声发射技术在岩石力学领域中的应用

声发射技术在采矿工程、石油工程、土木工程、工程地质和岩石性质基础研究中得到越来越多的应用.作者对压头压人时岩石破碎与声发射参数之间的关系作了初步研究.试验结果表明,声发射图象能够反映岩石压人破碎机理,并且岩石压人硬度与声发射信号峰值平均幅度及积分平均幅度有明显的相关关系.     

岩石压剪断裂过程中的超声波波谱特性研究

岩石破裂过程中的声发射特性不仅与岩石种类有关 ,而且与受到的载荷和破裂进展密切相关 ,岩石受载时的声发射波谱中含有大量与微断裂有关的信息。本文通过岩石压剪加载时峰值前的声发射波谱特性分析 ,探讨了岩石压剪时的微断裂机理 ,揭示了岩石在压剪加载不同阶段的波谱特性与岩石初始非线性、线性响应和临界裂纹扩展之间的相关关系。实验结果表明 ,声发射波谱参数的变化对岩石微断裂进展的响应比载荷本身更为敏感。这一结论为岩石边坡稳定性分析 ,岩爆预测和采矿工程的安全性评估提供了十分有意义的实验依据。     

岩石应力应变全过程的声发射及分形与混沌特征

试验研究了岩石应力-应变全过程的声发射特征,得到岩石试件在初始压密和弹性阶段撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生;应变硬化阶段撞击数骤增、能量高、振幅大、有大量事件数产生;应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。因岩石每个变形阶段产生的声发射特征不同,则可以用声发射方法研究岩石的微观损伤演化和预测现场工程岩体的宏观断裂失稳过程。根据岩石声发射损伤三维定位的试验研究结果,其损伤的发展具有分形特征和统计自相似性,且岩石声发射事件数的演化过程可以用触发-生长-触发的链式生长模型来描述,通过事件数可以观察岩石微裂纹的演化过程,且岩石微裂纹的演化可用Logistic方程来描述,因而岩石的损伤演化具有分叉和混沌特征。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

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。     

盐岩三轴压缩破坏与声波声发射特征试验研究

利用岩石声波-声发射一体化测试系统与应力加载装置,系统地研究了三轴压缩试验中盐岩的变形破坏特征与声波声发射活动规律。结果表明：（1）三轴加载试验中,盐岩的破坏过程分为压密与弹性压缩阶段、裂纹产生与稳定增长阶段、裂纹加速增长阶段和应变硬化阶段。阶段Ⅰ中,盐岩纵横波波速略微上升,并伴随少量的声发射事件;阶段Ⅱ中,盐岩的声发射活动开始活跃,超声波波速稳定;阶段Ⅲ和阶段Ⅳ中,岩石的声发射事件数量大幅度上升,纵波波速保持稳定,横波波速呈现明显地下降趋势。（2）盐岩的声波与声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,受载盐岩破坏过程中的波速变化率越大;围压水平越高,盐岩超声波波速变化率越小。根据对试验数据的分析,当盐岩轴向应变达到10%,围压条件为5、10、15、20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为16 271、8 764、3 041、906个,围压对盐岩破坏过程的声发射活动有较大的影响,显示了围压致密效应。     

三轴应力下饱和水煤岩破裂的声发射特征

在GAW-2000型岩石力学试验系统上进行了煤岩饱和水条件下的三轴压缩应力应变试验及声发射检测。结果表明:不同煤级煤岩有着不同的声发射特征,主要可以划分为3种类型。饱和水煤岩的三轴-声发射试验显示,煤样在线弹性阶段之前声发射事件较少,而之后声发射趋于活跃;单轴与三轴实验对比发现,围压会明显改变半无烟煤煤岩在压密阶段的应变量,而对无烟煤不明显。围压的存在对煤岩变形其他阶段的影响要小于压密阶段。声发射参数振铃率和能量率可以应用于预测最大屈服应力点:半无烟煤煤岩在破坏前兆来临时,振铃率和能量率的频率和幅度均有很大提高,在近最大屈服应力90%左右时,幅度基本维持不变;无烟煤煤岩在破坏前兆来临时,会产生明显的某一突变,频率或幅值上有跳跃或突增。同时,煤岩的声发射特征的方式和差异性与煤岩的物质组成及煤岩演化程度有很大的相关性。     

