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。     

基于声发射特征的盐岩蠕变本构模型研究

针对盐岩作为储库介质在长期运营下的变形行为,开展了历时359 d的层状盐岩室内单轴蠕变试验,实时监测了试验过程中的声发射信号规律。研究表明,盐岩单轴蠕变试验中声发射表现出特征明显不同的3个阶段,累计声发射事件定位显示,各阶段声发射信号的分布与试件的变形及破坏位置基本一致,并且累计声发射事件数与蠕变应变近似满足线性关系,验证了基于声发射事件数来建立盐岩蠕变本构模型的合理性。进一步构建了基于声发射的盐岩损伤演化本构模型,并采用最小二乘法拟合本试验数据获得本构模型中的参数,由拟合曲线可知,基于声发射的盐岩蠕变本构模型能够较好地描述盐岩蠕变的3个特征阶段。     

北山坑探设施开挖损伤区现场声发射监测试验研究

为研究爆破开挖对围岩的损伤,在高放废物地质处置地下设施(北山坑探设施)开展了开挖损伤区(EDZ)的研究。对多个爆破回次开挖全过程进行了声发射监测试验,根据声发射撞击数演化特征,将爆破开挖围岩的损伤过程分为爆破损伤段和渐进损伤段,分析了声发射信号频率演化规律。根据两阶段信号参数特征分析了对应阶段微破裂机制,通过高频探地雷达圈定了开挖损伤区范围,发现各回次开挖损伤区的厚度与声发射撞击数具有较好的相关关系,并分析了室内及现场试验岩石(体)的"蠕变"特征与声发射演化规律。分析认为,爆破后声发射演化特征是围岩渐进损伤过程的直接体现,渐进损伤在位移上表现为"蠕变"特征,声发射能有效地表征围岩的变形过程及其所处的损伤状态。研究成果对声发射现场应用表征围岩的损伤状态具有一定参考价值。     

基于声发射信号聚类分析和神经网络识别的岩爆预警方法实验研究

开展巷道岩爆室内模拟声发射监测实验,对岩爆过程中的声发射信号进行聚类分析,得到3种类型声发射信号,优选具有岩爆前兆演化异常、能量大、数量小等特征的信号类型作为岩爆前兆特征信号。岩爆发生前,岩爆前兆特征信号开始密集出现,明显的前兆异常。运用时间窗函数对岩爆前兆特征信号的时间密集性进行量化分析,提出衡量信号时序演化特征的量化指标即时间密集度f_t。岩爆发生前,前兆信号密集出现,出现了f_t≥3值,可将首次f_t≥3作为岩爆前兆信息,可将岩爆预警阈值a划定为3。基于岩爆前兆特征信号优选和预警阈值提取,借助BP神经网络,智能识取岩爆前兆特征信号,利用时间窗函数计算岩爆前兆特征信号f_t值,当岩爆前兆特征信号f_t值开始达到岩爆预警阈值(f_t≥a)时则进行岩爆灾害预警,建立了基于巷道岩爆模拟实验声发射数据的岩爆实时预警方法,为工程现场岩爆预警方法的建立提供了新思路。     

断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25 MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明：（1）侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56o断层,45o断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。（2）声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量（能量、分形维数、频谱幅值）均呈现明显的“突增”特性。（3）声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元...     

打破思维定势 巧破问题陷阱

我们大家都知道,在地球的北温带和南温带地区都有明显的春、夏、秋、冬的四季更替现象。但是,这一简单的地理知识,对于我们平时比较粗心的学生而言,却容易犯错误。比如有一次,我在上课时问了如下一道题目：“2009年7月20日去澳大利亚的悉尼访问,飞机飞行约13个半小时,问到达当地时,当地是几月份？”几乎半数的学生不加思索地说是1月份;而当我再问下一个问题：是什么季节？又回答是当地的冬季。     

基于小波变换的岩石声发射信号互相关分析及时延估计

声发射全波形采集为基于波形分析的声源定位方法提供了可能。声发射源定位方法中最常用的是时差定位方法,因此,时差获取精确与否直接影响定位的精度。借助于小波变换和互相关技术研究声发射信号的时延估计,首先利用小波分析技术对信号进行分解,确定有意义信号的频带宽度,再提取分解后的相应频带的小波系数,利用互相关技术计算出该频带信号到达各传感器的时差,进而利用时差定位法反演声发射源,实现了声发射源更精确的定位。经声发射监测验证结果表明,该时延估计方法能有效地减小声发射源定位的误差,提高声发射源的定位精度,为准确反演声发射源提供了一种有效途径。     

岩溶地区飞机草化学防治研究

在飞机草(EupatoriumodoratumL.)入侵严重的岩溶区,用样方法进行百草枯(paraquat)、草甘膦(glyphosate)及草甘膦与2,4-D的混合药剂防治野外飞机草试验,每种药剂分别设0.25%、0.5%和1%三个浓度。结果表明:施药5天后,各浓度百草枯处理的飞机草植株全部干枯;高浓度的草甘膦及高、中浓度的草甘膦+2,4-D处理下,飞机草植株2/3的叶干枯,茎半干枯。施药30天后,低浓度百草枯处理的飞机草的死亡率为77%,高浓度处理下的达100%,各处理的新生苗密度极显著小于对照;低浓度草甘膦和草甘膦+2,4-D处理的飞机草死亡率均为33%,高浓度处理的约为50%,各浓度处理下新生苗密度与对照均无显著差异。由此可见:(1)各浓度处理下百草枯的药效高于草甘膦和草甘膦+2,4-D的药效,对土壤中飞机草种子萌发具明显影响,宜用在飞机草单优势群落中。(2)较高浓度的草甘膦和草甘膦+2,4-D可防除大部分飞机草,对土壤中种子影响小,可考虑使用在飞机草为伴生植物的耕地、果园等生境中。      

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。     

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。