花岗岩真三轴加载破坏前兆信息

岩体开挖卸荷导致内部扰动和应力重分布,极易发生突发性失稳破坏。对不同中间主应力下的花岗岩试件进行真三轴加载试验。试验过程中采用高速摄像机、声发射、红外热像仪全程观测,研究岩石加载破坏过程中红外热像演化特、临空面温度变化特征、声发射振铃计数率变化特征、岩石表面裂纹发育,研究岩石破坏前各类监测数据的异常反应。研究表明:热像异常演化对岩石未来表面破裂有指导作用,未来裂纹扩展区域与热像异常出现位置相一致;岩石破坏前临空面上温度会出现异常,一般表现为温度曲线转折性变化和温度跳跃式升高;声发射振铃计数率会在试件失稳破坏前出现密集性增高现象。这些异常现象作为前兆信息为岩石破坏提供预警,研究结果为岩体开挖卸荷后工程灾害预警与防治提供理论参考。     

预制节理岩体卸荷损伤破坏机理及声发射特征试验研究

基于节理岩体在卸荷作用下的力学状态能更真实地反映实际工程中岩体的力学行为,对含预制节理岩体进行三轴压缩及卸荷破坏声发射试验研究。研究结果表明:与完整岩样相比,节理岩样的破坏并不是一次性的,存在明显的应力降现象,其脆性特征与完整岩样相比不够明显;在卸荷试验中,节理岩样极限强度明显比完整岩样的小,与常规三轴强度相比,完整岩样和节理岩样卸围压试验的峰值强度平均降幅分别9.13%和18.81%,表明在卸荷试验中节理岩样更易发生破坏;节理岩样在破裂过程中发生多次应力降,每次应力降发生时,声发射振铃计数率突增,此外,节理岩样在卸荷试验中的破坏程度与完整岩样相比较弱。     

铝合金PLC效应与声发射特性的实验研究

考虑退火温度和应变率对6063铝合金力学性能的影响,采用材料试验机和声发射测试系统对铝合金PLC效应和声发射特性开展实验研究,获得了不同应变率下材料的应力-应变曲线和不同退火温度下声发射参数的变化规律.结果表明,2×10-3,2×10-4,2×10-5s-1应变率加载时,6063铝合金的应力应变曲线表现出明显的PLC现象,降低加载应变率,PLC现象增强,并出现了从A型到C型的转化;加载应变率为2×10-4s-1时,PLC效应的临界应变随退火温度的升高而降低;由于细观结构上可动位错密度的增加,屈服阶段试件中产生的声发射振铃计数急剧增加,达到峰值;进入到塑性强化阶段,声发射活动减弱;弹性变形阶段和塑性强化阶段产生突发型信号,而屈服阶段为连续型信号,与试件的均匀变形以及剪切变形带的形成与传播相关.      

温度与加载速率对岩石力学性质的影响

通过实时高温不同加载速率下花岗岩的单轴压缩声发射试验和扫描电镜试验,研究了岩样在温度和加载速率共同作用下的力学性质与分形特征。研究结果表明:(1)岩样应力—应变曲线可以分成压密、线弹性、非弹性和破坏四个阶段。随着加载速率由0.001 mm/s增加至0.1 mm/s,岩样压密阶段变短,弹性模量增加,峰值应变逐渐减小。(2)岩样峰值应力、振铃计数率与温度的变化规律相一致,均呈现先下降后上升趋势,在600℃时达到最小值。(3)峰值应力、振铃计数率随加载速率的增加呈线性增大趋势。加载速率由0.001 mm/s增加至0.1 mm/s,峰值应力由37.166 MPa增加至53.769 MPa,增幅为44.673%;振铃计数率由107 380增加至141 644,增幅为31.909%。(4)岩样破裂的分形维数与加载速率呈线性增大,但温度超过600℃,岩样结构晶体改变,温度的影响占据了主要因素,导致分形维数随加载速率变化规律不明显。研究成果为岩土地下扰动、工程爆破等实际工程中岩石力学参数的选取提供了有益的参考价值。     

单轴压力下岩爆倾向岩石的声发射特征

在电液伺服刚性试验机上,对某矿一种具有岩爆倾向的岩石进行声发射研究,得出了声发射参数与岩石应力-应变曲线对应关系.声发射数统计和声发射波形频谱分析结果表明在加载过程中,应力达到一定水平时声发射数发生突跳,声发射频谱由低频向高频发展,到一定应力水平后基本保持稳定,能量由低频向高频集中,声发射突跳点与主频转换点应力水平基本一致,这对硬岩矿山岩爆预报有一定的指导意义.     

雨水渗透下节理岩质边坡失稳离散元模拟

采用一种新的能够考虑水软化与化学风化作用的复合微观接触模型,将其植入离散元软件PFC2D中,进行节理岩质边坡失稳过程的模拟.建立一个85°倾角并含有3组倾角为45°节理的岩质边坡,采用重度增加法研究岩质边坡在水软化及化学风化影响下的破坏过程.结果表明:边坡滑动过程中,应力应变波动较大,不同位置处的应力应变的波动具有相似的规律;滑动体的速度达到一定值时,才开始产生比较明显的位移;速度及位移快速增加的时刻晚于应力应变开始波动的时刻;岩质边坡的破坏主要为岩桥贯通,破坏面为节理滑动面,颗粒间主要为拉剪破坏与压剪破坏,破坏阶段拉剪破坏速率大于压剪破坏.     