岩石多次全过程压入硬度的测试试验

介绍了在ＭＴＳ８１５型岩石力学试验机上配置专用夹具和平底圆柱压模后成功地进行岩石表面多次全过程压入破碎试验的情况,分析了这种试验方法与传统的单次压入硬度测试法相比在反映岩石破碎过程特征、表征岩石压入硬度方面所具有的优点。最后邮进一步研究应解决的几个问题。     

楔刀作用下岩石微观劣化的试验研究

通过改装RMT-150C系统,使用不同刃角的楔形刀具对花岗岩进行贯切试验,利用DISP声发射测试系统进行声发射的定位特征分析,研究岩石在楔形刀具作用下损伤劣化破坏的全过程。试验结果表明：声发射试验是一种研究TBM滚刀破岩微观机制的有效方法,脆性岩石材料的破坏过程是内部微裂纹的萌生和扩展过程的宏观反映;在楔刃刀具匀速贯入时,声发射信号随着荷载的变化呈一定对应趋势的变化,荷载-贯入度曲线能反映试件内的损伤历程;声发射2D定位结果显示,在岩石破碎区的密实核下方存在“损伤核”,它由微震裂源增生丛聚分布形成,核内劣化程度高,是孕育密实核的场所,为TBM滚刀作用下岩石的宏观破裂现象提供了解释和依据;楔刀跃进式的挤压贯切岩板试件,钝刃刀具产生“球状”损伤核,尖刃刀具产生“水滴状”损伤核,钝刃刀具贯切试件产生更深的贯入度和更宽的损伤核,致使试件中不仅破碎深度大,而且破损范围广,破岩效果优于尖刃刀具。     

不同围压下致密砂岩破裂过程声发射特征研究

揭示致密砂岩的破裂机制对致密油气储层压裂设计和压裂缝网改造具有重要的指导意义。本文采用鄂尔多斯盆地延长组长6储层致密砂岩试样,开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了围压对岩石力学性质的影响。采用声发射定位技术研究了试样破裂过程,分析了不同围压下声发射定位事件的信号特征及其时空演化序列。此外,对破裂后试样进行了CT扫描,基于CT切片图像观测了试样内部破裂特征。得到以下几点认识:（1）不同围压下,声发射时空演化差异主要表现在压密阶段。随着围压的增加,声发射事件主要发生时段后移。（2）围压对声发射特征参数累计振铃计数的影响主要表现在压密阶段,其他阶段累计振铃计数呈相似变化趋势。不同围压下均可将累计振铃计数快速增加的瞬间作为岩石即将破裂的标志。（3）随着围压的增加,岩石破裂形态趋于简单化,由拉张破裂为主的复杂形态逐渐转变为单一的剪切破裂形态。（4）CT扫描切片直观地反映了试样的破裂形态,与声发射定位所得试样整体破裂形态相吻合,并且在声发射定位的基础上进一步刻画了裂纹分布情况与各裂纹相互作用过程。采用声发射定位技术与CT扫描双重方法,研究试样破裂过程,对于深入研究岩石破裂机制具有一定的意义。     

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。     

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。     

武夷山风景区红色砂砾岩剪切声发射实验

对取自武夷山风景区内一线天景点岩体的3个白垩系崇安组红色砂砾岩样品进行声发射实验,得到样品在剪切破坏过程中的应力-应变曲线,声发射参数与应力、应变、时间之间的关系。红色砂砾岩剪切破坏过程分为压密阶段、弹性变形阶段、局部破坏阶段、二次弹性阶段和失稳破坏五个阶段,各阶段声发射能量、振铃计数、累积能量与累计振铃计数变化很大,出现两个声发射平静期与突变期。两个平静期与弹性变形阶段和二次弹性变形阶段对应,两个突变期与局部破坏阶段和失稳破坏阶段对应。小波分析表明,存在两个信号不连续点,在应力应变曲线中对应局部破裂阶段和失稳破坏阶段。不同阶段样品之间的声发射参数变化与岩石剪切面不均一性有关。岩石剪切破坏过程声发射特性为岩体稳定性的声发射监测技术开发提供了基础数据。     

