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。     

循环荷载下干燥与饱和砂岩力学特性及能量演化

对取自陕北榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥及饱和试件进行单轴循环加、卸载试验,分析了干燥与饱和状态下岩石的强度和变形特征以及岩石破坏过程中的能量演化与能量分配情况。结果表明:(1)循环加、卸载导致干燥试件的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%;(2)饱水对砂岩的强度和变形均有影响,饱和试件的平均峰值强度比干燥试件低39.55%,同时饱和试件具有更加明显的压密阶段;(3)循环加、卸载下砂岩的加载和卸载弹性模量均呈现增大趋势,但饱和试件的弹性模量低于干燥试件;(4)通过峰值强度归一化处理后发现,在应力加载的不同阶段,饱和试件的弹性应变能Ue和耗散能Ud均低于干燥试件;(5)加载过程中,饱和试件弹性应变能Ue的占比高于干燥试件,该比例随着加载过程逐渐下降并在破坏前与干燥试件的Ue的占比达到近似水平。     

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。     

含水砂岩在破坏过程中的频谱特性分析

通过对含水砂岩进行单轴加载声发射试验,获取声发射信号。对整个加载过程声发射信号进行FFT变换,发现随着加载地进行,声发射信号的峰值频率由60 kHz下降到40 kHz,平均主频比自然状态下的砂岩平均主频降低了1 kHz;通过分析能量和岩石声发射事件数之间的关系,发现能量与对应声发射事件数之间的比值越大,说明能量是由较大的破裂导致的,而能量值与对应声发射事件数之间的比值越小（数量级在104以下）,说明能量是由多个小破裂同时产生积聚而成的;用Welch法做功率谱估计,发现得到的声发射信号其功率谱大致分为A、B两种,B类功率谱对应信号的相位突变性强。选取一些较大能量信号,计算这些信号出现之前的B类型功率谱出现的几率,发现越接近破裂出现B类型功率谱的几率越大。研究结果为分析岩石破裂全过程的声发射特性提供了一条新的思路,也为声发射应用于岩石破裂失稳预报奠定了一定的工作基础。     

利用岩石声发射凯塞效应测定岩体地应力

将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征可划分为加载初期、压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、砂岩破坏阶段5部分。利用岩样声发射信号的特征,确定出岩石的凯塞效应点与其裂纹稳定扩展阶段的起始点相对应,并进一步得出岩石凯塞效应点的上限为裂纹稳定扩展阶段的终点,裂纹非稳定扩展阶段的起始点。凯塞效应点受岩样两端面的平行度、压机加载速率等有关,岩样端面不平整,在加载初期会有强烈的声发射信号;压机加载速率过大,声发射信号可能显示不出来或被后续更强的声发射信号所掩盖。计算出深度为670m处巷道周围天然应力3个主应力的大小和方向,与在现场用应力解除法和水压致裂法测得的天然应力相比,其数值基本一致,但方向存在一定的偏差。     

声发射测量地应力方法中Kaiser点确定方法的优选与分析

准确确定Kaiser点是研究声发射测量地应力的关键.通过对模拟岩心的水泥块进行单轴受压破坏过程的声发射试验,得到了试件在试验过程中的应力-应变曲线、应力、声发射强度、声发射累积数与时间的关系图.分别对试样用突变点法、最大曲率法、双切线法、重加载法（抹录不尽现象、两次加载相减法）、多方面综合判定法以及声发射强度信号的统计分析法进行了分析.从不同的方面认识了试样的Kaiser点的特性,总结并分析了确定Kaiser点的方法以及各自的适应性,并进行了优选.研究表明,试验确定了试样的物理特性,各种方法都能从不同角度和机理上解释Kaiser点现象,综合判定法能相对更加全面、准确地确定Kaiser点.     

