古建筑稳定性、耐久性研究的不足,提出了综合运用现场穿透波CT测试、表面回弹测试和室内试验确定风化石质构件力学参数的方法。方法的实施主要包括：通过现场穿透波CT测试,获得纵波波速在石质构件深度剖面上的分布;现场选取与欲研究的石质构件类似的岩石做室内力学试验和波速测试,得出力学参数与波速的统计关系;上述两者结合得出力学参数在石质构件深度剖面上的分布,在此基础上分析风化层内力学参数随深度的变化关系;对不同风化分区代表性石构件进行风化深度研究和表面回弹测试,得出构件表面强度比与风化深度的关系。以义乌宋代古月桥为例,对其方法进行了系统的介绍,并对古月桥承载条石风化层内力学参数随深度的变化关系以及表面强度与风化深度的关系进行了研究。研究表明：义乌宋代古月桥承载条石风化层内的抗压强度比、弹性模量比随深度呈负指数关系变化;表面强度比与风化深度呈2次多项式关系。     

石质构件风化层内力学性能变化规律研究

石质构件风化层内力学参数随深度变化的规律是石质古建筑稳定性、耐久性和保护方案研究中重要的内容。本文针对古建筑石质构件风化层不便取样,风化岩样加工易破坏和室内试验只能得出试件整体的力学参数,不能反映风化层内力学参数由表及里逐渐变化的不足,综合运用现场声波测试和室内试验对义乌宋代古月桥(建于1213年)风化条石的抗压强度、弹性模量与深度的关系进行了研究。研究表明,风化层内岩石弹性模量、抗压强度与未风化区域的比值随深度呈较好的负指数关系。     

叶巴滩水电站深部破裂岩体波速特征

揭示深部破裂岩体波速特征及深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及弹性模量的影响,以叶巴滩水电站岸坡深部破裂为典型实例,开展深部破裂现象精细测绘与声波测试。研究表明:根据宏观地质特征与波速,可将深部破裂划分为轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型;轻微松弛型深部破裂岩体纵波波速大于4 200m/s,中等松弛型深部破裂岩体纵波波速3 000~4 500m/s,强烈松弛型深部破裂岩体纵波波速小于3 000m/s;轻微松弛型深部破裂对岩体卸荷程度、损伤程度、强度弱化影响较小,中等松弛型深部破裂次之,强烈松弛型深部破裂影响最为显著;轻微松弛型深部破裂岩体较完整,中等松弛型深部破裂岩体完整性差-较破碎;强烈松弛型深部破裂岩体已处于较破碎-破碎状态。     

锚杆锚固质量无损检测的研究

本文介绍了一种无损检测锚杆锚固质量的新技术。通过模型试验,分析了声频应力波在锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律,探讨了测定锚固力的无损拉拔试验,并将结果成功应用于潘一矿巷道锚杆锚固工程的施工质量检测。     

坝基岩体单孔声波对比测试异常问题分析

声波测井技术在岩土工程领域的运用已经有较长的时间,它在岩体质量验收、灌浆质量检测、爆破控制校验等方面具有独特的优势,因此成为工程技术人员颇为青睐的勘探手段。但是由于测试人员对声波测井技术原理不清楚以及测试流程不规范等原因,导致声波测试过程中出现与常理相悖的测试数据异常问题。这些问题的存在,对获取岩体质量信息造成了一定的干扰,同时也给声波测试资料的可靠性带来质疑。本文结合具体工程中的实测声波资料,针对常规岩体单孔声波对比试验获得的波速曲线中存在的整体性异位或升降等异常现象,通过对比不同试验阶段的声波测试曲线,阐述单孔声波对比测试曲线异常的具体表现及典型特征,分析产生测试异常的主要原因,并提出相应的解决方案或措施。研究结果表明:声波对比测试异常实质上是试验操作不够规范的问题,其中对比声波曲线的整体性异位主要是由采样偏差造成,属于线性系统误差,可以通过增加对比单元长度、提高岩体重合率等措施进行补救处理; 而声波曲线的整体性不均匀升降则与耦合流体的纯度有关,属非线性系统误差,难以进行补救校正,因此规范测试流程是避免出现该类异常的唯一途径。本成果为运用声波测井技术解决相关问题时避免或消除声波对比测试异常提供了参考和借鉴,具有重要的工程指导意义。     

声波CT在基桩检测及桩基勘测中的应用

从实践的角度介绍声波层析成像的原理、数据采集与处理方法。为保证反演精度,提高原始数据质量,特别强调慎重选择震源、记录仪器、传感器,以及合理选择采集参数与成像参数,并通过实例介绍声波CT在基桩检测及桩基础勘测中的应用。     

水电工程坝基玄武岩体波速与变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一.由于受到资金、时间、尺寸效应等限制, 在工程勘察设计阶段往往不可能大量开展岩体现场和室内变形模量试验, 试验结果也不具有普遍代表性.因此, 水电工程常常采用岩体纵波波速与变形模量之间的相关关系来估算大范围及深部岩体变形模量.根据波动微分方程从理论上解释了岩体纵波波速与变形模量之间内在的联系.以我国西南金沙江干流上坝基主要为玄武岩体的4个大型水电工程为例, 根据132组现场变形模量试验结果与同向波速测试结果建立玄武岩体波速与变形模量相关方程, 并与也有的研究成果对比分析.研究成果表明, 玄武岩体波速与变形模量具有较好的相关性.当波速小于4 500 m/s时, 不同类型玄武岩根据波速计算变形模量差别较小; 当波速大于4 500 m/s时, 差别逐渐增加.选取最优的相关方程用于估算坝基玄武岩体变形模量, 为水电工程坝基玄武岩体变形模量的快捷评价提供科学依据.      

清江水布垭马崖高边坡岩体力学性质试验研究

采用岩体声波测试、岩体力学试验及岩体质量评价等手段,研究了马崖高边坡岩体力学性质,并进行了岩体力学参数取值。研究成果表明,卸荷作用对坚硬岩类影响较大、对软岩类影响较小。