不同应力路径下英安岩声发射b值特征及破坏前兆

对英安岩岩样开展单轴、常规三轴加荷和三轴卸荷试验,并对试验过程进行声发射监测,研究在3种应力路径下英安岩变形破坏过程的声发射b值特征差异,探索声发射b值在岩石破坏前兆方面的规律。研究结果表明:英安岩岩样的声发射b值特征与加载的应力路径关系密切,加荷路径即单轴路径和常规三轴路径下b值变化规律相似,加荷与卸荷路径下b值变化规律差异较大。单轴和常规三轴加荷试验中,围压对声发射b值特征有较大的影响。围压越大,岩样在破坏前,b值的整体水平越高。岩样在破坏时,声发射b值下降幅度越大、降低速率越快,且b值达到整个过程中的最小值。三轴卸荷试验中,围压对声发射b值特征影响不明显。与常规三轴试验相比,三轴卸荷试验在卸荷至一定水平后,其b值整体水平更低,最终破坏时b值的最小值更小。提出当岩样峰值强度后存在明显的应力跌落,此时声发射b值的快速下降可以作为破坏前兆。b值的临界值要通过大量室内岩石声发射试验的统计结果来确定。将声发射b值快速下降、临界值突破0.6作为试验英安岩岩样的破坏前兆。     

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。     

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。     

孔隙水压力条件下含缺陷岩样破坏过程及声发射模拟

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟了围压存在时孔隙压力对具有初始随机材料缺陷的岩石的破坏过程、前兆及声发射的影响。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。在孔隙压力存在时,缺陷在施加轴向加载速度之前就发生了破坏。当施加轴向速度后,声发射累积数先一度保持恒定,然后由于缺陷的长大声发射累积数发生了少量的突增。经历了一段短暂的平静之后,由于短剪切带聚合成长剪切带声发射累积数发生了大量的突增,穿越应力峰值。之后,仅有零星声发射活动,试样处于平静的残余变形阶段。随着孔隙压力的增加,应力峰值达到时的声发射累积数提高,应力峰值附近的声发射活动变得强烈,残余变形阶段达到时的声发射累积数提高。出现在软化阶段的最大失衡力的峰值随着孔隙压力的增加而降低。     

循环加卸载条件下花岗岩破坏过程声发射特征研究

本文通过MTS815岩石力学试验机,开展循环荷载作用下花岗岩破坏过程声发射参数变化的研究,研究了花岗岩在不同围压、循环次数、含水率的条件下声发射参数的变化情况。基于记录到的声发射数据,将岩石破坏过程划分为3个阶段,即初始阶段、匀速增长阶段、加速跃迁阶段,研究各阶段的RA值、损伤参数D、Kaiser效应的变化特征。试验结果表明:（1）饱水岩石的RA值小于天然状态下岩石的RA值,并且岩石破坏前（加速跃迁阶段）有较为明显的高RA区出现。（2）围压能有效延长加速跃迁阶段的时间,同时提高岩石的抗压强度。（3）损伤参数D在最后一级循环时抬升平均值达到0.6。（4）验证了岩石Kaiser效应的局限性,岩石在出现了Felicity效应后才会因累计损伤发生破坏。     

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。     

不排水条件下钙质砂声发射试验研究

通过对钙质砂进行不排水条件下声发射试验,探讨了不同围压、剪切速率、初始孔隙比和级配下钙质砂声发射规律。试验结果表明:低围压（围压低于400 kPa）时,钙质砂声发射活动频率随着围压的升高而增加;围压增至800 kPa时,声发射活动频率有所下降。低剪切速率下,钙质砂剪切试验明显分为颗粒破碎阶段和颗粒滑移阶段,随着剪切速率增大,二者之间较模糊,不能明显区分;松散和密实状态下,钙质砂声发射活动规律相似,钙质砂声发射活动频率均高于中密状态钙质砂;级配较好的钙质砂,声发射率峰值出现在试样发生剪切破坏前;级配稍差,试样声发射率相对均匀,声发射率峰值出现在邻近试验结束时。