单轴压缩下粉砂岩声发射事件与撞击对比试验研究

为更深入地研究岩石受载失稳过程中声发射(AE)撞击和事件参数对岩石内部损伤的响应关系,试验采用PCI-2全数字化声发射信号采集分析系统及TAW-2000型微机伺服岩石力学实验系统,对粉砂岩进行单轴加载声发射监测,观察粉砂岩在单轴加载过程中声发射事件参数与撞击参数的变化特征。通过参数对比分析,发现事件参数与撞击参数对粉砂岩破坏表征的优劣性,得出如下结论:AE撞击参数较AE事件参数变化趋势明显,更能体现岩石内部损伤过程;在岩石受载中期声发射活动相对前后期较为平稳且各参数值也相对偏低;在粉砂岩未处于失稳破坏阶段时,撞击数与事件数的变化趋向相同;但受载末期撞击数迅速增加而事件数很少,两者变化呈不同趋向,其直观地反映出岩石内部裂隙发展过程。     

循环载荷下干燥及饱和砂岩的变形及声发射特征

对取自陕西榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥和饱和试件进行单轴循环加卸载试验及声发射监测,分析了不同含水状态岩石的强度以及变形特征、声发射特征和加卸载响应比变化情况.结果表明,水对上述性质具有显著影响:饱和试件强度和滞回环数量均低于干燥试件,压密阶段轴向应变比干燥试件增加18.9%,峰值强度前轴向应变比干燥试件降低17.4%,干燥和饱和试件在循环加载过程中弹性模量均有增大趋势;干燥试件在整个加卸载过程中声发射能量累积为3.87×10-11J,饱和试件声发射能量累积为2.58×10-11J,仅为干燥试件的66.67%;干燥和饱和试件的加卸载响应比呈现类似的变化规律,但饱和试件的加卸载响应比峰值特征时间比干燥试件短,宏观裂纹形成得更早.     

饱和前后软岩各向异性力学特征的对比试验

以泥质粉砂岩和褐红色泥岩为对象,研究单轴压缩条件下软岩干燥和饱和状态时的各向异性力学特征,包括变形各向异性特征和强度各向异性特征.试验结果表明:泥质粉砂岩和褐红色泥岩的弹性模量、单轴抗压强度饱和后均大幅下降,而泊松比增大;饱水后泥质粉砂岩的弹性模量在垂直于层理方向的降低幅度明显小于平行方向,而单轴抗压强度在垂直于层理方向的降低幅度则略大于平行方向,泊松比的变化幅度相差不大;饱水后褐红色泥岩的泊松比在垂直于层理方向的增大幅度明显小于平行方向,而弹性模量和单轴抗压强度变化幅度相差不大.     

基于声发射的岩石疲劳损伤演化

通过砂岩试件疲劳破坏的声发射实验,分析了砂岩疲劳破坏过程的声发射特性,研究了岩石的疲劳损伤演化规律.按岩石整个疲劳过程的声发射特征及损伤演化规律,并参考岩石不可逆变形发展的三阶段规律可以将其分为四个阶段.岩石疲劳损伤破坏具有突发性,在岩石失稳阶段损伤加速演化.如果以声发射监测和预测岩石疲劳破坏,在损伤量0.4左右即进入失稳阶段,在损伤量0.3左右即进入失效阶段.     

砂岩单面吸水强度软化实验

为了更附合巷道围岩吸水的实际状态,通过对两组单面吸水后的砂岩试件进行单轴抗压强度实验,研究其随吸水时间变化的强度软化特征。结果表明:两组试件单轴压缩σ-ε曲线线形相似,属于塑性-弹性-塑性变形类型,试件抗压强度随吸水时间呈负指数衰减趋于饱水强度,强度软化系数与吸水时间呈负相关性。试件宏观破坏形式主要为楔劈型张剪破坏和拉伸破坏,而且吸水一端总是首先破坏。砂岩在单面吸水状态下,强度软化机制为黏土矿物遇水膨胀机制与微观力学机制。     