载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性

通过在不同应力水平下对岩石试样的加载-卸荷实验,对岩石试件在不同应力状态下受到"加载-卸荷"扰动时的声发射特征进行了试验研究.结果表明:在较低的应力水平下,岩体在受到加载作用时,会产生少量离散的声发射,而在卸载过程中几乎不产生声发射;而在较高的应力水平下,在受到加载扰动作用时,声发射活动相对活跃,而且在卸载时也有明显声发射信号出现.因此,在不同应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材料不同的本构特征,在进行地下工程原位岩体的稳定性检测与评价时,必须考虑这种特性.     

加卸荷条件下非贯通节理岩体破坏特性研究

采用颗粒流软件PFC(particle flow code)对非贯通节理岩体加卸荷条件下破坏特性进行研究。对砂岩材料进行室内单轴压缩试验,获取该岩样的抗压强度、弹性模量等宏观特征。采用PFC颗粒流软件中的平行黏结模型,构建完整试样,利用DFN(discrete fracture network)创建非贯通节理,并采用更符合实际工程的应力/时步加卸压方式对非贯通节理模型开展三轴压缩与非线性加轴压卸围压数值模拟。研究结果表明:在三轴压缩模拟中,峰值应力下降主要是因为岩桥内剪切裂纹增多,岩桥上方先出现裂纹的延伸,随后引发岩桥的贯通;在非线性加轴压卸围压模拟中,当轴向应力达到峰值后,岩桥破坏缓慢,且拉伸裂纹与剪切裂纹分布较均匀,岩桥贯通后,裂纹向模型上部进行扩展,最终破坏形式为非贯通节理上下两部分的滑移变形,且节理的破坏程度远大于三轴压缩的破坏程度。在卸荷过程中,节理两侧剪应力最大,岩桥中心次之,节理面的剪应力最小。     

声发射能量累积与煤岩损伤演化关系初探

为了寻求煤及岩石在受载破坏过程中能量积累与应力应变之间的关系,分别对煤矿的煤和泥岩进行了单轴加载及声发射试验,得到了煤岩试样单轴加载试验过程中声发射能量累积、应力与应变之间的关系曲线。利用损伤力学基本原理和热力学定律,理论推导了煤岩损伤演化方程,进而得到损伤与声发射能量累积关系曲线,通过拟合损伤与声发射能量累积关系曲线初步推导得到了声发射能量累积与应力应变的理论关系,并通过试验结果验证了能量累积与应力应变关系。     

单轴加载三维裂纹破裂演化规律试验研究

为研究三维裂纹破裂声发射特征及传播规律,以含有三维裂纹组的脆性类岩石材料为研究对象,结合声发射实时监测及CT扫描重构技术,分析讨论了单轴加载条件下三维裂纹组破裂声发射特征及空间传播规律.实验结果表明:试件表面岩桥破裂失稳模式分为反翼裂纹-翼裂纹破裂模式、反翼裂纹-剪切裂纹破裂模式、翼状拉伸裂纹平行传播模式;裂纹起裂、岩桥破裂失稳均伴随着声发射信号峰值及应力应变曲线波动,翼状拉伸裂纹起裂释放能量随时间增加而增大;试件内部以拉伸裂纹传播为主,伴随剪切裂纹、反翼裂纹、次生裂纹,试件以翼状拉伸裂纹传播导致的轴向拉伸破坏为主;试件内部剪切滑移痕迹随岩桥角度变化而增加,剪切裂纹及次生裂纹数量增多,破裂形式趋于复杂;以预制裂纹中心线为对称轴,翼状拉伸裂纹分别向两端传播形成反对称结构,起裂角度随裂纹深度增加而逐渐增大;随着岩桥角度变化,岩桥破裂模式分为反翼裂纹-翼裂纹破裂完全破裂模式、反翼裂纹-剪切裂纹破裂部分破裂模式、翼状拉伸裂纹平行传播模式.     

高温作用后石灰岩受压破裂过程的声发射试验研究

利用声发射测试和单轴压缩试验相结合的方法,研究了河南焦作矿区的石灰岩在100~800 °C高温压缩破坏条件下的声发射过程,结合不同温度下石灰岩的力学性质,分析不同声发射参数条件下石灰岩在不同受力阶段的声发射特点.结果表明：在高温作用下石灰岩出现了明显的声发射现象;石灰岩峰值应力随着作用温度的升高而不断降低,800 °C以后,峰值应力较600 °C时降幅达50%,但是峰值应变随着作用温度的升高而变化不明显;在400 °C以前,声发射振铃累计数均值随着温度的升高而增加,400 °C后随着温度的升高而不断降低;在600~800 °C时,试样呈现出明显的塑性破坏特征,高温致使石灰岩劣化,声发射试验中,振铃累计数大幅度降低,应力与应变和声发射特征参数变化规律较吻合.     

