实验室声发射三维定位及标本波速场各向导异性研究

根据慢度离差法的基本原理,给出由遗传算法确定ＡＥ空间位置、发生时刻及慢度离差５个的具体方法。结合实验条件,通过数值试验对定位误差等问题进行探讨,并对真实ＡＥ定位的误差分布给出统计上的圈定。数值试验结果表明,算法具有较高的精度和较好的收敛性及稳健性;探讨数量及布设方式对定位结果的优劣有影响,４个以上探头有记录时,即可得到理想的结果;大的定位误差主要来源于台陈外部少数“ＡＥ”的结果。到时测量的随机误差     

实验室声发射三维定位及标本波速场各向异性研究

根据慢度离差法的基本原理,给出由遗传算法确定AE空间位置、发生时刻及慢度离差5个参量的具体方法。结合实验条件,通过数值试验对定位误差等问题进行探讨,并对真实AE定位的误差分布给出统计上的圈定。数值试验结果表明,算法具有较高的精度和较好的收敛性及稳健性;探头数量及布设方式对定位结果的优劣有影响, 4个以上探头有记录时,即可得到理想的结果;大的定位误差主要来源于台阵外部少数“ AE”的结果。到时测量的随机误差小于最小测量时间单位的50%时,平均有97%的“AE”定位误差分布在3 mm 范围内,小于物理不可分辨精度(探头直径)。     

不连续岩石试件加载变形与破坏前后声发射波形的线性度分析

对单节理岩石试件加载变形破坏过程中的声发射波形数据使用时间线性度和空间线性度的算法进行了处理分析，研究了所得时间线性度（ｒ）和空间线性度（ａ）作为地震前兆指标的可能性。所得结果表明：时间线性度（ｒ）在不同节理角的岩石试件破坏前和破坏后，都呈现下降；而空间线性度（ａ）也表现为下降，且下降幅度更大一些。在不同节理角岩石变形过程的声发射事件中，最大声发射事件（破坏瞬间）发生之前ｒ和ａ都呈现下降的异常变化     

影响岩石声发射的几个因素

以岩石的损伤本构关系为基础，分析声发射与岩石－试验机共同作用系统稳定性的关系，重点从微观上讨论了试验机刚度和岩石均质变的影响，并从岩石破裂失稳角度分析了围压降低所引起的声发射活动性强现象，最后考虑载荷历史的影响，得到了和主震－余震相对应的声发射模式。     

SF-1型岩石声发射测试仪

SF-1型岩石声发射测试仪是岩石力学实验研究的一种非常有用的测试仪器。它可以用来监测岩石或岩石样品在外力作用下,发生变化过程中由微破裂所产生的声发射现象。它不仅可以研究微破裂与应力、变形、波速、时间等的变化规律,而且还可以进一步研究微破裂与主破裂(大破裂)的关系。所以它在岩石或岩体的变形破坏实验研究中具有重要的意义。多年来,在进行岩石力学研究中一直缺少适用的声发射仪,从而影响了这方面工作的开展。为了当前     

声发射矩张量自动反演

岩石实验中常通过声发射定位了解岩石内部微破裂发生的时间和位置.如果将地震学中震源机制反演算法引入声发射研究,就可获得微破裂机制,对分析力学过程很有帮助.然而岩石样品中的声发射与野外地震不同,有一些难点:①声发射采集系统的采集通道一般较少,根据少数一些点的初动方向,无法精确勾勒出节面的空间分布;②岩石在围压不高时破裂不一定是纯剪位错,也就是说不一定符合双力偶模型,初动方向有可能不是四象限分布;③构造物理实验中常观测到成千上万个声发射事件,到时识别、初动方向识别很难依靠肉眼识别完成.     