水对软质砂岩加卸荷力学特性影响的试验研究

文章进行了软质砂岩在饱水和干燥条件下的单轴、三轴加载以及卸围压试验。试验结果表明岩样加卸荷力学特性受水的影响显著。饱水状态下,砂岩的加载及卸荷强度均低于干燥状态岩石的强度;无论是干燥还是饱水状态,卸荷条件下砂岩的黏聚力相对于加载条件有所提高,而内摩擦角却降低。在围压大于5 MPa时,卸荷条件下的岩样峰值强度低于加载条件下的强度;卸荷试验与加载试验相比较,处于饱水状态的岩样,其黏聚力和内摩擦角的变化幅度远大于干燥状态的岩样。     

单轴压缩作用下CFST柱的声发射特征

通过对不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土(CFST)柱进行单轴压缩声发射试验,对比分析了各试件破坏全过程的声发射信号特征.试验结果表明:试件的整个破坏过程可分为弹性段、弹塑性段、强化段和失效段四个阶段,声发射特征参数变化与试件破坏过程表现出较好的对应关系.声发射累积能量和累积撞击数均随荷载的增加而稳步增加;b值经历了缓慢上升、平稳波动、迅速下降的变化,反映了试件内部裂纹的逐步扩展情况;通过对声发射RA值、AF值分析可知,钢管混凝土柱的破坏过程既产生拉伸型裂纹又产生剪切型裂纹,随着荷载的增大,破坏中剪切型裂纹所占比例逐渐增多.研究表明声发射技术可以有效监测轴压下钢管混凝土柱的损伤状态.     

武夷山隧道围岩破坏过程中的声发射特性研究

在单轴加载条件下进行花岗岩和凝灰岩试件加载破坏过程中声发射(AE)特性试验研究,得到岩石加载破坏过程中时间-应力-空间定位事件率、时间-应力-撞击率和时间-应力定位事件能量率图,并获得累计定位事件、累计撞击事件和累计定位事件能量.研究结果表明能量率与事件率和撞击率相一致,均在岩石试件破坏前期有突增特性.结合这3个参数作为岩石破坏前兆,能为岩石失稳破坏提供较好的参考依据.根据岩石加载破坏过程中不同岩性的空间定位事件累计能量的量级特征,分析通过试验为工程实际中围岩体损伤程度进行实时监测提供参数依据的科学可行性.     

英安岩破坏过程声发射特征研究

为研究英安岩的岩石力学特性及破裂损伤全过程中的声发射特征,通过MTS815伺服试验与PAC型声发射系统结合,对英安岩进行单轴压缩和常规三轴压缩声发射试验。试验表明：（1）英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有“折线型”特点,临近破坏前,荷载值稍有停顿,然后继续上升,随即迅速大幅度下降,应力-时间曲线此刻的折线点（主破裂）对应监测的AE事件突出;高围压下曲线光滑,AE事件在累进性破坏阶段监测较集中。（2）随围压增大,英安岩物理力学参数也增大,监测的声发射AE事件也相应滞后出现,由张性破坏（竖向破裂）转变为剪切破坏。（3）英安岩有残余强度的在峰值后声发射活动持续,AE事件变化幅度小。无残余强度的声发射活动主要在峰值强度前,峰后无或微弱。（4）AE事件-时间、AE累计事件-时间曲线,以及岩石的应力-时间曲线三者结合,更好的反应出英安岩破坏全过程特点。     

基于NMR和声发射的砂岩疲劳损伤试验研究

为科学地评价工程岩体的长期稳定性和安全性,在实验室条件下对饱水砂岩开展循环加卸载试验,结合声发射技术与核磁共振分析技术两种手段探究其宏细观变形及疲劳损伤演化规律.研究结果表明:在循环荷载作用下,砂岩的声发射能量分布规律与轴向累积残余变形发展规律、应力-应变曲线滞回环变化规律一致,均能反映岩石在重复应力的作用下逐渐劣化至发生破坏;岩石疲劳损伤过程中的声发射能量幂律特征具有时间序列上的尺度不变性,循环中期幂指数可有效表征全过程能量分布;根据T₂谱结果,定义系数K₂为细碎裂隙与较大裂隙体积之比,循环过程中K₂一直处于增加的状态,当K₂值急剧下降时,砂岩有破坏的前兆;试件的AE特征与NMR特征均能体现岩石内部孔裂隙变化,其结果具有一致性,反映出岩石破坏是局部变形累积引起的整体疲劳损伤.      