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。     

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。     

盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明：（1）盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段（即第2阶段）疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。（2）减速变形阶段（即第1阶段）疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。（3）速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。（4）整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。     

Bonded-particle model-based simulation of artificial rock subjected to cyclic loading

A nonlinear parallel-bonded stress corrosion (NPSC) model is proposed to simulate the fatigue characteristics of artificial rock (concrete) during cyclic loading. Numerical simulations of fatigue tests replicate the main mechanical features of concrete specimens subjected to cyclic loading observed in the laboratory. A nonlinear reduction speed of the bond diameter between two bonded particles represents the damage rate induced by the fatigue load. The damage rate is proportional to the maximum cyclic load level when the minimum cyclic load level is fixed. Compared with laboratory data, a logarithmic function of bond diameter in the NPSC model resulted in the best fit to simulate the fatigue behaviour of concrete. The simulation includes acoustic emission (AE) monitoring during fatigue tests. The axial strain of the assembly is governed by the evolution of bond breakages. The sum of released bond strain energy is documented as value proportional to cumulative AE energy. The simulation results show very similar evolution compared with laboratory data, which verifies the effectiveness of AE energy simulation.

     

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.

     

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。     

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。     

含卸压孔硬岩应力松弛特性试验研究

针对非完整硬岩应力松弛特性研究的不足,开展了含卸压孔的具有岩爆倾向性的辉长岩试样峰前加载、松弛和再加载、再松弛模式的应力松弛试验,得出了其峰前应力松弛特性、松弛模型和超声波变化规律,揭示了应力松弛过程的卸压孔作用机制。结果表明：含卸压孔硬岩应力松弛过程经历了迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段;随峰前加载载荷增加,其应力松弛度总体上呈现增加,能量耗散量增加,用于硬岩损伤破裂演化的能量比例增加;通过波速、波幅和波形变化对比分析可以反映含卸压孔硬岩应力松弛过程的变形损伤破裂演化进程;Burgers模型能较好地反映含卸压孔硬岩的应力松弛特性。经与完整辉长岩试样应力松弛试验对比分析,表明同等情况下含卸压孔硬岩的应力松弛度更大,松弛过程能量耗散量更多,耗散速度也更快。该研究结果对硬岩、含卸压孔硬岩长期稳定性分析、预测及岩爆解危具有很好的指导和借鉴意义。     

循环荷载作用下软土的孔压模式和强度特征

通过循环三轴剪切试验,研究原状软土的变形和孔压发展规律。建议了一个循环荷载作用下孔隙水压力的发展模式。研究了不排水循环荷载作用下软土的动强度以及作用后饱和软土静强度的衰减特征,讨论了周围固结压力和荷载作用频率对动强度的影响。研究表明,在某一轴向应变条件下,循环次数随循环剪应力比的增加而迅速减小;随循环剪切应力比的增大,饱和软土的静强度有一定衰减。     

隐晶质玄武岩破裂演化及破坏特征试验研究

隐晶质玄武岩是白鹤滩水电站超大规模地下厂房洞室群中广泛揭露出的主要围岩类别之一,且普遍赋存隐微裂隙,开挖过程中展现出特殊的力学响应特征。综合采用CT扫描、高速摄像、声发射、扫描电镜等手段,分析了隐晶质玄武岩的变形破坏特征、裂纹扩展及声发射演化规律等,并探讨了其细观破坏机制。结果表明:完整试样应力-应变曲线光滑,加载至峰值强度时瞬间爆裂,声发射信号异常集中,碎裂破坏;含隐微裂隙试样应力-应变曲线呈锯齿状,出现多次表面剥落,整个过程声发射信号非常活跃,以劈裂破坏为主;含宏观裂隙试样应力-应变曲线呈双峰或多峰状,峰前原生裂隙局部滑移,第1次峰值时宏观破裂面形成,声发射信号集中于峰值应力跌落瞬间,以剪切破坏为主。隐晶质玄武岩细观破坏机制主要为矿物颗粒沿晶断裂和穿晶断裂。研究成果为准确认识并科学掌握白鹤滩地下厂房洞室群围岩的力学响应及其破裂演化特征奠定了坚实基础,也可为硬脆岩体高应力破坏的认识和灾害控制提供参考和借鉴。     

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。     

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。