不同岩石声发射活动特性的实验研究

应用声发射及其定位技术,对不同岩样破裂过程的声发射活动规律进行实验研究,借以揭示不同岩样的破裂失稳机理.实验结果表明:几种岩石的破坏模式相同,均发生劈裂破坏;在相同实验条件下,在初始加载时,5种岩样产生的声发射事件均比较少;随着载荷的增加,不同岩石的声发射活动表现并非一致,砂岩在整个加载过程产生的声发射事件数最少,而花岗岩产生的声发射事件数最多;砂岩和花岗岩(红色)其声发射事件变化率非常明显,在破坏前无任何征兆;由于声发射事件定位是时差定位法,岩样波速影响着声发射事件的定位,砂岩、大理岩(黑色)及花岗岩(红色)等岩样没有得到定位结果;而花岗岩与大理岩的声发射定位结果,直观反映了其内部裂纹初始、...     

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.     

典型岩石单轴压缩变形及声发射特性试验研究

声发射是岩石在受力变形和破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个直接参量.通过对某矿山矽卡岩、石英闪长岩、蛇纹岩和粉砂岩单轴应力-应变全过程变形特性和全过程声发射特征研究,并作了对应分析,结果表明岩石的变形速率与岩石声发射事件出现的频率有较好的对应性.     

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。     

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。     

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。     

单轴加载岩石损伤及声发射特性非均质效应的数值试验

为研究岩石非均质性对其力学特性的影响,运用岩石真实破裂过程分析软件RFPA2D,并采用岩石单轴常位移加载方式,分析不同均质度条件下岩石损伤演化模式和声发射特性.研究结果表明:均质度对岩石力学特性影响显著,随着岩石均质度的增高,岩石单轴加载损伤演化模式由延性向脆性过渡,宏观破裂弥散性降低,岩石峰值强度不断增大,当均质度大于30时,岩石峰值强度基本趋于稳定;岩石均质度较低时,单轴加载条件下岩石声发射体现出强度低、事件频率高的声发射特性,均质度增高时,岩石声发射强度也进一步提高,并且突变性增强.     

不同强度岩石的破坏过程及声发射数值模拟

采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷单轴平面应变压缩岩样破坏过程及声发射的影响;采用编写的若干FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数目.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.随着密实岩石强度参数的提高,从应力峰值到残余应力的应力降、轴向应变增量提高,贯通试样的剪切带出现滞后,试样内部最终发生破坏的单元数降低.对于密实岩石强度参数高的试样,缺陷全部发生破坏之后,密实岩石没有立即发生破坏;应力峰值被达到之后,破坏的单元数增长不大.在加载过程中,声发射数有显著增加的三个区段.区段1、2及区段3的绝大部分位于峰前.在区段3的峰前阶段,声发射数的增加源于缺陷的长大、聚结、传播和竞争.强度参数越高,区段3越长,区段3的峰值越低.这表明当密实岩石的强度参数较高时,密实岩石单元破坏相继发生,破坏过程持续得较长.     

岩石点荷载与单轴压缩全过程声发射数值模拟研究

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA对点荷载与单轴压缩下岩石破裂的全过程进行数值模拟,得到了两种不同加载方式下岩石破裂全过程力学特性和声发射特征。通过对比研究两种加载方式下载荷与加载步、声发射事件与加载步、声发射能量与加载步之间的关系,结果表明:岩石在弹性变形阶段的中后期,声发射事件与能量都在显著增加,接近峰值应力时,声发射进入相对平静的阶段;单轴压缩与点荷载两种不同加载方式下,岩石整个破坏过程的声发射规律与特征具有较好的一致性。     

石灰岩声发射频谱特性演化及破裂阶段识别

为获得石灰岩受压破裂阶段声发射识别信息,开展石灰岩单轴压缩声发射试验,获得加载全过程的声发射特征参数及其波形信息,首先结合石灰岩应力与累积能量走势的特征选取 5 个岩石加载破坏过程中的关键点。通过频谱分析与小波包分析,找到石灰岩声发射频谱特征变化规律,获得适合的破裂阶段识别信息;其次利用小波包分解所提取的频带能量占比训练 BP 神经网络,为岩石破裂阶段预警提供双 重保证。研究结果表明：主频值整体呈现先上升后下降的趋势,频谱宽度变化为 200 kHz-300 kHz-200 kHz,频率由单一低频转化为低高频并存后又恢复单一低频;低频高幅为频谱特征的一种主要形态存在;小波包分解将信号频率分为 8 个频段,可将 1、2 低频段之和小于 30%的信号作为特征点,进行岩石破裂预测;以该特征点为界将石灰岩声发射信号划分为两类,训练后的 BP 神经网络能够实现这两类信号的快速准确识别与分类,对于预测岩石破裂阶段有一定价值。     