声发射信号频谱分析系统

声发射现象不仅在工程上,而且在地质上得到越来越广泛的研究。岩石声发射信号的频谱携带着有关材料特性,破裂机制以及信号传播路径上的构造特征等信息。因此声发射频谱分析成了声发射研究工作中最基本的工作之一。 1.声发射信号的基本特征及频谱分析系统存在的问题 个别的声发射信号是不可重复的单次性瞬态信号。一般认为,声发射信号是一种宽频带信号。它所复     

三轴压缩下粗晶花岗闪长岩声发射三维分布及其分形特征

本文介绍稻田花岗岩(Inada granite,即粗晶花岗闪长岩)在三轴压缩变形条件下,声发射活动空间分布特征的实验研究结果。研究表明,声发射空间分布具有明显的自相似结构,其分维维数为2.1—2.3,明显低于大岛花岗岩(Oshima granite,即细晶花岗闪长岩)在相似变形条件下的结果,后者为2.7左右。粗晶花岗岩声发射分布还具多分形特征,其拐点为岩石平均颗粒粒度R_o(=5mm),在大于R_o的尺度内的分维D_l和小于R_c尺度的分维D_s各自具有不同的动态变化关系。作者指出,D_s,D_l的大小表示各自尺度内应力场非均匀变化     

岩石破裂声发射m值和岩石力学性质

实验测定了多种岩石在破裂应力的50％时杨氏模量E和声发射的m值。结果表明:m值和E有很好的线性关系m=1.39+1.44E×10~(-11)P_a~(-1)。同时观测数种岩石破裂孕育过程中的E和m值。结果表明:在加载初期,E和m值都较低。随着压力增加,E和m值也增加。在破裂应力的35％至75％时,E和m值大致平稳。破裂前,岩石应力—应变曲线的斜率E和声发射的m值均明显下降。但E值下降滞后于m值。建议利用m值评定场地岩石力学性质及其稳定性。     

声发射和微震技术在土工学方面的最新应用

从本世纪70年代初人们对用声发射（acoustic emission)和微震（microseismic)技术（AE／MS技术）在实验室和野外现场研究地球介质和构造的兴趣日益浓厚。1965年以后宾夕法尼亚州岩石力学实验室就一直进行有关AE／MS的基础研究并把AE／MS技术应用地各种土工学问题。现有研究已涉及野外研究工作的各课题，其中包括洞穴的稳定性、天然气贮气库的稳定性、长开采面煤矿的地层控制、岩石锚栓稳定性监测、爆破效应、基础干沉监测，矿井和隧道顶板的稳定性、基岩斜坡稳定性的估计及岩石钻孔远程监测。与此同时也进行了大量有关的基础研究，如AE／MS野外和实验室监测设备的研制，换能器布设排列的设计，AE／MS资料的处理、力学波导的研究和凯瑟效应（Kaiser effect)。为了使大家更广泛地了解这一问题，本文将简要地综述用AE／MS技术研究岩石和土壤力学性状的有关文献。接着将简单回顾宾夕法尼亚州最近进行的一些AE／MS研究，并将较详细地讨论正在进行和已经提出的与土工学有关的AE／MS探索研究。     

实验室声发射实验数据服务系统的构建

在岩石变形声发射研究中,为了更好地探究声发射的物理特征,需要不断发展声发射数据的采集和处理技术。地震动力学国家重点实验室的声发射观测系统的记录能力在成倍提升,实验中产生的数据量也大幅增加,这对声发射数据存储、处理和系统地开展岩石变形声发射实验提出了挑战。针对用户的不同需求,文中构建的基于网络的实验室声发射实验数据服务系统不仅实现了数据积累,还实现了数据处理方法的积累和共享。加之与设备无关的声发射数据访问接口的实现,降低了数据访问与处理的门槛,提高了数据的使用率和处理效率。该系统能够满足科研和程序开发用户的需要,能够减少现有工作模式中存在的弊端,可以将其解决方案推广,应用于其它实验数据,提高科研工作效率     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE CHANGES OF ULTRASONIC CODA WAVE AND ACOUSTIC EMISSION DURING ROCK LOADING AND DEFORMATION