英安岩三轴压缩试验力学特征及声发射特征研究

为研究英安岩的岩石力学特性及破裂损伤全过程中的声发射特征,通过MTS815伺服试验与PAC型声发射系统结合,对英安岩进行单轴压缩和常规三轴压缩声发射试验。试验表明:(1)英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有"折线型"特点,临近破坏前,荷载值稍有停顿,然后继续上升,随即迅速大幅度下降,应力-时间曲线此刻的折线点(主破裂)对应监测的声发射(acoustic emission,AE)事件突出;高围压下曲线光滑,AE事件在累进性破坏阶段监测较集中。(2)随围压增大,英安岩物理力学参数也增大,监测的声发射AE事件也相应滞后出现,由张性破坏(竖向破裂)转变为剪切破坏。(3)英安岩有残余强度的在峰值后声发射活动持续,AE事件变化幅度小。无残余强度的声发射活动主要在峰值强度前,峰后无或微弱。(4)AE事件-时间、AE累计事件-时间曲线,以及岩石的应力-时间曲线三者结合,更好地反映出英安岩破坏全过程特点。     

火灾下钢-混凝土组合楼盖的 声发射监测及分析

为研究火灾下钢-混凝土组合楼盖的损伤机理,利用声发射技术对组合楼盖不同位置处的声发射信号进行监测.通过声发射系统采集的振铃计数、幅值、能量和持续时间等基本参数,结合试验宏观现象,对声发射进行振铃计数分析、RA-AF关联分析和b值-能量分析.研究表明:根据振铃计数信号,可判断构件的裂缝开展密集程度及内力变化,在降温阶段,次梁会对钢筋混凝土板产生剪切裂缝,使结构产生二次破坏;RA-AF关联分析能准确地判断出组合楼盖的失效模式,可根据其失效模式进行相应的内力分析;b值-能量分析可反映出试件破坏时的能量变化及试件的损伤程度,并推断出构件是否达到相应的破坏状态.     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

风电叶片复合材料层间开裂声发射监测

通过对含Ⅰ型分层缺陷的单向和多轴向风电叶片复合材料试件进行拉伸力学性能实验,同时进行声发射全程监测,研究了含Ⅰ型分层复合材料在拉伸过程的损伤演化特性及声发射响应特征.实验结果表明:风电叶片复合材料Ⅰ型分层加载初始阶段载荷与张开位移之间呈现线性特征,当出现宏观裂纹扩展时两者呈现非线性关系.声发射监测数据显示,声发射信号的幅度、撞击累积数、相对能量等特征参量的动态变化可以反映出复合材料Ⅰ型分层损伤破坏过程.风电叶片复合材料声发射检测中可以依据信号的特征参量变化判断复合材料结构的损伤破坏程度.     

温湿环境下砂岩变角剪切实验

为获得温湿环境下砂岩变角剪切强度软化规律,首先对山东莱芜红砂岩试件进行30、50、70℃潮湿环境吸水测试,再对吸水后试件、干燥试件、饱水试件分别进行45°、55°、65°角度下的变角剪切强度实验。结果表明:试件在温湿环境下吸水速率呈减速趋势,直至气液平衡状态;吸水温度越高,吸水量越大,试件达到气液平衡状态的时间越短;随着吸水率的增加,试件凝聚力呈负指数衰减,且趋于试件饱水时凝聚力;在不同角度下变角剪切,试件宏观破坏形态从粉碎性破坏变为完全脆性破坏。该研究为温湿环境下深井巷道围岩抗剪强度测定提供了方法。     

岩石与类岩石单轴压缩过程中力学及声发射特性对比研究

开展石灰岩、砂岩与类岩石的单轴压缩声发射实验,从力学参数、破坏形态及声发射时域参数、频谱特征等多角度对比分析其破裂过程的异同。研究结果表明：石灰岩、砂岩在达到峰值应力后瞬间破坏,为脆性破坏;而类岩石在峰值应力后依然有残余强度,为塑性破坏;前者在临近破坏前会出现标志破坏前兆的声发射低事件率缺失现象,后者不明显。岩石声发射事件率呈现前低后高特征,类岩石则为‘高-低-高’,相应的声发射能率表现出高度的一致性;不同变形阶段两者的声发射频带分布不同,反映出两者内部破裂演化的差异性。     