基于声发射时频特征的岩石破裂前兆识别方法

为得到岩石破裂的有效前兆信息,通过时频分析方法研究了白云岩破裂的声发射波形信号。对取样于2008年汶川地震引起的东河口滑坡源区的白云岩样品开展三轴多级循环加载试验,分析其力学及声发射特性,并从声发射波形时频特征分析岩石破裂前兆信息。在声发射波形参数（主频）的基础上提出一个新的特征参数：主主频（即最大主频）,对13个主主频关键点进行傅里叶变换（FT）和三维短时傅里叶变换（3D-STFT）,分析其时频演化特征,以期得到岩石破裂有效的前兆信息。研究结果表明：声发射事件率、累积振铃计数和能量均反映白云岩试样受力破裂过程的动态演化规律;白云岩试样的主频呈带状演化,破裂前兆表现为高频区间向低频、中频区间转移,累积主频曲线的斜率在891s处达到峰值,可作为岩样破裂的前兆信息之一;在6次循环加、卸载中,主主频呈现高频率值与低频率值交替出现的规律,将主主频突降的第11个点（784s）作为预警前兆之一,相比主频预警点（891s）提前了107s。对比分析可知主主频能获取更为细节的岩石破裂前兆信息,从而为岩石破裂预警提供科学依据和理论基础。     

三轴及孔隙水作用下煤的变形和声发射特性

在MTS815.02岩石力学试验系统上进行了煤的单轴压缩、三轴压缩及孔隙水作用下全应力应变试验及声发射检测.结果表明:煤的三轴强度、残余强度随围压增高而增大,随孔隙水压增高而降低;在低围压试验范围内,煤的弹性模量不随围压变化.煤在不同试验条件下呈现的声发射特征有显著差异性:单轴试验时各个阶段均有声发射事件产生,三轴及孔隙水试验条件下煤样屈服之前声发射事件较少,而屈服之后声发射趋于活跃;单轴试验时煤的声发射能量最大,随孔隙水压增大,煤样变形过程释放的声发射能量逐渐减小.     

基于对数正态分布的岩石损伤统计分析方法研究

以Mohr强度理论为基础,利用岩石微元强度服从对数正态随机分布的特点,得到了三轴压缩条件下的岩石损伤统计本构模型,并根据试验曲线采用最小二乘法确定出模型参数.与试验结果比较,该模型可以很好地模拟岩石破裂过程的全应力应变关系,真实反映了岩石软化特性、岩石强度随围压变化等特性.在此基础上,讨论了对数正态参数F0,S0对岩石应力应变全过程曲线的影响.结果表明,参数F0值的变化对岩石的强度有影响;参数S0值的变化对岩石的脆性有影响.     

中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究

锁固型岩桥的脆性断裂是带裂隙岩体失稳的主要原因,具有较强的突发性和隐蔽性。针对“三段式”、“挡墙式”两种典型的中部锁固岩桥类型,开展端部开裂砂岩试件的单轴压缩试验研究。基于能量散耗理论及声发射(AE)频度-能级指数关系,结合高速工业相机记录信息,探究了岩体受压过程中岩桥脆性断裂机理及其前兆信号特征。研究结果表明：(1)与“三段式”锁固岩桥相比,“挡墙式”锁固岩桥峰值强度和弹性模量降低,但其脆性断裂特征更加明显；(2)“挡墙式”锁固岩桥应变能耗散速率明显高于“三段式”锁固岩桥,其声发射平静期与塑性变形阶段持续时间较短,但AE事件率及声发射能量释放更高,岩桥内部裂纹扩展活动更频繁；(3)“三段式”、“挡墙式”锁固岩桥整体频度-能级的关系分别可表示为 与 ,脆性破坏程度越剧烈,声发射b值(斜率)越小；(4)声发射b值的快速下降可作为岩桥脆性断裂的前兆信号。锁固岩桥的存在形式与赋存位置影响着裂隙岩体的脆性断裂倾向,研究所得可为端部开裂岩体突发脆性失稳提供理论依据及科学预测方法。     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,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,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

永川煤矿T3xj4砂岩声发射特性及Felicity效应研究

在单轴和循环加载条件下对永川煤矿砂岩损伤破坏全过程的声发射特性进行了系统研究,结果表明:砂岩声发射类型与MOGI-I相似,应力应变全过程曲线对应的Kaiser点、屈服点及峰值点处声发射信号明显;随着循环加载水平的增加,不同轴向应力和轴向应变阶段对应的Felicity效应比值越来越小,反映了岩石损伤程度的增加。     

金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究

针对金属矿山特有的地理地质条件,开展相应岩石声发射试验,确定矿区矿体围岩的时间序列特征,获得岩石破裂冒落声发射参数的危险临界值,并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有结构弱面的岩石试件进行比较试验,总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究,通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤,通过不同的模拟条件来研究岩石的破坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径.