冻融循环条件下砂岩物理力学劣化特性的实验研究

为研究冻融循环对岩石的物理力学性质劣化影响,选取砂岩为试样进行冻融循环实验、核磁共振实验和单轴压缩声发射实验。研究结果表明:当冻融循环达到30次数时,试样外观首先发生劣化;试样的孔隙率与冻融循环次数呈正相关,而束缚流体饱和度则呈负相关;冻融循环次数的增加会使得试样单轴压缩过程中声发射事件率的变化趋势发生改变、临近破坏时的低事件率缺失面积减小,且在30次时最小;声发射峰值能率随冻融循环次数的增加而减小,"平稳期"平均能率与峰值能率的比值不断增大,在30次冻融循环时达到最高。30次冻融循环可划定为冻融循环作用对岩石试样劣化的分界线。     

不同应力水平下红砂岩短时蠕变声发射特征

为认识岩石蠕变过程中的声发射特征,进行了短时蠕变声发射试验,研究了红砂岩在不同应力水平下的声发射特征.试验结果表明:在减速蠕变至等速蠕变过程中,声发射事件率与能率随时间的增大而减小,并且减小的幅度随着应力水平的增大而减小;当加载应力约为峰值应力的40%~60%时,声发射振幅随时间的增大而减小;当加载应力约为峰值应力的70%~80%时,声发射振幅保持相对稳定.在加速蠕变阶段,声发射振幅发生跃迁的频率显著增大,而声发射事件率与能率在加速蠕变的中后期开始增大.因此,可根据不同应力水平下的声发射特征,对红砂岩不同蠕变阶段进行辨别.     

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。     

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.     

循环载荷作用时不同实验条件下砂岩的声发射特征实验研究

通过循环载荷作用时不同位移速率、不同上限应力、不同下限应力以及不同水饱和度等实验条件下砂岩的声发射特性实验研究,探讨了循环载荷作用时不同实验条件下岩石的破坏损伤演化规律。研究结果表明,上限应力、下限应力、水饱和度等对岩石在承载过程中所发生的声发射事件数均有不同程度的影响,但位移速率对岩石在承载过程中所发生的声发射事件数的影响似乎不大。     

岩石破裂的微观过程与声发射

依据声发射测试原理,建立了微裂纹成核时声发射率与应力,晶粒直径、位错数目的定量表达式,表明晶粒大小对声发射有较强的控制作用。晶粒断裂时,声发射参数与单轴应力、断裂指数有关,即声发射与材料的性质及应力状态有关。对于有预制裂纹的试样,低脆性岩石声发射与裂纹尖端塑性区大小有关,指数b取决于材料的强度特性;高脆性岩石声发射主要受裂纹扩展速率控制。     

盐岩巴西劈裂破坏声发射时序特征

 利用RMT-150B 岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对盐岩巴西劈裂破坏过程中的变形与强度特征和声发射特征进行试验研究。试验结果表明：盐岩巴西劈裂破坏在峰值前的变形特征也存在类似单轴抗压试验的压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;在压密和弹性阶段声发射事件较少,能量较小,进入塑性阶段后,声发射振铃计数迅速增加,能量增大;当荷载超过承载能力后,试件突然劈裂破坏,残余应力迅速消失。试验表明,可通过观察振铃计数、累计计数和能量判定试件破坏的前兆,为工程实践提供借鉴和参考。     

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.      

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.     

复杂应力状态下岩石弹性波传播特性的研究

本文以探讨地下岩体处于三向不同应力状态下其内部弹性波的传播规律为目的,研究了两种不同致密程度的岩石(沙岩、灰岩),在单轴压力和三轴不同压力下,弹性波的传播特性和波速与应力的关系。结果表明,不同应力状态下岩石的弹性波速随应力的变化阶段与应变随应力的变化阶段大致相同,可分为三个变化阶段;对于处于弹性应力状态下的岩石,应力与弹性波速的关系可用不同的依赖系数线性表示。同时,对用弹性波法确定岩体地应力及水平构造应力进行了探讨。