基于声发射的层状复合岩石损伤演化规律实验研究

为了研究层状复合岩石内部微观裂隙的损伤情况,采用单轴压缩试验,结合声发射分析仪对试件内部破坏过程进行实时监测,分析岩石的破坏过程、声发射的参数等力学特性。研究结果表明:层状复合岩石的破坏特征不是单一岩石破坏特征的直接相加,而是在荷载作用下耦合破坏的结果。强度高的硬岩可以约束强度低的软岩发生横向变形,而强度低的软岩对强度高的硬岩的横向变形具有推动作用;声发射的能量计数与复合岩石内部裂纹的压密、扩展、贯通过程有紧密联系,可以评估岩石内部的损伤程度;根据累计能量建立的损伤演化方程,其拟合数据与试验数据吻合较好,实现了用声发射能量计数反应层状复合岩石的损伤演化规律,为层状复合岩石的损伤研究提供了参考。     

基于声发射技术的单轴受压混凝土损伤细观研究

为了从细观角度了解不同强度等级,以及不同碳化龄期的混凝土的损伤演化特征,对强度等级分别为C20、C30、C40以及碳化龄期分别为0、28、56、77、90 d的混凝土棱柱体试件进行了单轴受压试验;并利用声发射(AE)技术对试验全过程进行了动态监测,获得了表征混凝土损伤演化过程的典型声发射事件累积计数(burst line cumulate,BLC)曲线;以及声发射事件数-相对应力水平关联曲线.结果显示:①BLC曲线的三个部分分别反映出材料损伤演化过程的三个阶段,曲线的两个转折点分别对应混凝土材料内部的起裂点和失稳点;②在低应力时,不同强度等级以及不同碳化龄期的混凝土试件的声发射特征没有明显区别;随着应力的增加,高强度等级和碳化龄期长的混凝土试件的声发射事件数增长较快,并且声发射活性急剧增加点明显前移.     

岩石损伤破裂过程与声发射特性耦合规律实验研究

采用MTS岩石力学试验系统和PAC公司SAMOS声发射监测系统,开展了灰岩、大理岩试样单轴受压破坏过程声发射特性试验,研究了岩石受力、变形过程中,声发射事件时间序列、空间分布、能量和b值等声发射参数特征,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律.研究表明,岩石试件宏观破坏前,岩石中的裂纹处于非稳定扩展阶段,声发射事件急剧增加,达到弹性变形阶段的5～8倍,并逐渐向破裂面集中,弹性能加速释放,声发射累积能量急剧增加,为弹性变形阶段的103倍;声发射事件的振幅明显增加,可达弹性变形阶段的10倍;声发射波形峰值前的延续时间相对较短,频谱分散,出现多峰现象;通过对岩样的声发射源定位,有效采集到微损伤“积聚区”,该区域的微损伤密度明显大于试样其它区域;随着岩样中微裂纹的局部扩展、贯通直至岩样破坏,b值和M值发生显著变化,岩样破坏前b值急剧减小,声发射事件震级明显增大.     

水泥土无侧限压缩的声发射信号特性研究

为研究水泥土在无侧限压缩过程中的声发射信号特性,利用声发射技术对水泥土的无侧限压缩过程进行全程监测。通过对水泥土力学特性参数进行分析,得到水泥土在无侧限压缩下应力随时间的变化过程大致分为四个阶段;同时运用声发射特性参数分析法对水泥土试件的声发射信号参数经历图和分布图进行分析,得出水泥土压缩过程中各声发射特性参数也大致分为四个阶段,每个阶段与力学特性参数各阶段基本相一致;通过对声发射信号特征参数的四个通道分析和对比各通道传感器处试件受破坏后的试验实图,验证了声发射信号参数能准确反映材料的破坏程度,为以后用声发射技术预报、检测结构破坏过程和破坏程度提供了依据。