The coda wave propagation path has received extensive attention as it is more sensitive to small changes in the medium than the direct wave. During the process of loading, the wave velocity, medium or source changes may cause the coda wave to change. The physical mechanism of change in the ultrasonic coda wave varies during different deformation stages. Meanwhile, there exist local damages in the rock sample during the deformation, and it will be accompanied by acoustic emission. Combining the ultrasonic coda wave and acoustic emission is beneficial to characterize the coda wave characteristics and damage degree of the sample at different deformation stages. In this paper, three kinds of rocks, including granodiorite, marble and sandstone with the sizes of 50mm×50mm×150mm, are used to carry out observations of ultrasonic coda wave and acoustic emission during the whole process of loading so as to study characteristics of the coda wave at different deformation stages. The major results are given below: 1)There is a good correspondence between the coda wave variation and the acoustic emission evolution process. When the acoustic emission frequency increases, the coda wave changes accordingly. In particular, the coda wave changes in the early stages of increased acoustic emission frequency, which indicates that the early damage information of rock can be obtained by analysis of the coda wave. 2)The physical mechanism of the coda wave change is different in different deformation stages. At the initial stage of loading, there are obvious scatterer changes in the coda wave change; then, in the linear elastic deformation stage, the wave velocity change is dominating; in the late-stage of loading, the scatterer change increases and coexists with the wave velocity change, the scatterer change effect is related with the rock micro-fracture degree, the rock will locally be damaged before rupturing, and the role of the scatterer will be enhanced. 3)With the increase of loading, the amplitude of increase of the wave velocity generally decreases gradually, which is basically consistent with the understanding obtained through the direct wave. The interference of acoustic emission can be eliminated because of the Kaiser effect when analyzing the coda wave. The consistency of the wave velocity change and stress loading and unloading is further verified. 4)The micro-fracture generated during rock deformation will change the physical mechanism of the coda wave change, and the scatterer effect will be significantly enhanced. At the same time, the acoustic emission waveform will cause interference to the ultrasonic coda wave. This means that attention needs to be paid when analyzing rock damage using only coda wave data. In short, the ultrasonic coda wave and acoustic emission can reflect the damage inside the rock, and the change mechanism of the coda wave in different deformation stages is different. The joint observation of the two can play a mutual verification role, which is conducive to improving the reliability of the observation results.     

岩石破裂中的光声效应

在实验室条件下研究了花岗岩样品受单轴压缩破裂过程中的光和声发射效应,所得可见光谱轮廓与空气分子的光谱相似,但具有能量高于紫光的成份。除在主破裂时有大的光脉冲和声发射外,在主破裂前也记录到弱的光脉冲,它们与大的声发射率有同步现象。     

基于声发射实验结果讨论大震前地震活动平静现象的机制

基于岩石变形声发射实验结果讨论了大震前地震活动平静现象的机制。在双轴压缩、等位移速率加载条件下 ,挤压型雁列断层、含宏观凹凸体断层、Ⅲ型剪切断层等非连续断层在临近滑动失稳前 ,声发射活动均出现了明显的相对平静现象 ,表现为声发射事件的发生率和应变能释放水平显著降低。与此阶段相对应 ,断层带 (特别是非连续部位上新形成的一小段断层 )发生了蠕滑和匀阻化作用 ,并使得标本的差应力开始下降。根据实验结果提出 ,大地震前断层的“蠕滑 -匀阻化”过程是造成地震活动平静现象的可能机制     

雁列式断层组合变形过程中的声发射活动特征

着重研究拉张或挤压型雁列式断层标本变形过程中声发射(简称AE，下同)的时空演化特征. 结果表明，预置构造对AE空间分布格局具有较强的控制作用，随着差应力的增加，AE首先在两个端点附近丛集，之后向两端点连线附近集中，出现明显的破裂局部化现象，较大事件还通常集中于某一端点附近反复发生. 前期微破裂丛集图象指示后期宏观破裂的扩展方向及扩展范围. 拉张和挤压型雁列区宏观破裂方向分别与轴向应力方向垂直和平行. 雁列式断层标本变形过程中，破裂前的弱化阶段相对较长、弱化过程明显. 微破裂事件累积频次指数增长可能是系统失稳前的典型征兆之一，而雁列区宏观破裂之后，AE数量逐渐减少、应变释放相对减弱. 摩擦滑动过程中，大的粘滑失稳前未见有AE活动前兆性的增强过程.雁列区的b值变化在失稳前显示趋势性降低——快速回升这一典型的变化过程，b值降低一般发生在差应力增强过程之中，并有可能延续至弱化阶段，而快速回升则一般发生在破裂失稳前的短时期内. 对比研究表明，构造差异所导致的b值差异远大于b值随差应力的增加而产生的变化量，而对同一构造标本，力学状态的改变会导致AE序列时序特征的急剧变化，较高的加载速率对应较高的应变能释放及明显的低b值. 先期破碎带由于较低的破坏强度，其对差应力的微小变化具有特殊敏感性，从而成为源、兆分离、窗口或敏感点效应等地震活动性前兆现象的一种可能的原因.      

岩石破裂中的光声效应

在实验室条件下研究了花岗岩样品受单轴压缩破裂过程中的光和声发射效应,所得可见光谱轮廓与空气分子的光谱相似,但具有能量高于紫光的成份。除在主破裂时有大的光脉冲和声发射外,在主破裂前也记录到弱的光脉冲,它们与大的声发射率有同步现象。     

4010声发射仪的改装及其二维定位功能的初步实验

对仅具有线定位功能的4010声发射仪进行了改装,使之能进行面定位并能实时输出。增加同步时间控制器,使两组线定位器能保证对同一事件进行两个轴向同时定位;改单探头为多探头并联,并且在探头和样品间加声导板,减小定位误差,使非线性定位造成的误差与仪器的分辨精度一致,综合误差为样品尺度的1.5%;用Z-80单板机程控声发射仪和宽行打印机,将两个轴向的定位坐标和样品声发射率(或事件累集数,或能量值)实时打印。用改装后的4010声发射定位仪,在单轴压缩下对板状样品(30015013mm)进行直至破裂的定位实验,结果表明仪器的定位功能理想。同时,AE空间分布表明:于样品破坏前在崩裂型破裂区周围形成明显空区;AE密集区均被宏观张性或压性破裂贯穿;空间分布图象具有明显的阶段性。     

雁列断层变形过程中的声发射特征

对拉张型、挤压型雁列断层变形过程中岩桥区和主断层上的声发射特征进行了对比研究，结果表明，雁列断层变形中的声发射对应着多种机制：拉张型雁列岩桥区的声发射为单一事件组成，波振幅小、持续时间短、主频高、震源机制为张裂型；挤压型雁列岩桥区的声发射也是单一事件，波振幅较大、持续时间短、主频较低、震源机制为双剪型；而雁列主干断层上的声发射由多事件组成，波振幅大、持续时间长、主频低、震源机制与挤压型雁列岩桥区的声发射机制不同。这些特点与各区域所处力学状态有关     

含V形构造花岗岩块体破坏过程中的声发射特征

试样采用 2 0 0mm× 2 0 0mm× 15mm云南大理产粗粒花岗岩 ,其上切割出雁列式断层组成的V形块体边界 ,切缝以石膏填充。按构造特征 ,把样品分为几个区 ,其中A区为断层交汇区 ;B区为左行左列岩桥区 ;C区为右行左列岩桥区。采用双轴加压。文中详细讨论了岩样受压破坏过程中的声发射特征。微破裂定位表明 ,声发射有区域群发性和成群的迁移性。微破裂从A区向B区迁移最后到C区。在迁移初期 ,声发射在原发生地与迁移地两处交替发生。相对较大的声发射 ,每个时期每个区域均有发生 ,但C区即最后发生地相对集中 ,该处岩桥区断裂后试样崩溃。定点应变结果也出现了 3次突跳 ,与声发射A ,B ,C区的声发射移动特征相吻合。用“累计频度 -能级”关系对局部b值的分析显示 :主破裂前 ,C区b值明显减小。从构造特征上看 ,三区为不同构造的相交处 ,为事件发生敏感地段 ,这就导致了不同的破裂顺序 ,甚至产生不同的破裂前兆现象