高温养护条件下早龄期煤矸石混凝土单轴压缩声发射特性试验研究

为研究一种煤矸石充填混凝土在高温养护条件下早龄期的力学性能,对该煤矸石混凝土在高温50℃下分别养护1 d、3 d、7 d进行单轴压缩试验。采集单轴压缩全过程中的力学参数和声发射参数;并与常温20℃养护的情况进行对比。研究了该煤矸石混凝土在不同加载阶段的声发射特性。研究表明:高温(50℃)养护条件有利于煤矸石混凝土早期强度的提高,而且这种煤矸石混凝土的早期强度满足设计要求。在单轴压缩过程中,煤矸石混凝土声发射振铃计数的峰值出现在应力峰值的附近;这一现象可以作为煤矸石混凝土破坏失稳的预兆。声发射累计振铃计数和累计能量计数随时间变化趋势一致,声发射累计参量从缓慢增长到快速增长的现象可作为预测煤矸石混凝土加速损伤,临近失稳破坏的前兆信息。与常温养护条件相比,高温养护条件下的煤矸石混凝土声发射活动更强,利用声发射可以更有效地监测高温情况下煤矸石混凝土的破坏。     

北山花岗岩热-力耦合力学特性及损伤本构模型研究

为了研究北山花岗岩在热-力耦合作用下的力学特性,进行了实时高温状态下北山花岗岩的单轴压缩及声发射试验,得到了能量计数率和能量累计数参数与应力-应变关系曲线;提出了由声发射量表征的力损伤变量和由弹性模量表征的热损伤变量,然后根据这两个损伤变量建立了北山花岗岩热-力耦合损伤本构模型。研究表明:北山花岗岩声发射曲线与应力-应变曲线吻合得较好,主要分为平静段、上升段、峰值段3个阶段,声发射信号都较为集中在应力-应变曲线突变点,表征了岩石内部能量的释放和损伤的产生;热-力耦合损伤本构模型理论曲线与试验曲线变化规律较为一致,理论曲线较好地反映了实时高温状态下花岗岩由脆性向塑形的转化过程。     

贺兰山岩画典型病害损伤的声发射演化特征研究

裂(隙)纹是宁夏贺兰山岩画表面完整性严重破坏的典型病害问题.本研究基于声发射原理,利用单轴压缩试验模拟岩画载体材料岩石所受荷载,分析岩画载体材料强度破坏模式,获取声发射信号特征,探究AE时空演变规律,建立基于声发射累计振铃计数的损伤演化模型.研究结果表明：岩石破坏呈现“圆锥形”,其损伤发展主要经历原生裂纹闭合、次生裂纹发育以及裂纹贯穿破坏3个演化历程;损伤演化模型的力学和物理意义明确.声发射特征与变形特征紧密相关,能够表征岩石内部损伤过程,可以用来判断岩样岩石内部(微)裂纹状态,为石质文物载体材料裂纹扩展至破裂失稳这一热点和难点问题提供解决思路.     

含瓦斯煤破裂过程声发射时空演化规律

 利用MTS815岩石力学试验系统和气体渗透试验系统,开展了不同瓦斯压力下含瓦斯原煤煤样的3轴压缩声发射试验,研究了含瓦斯煤破裂过程中声发射时空演化规律。试验结果表明,煤样内的声发射定位点随载荷增加逐渐密集且主要分布在主裂纹面附近;随着载荷增加,单位载荷区间的声发射振铃数经历了初期的沉寂期、中期的低水平稳定期、峰值前的快速发展期和峰后的高水平稳定期,与煤样累计声发射振铃数变化特征类似;瓦斯压力增加增强了损伤前煤样的声发射活动,减小了煤样的初始损伤应力,促进了煤样的损伤发展。     

煤岩三轴压缩损伤破坏声发射特征

在对MTS815岩石伺服试验系统通讯传输接口进行改造的基础上,实现了将检波器置于三轴室内的三轴压缩声发射试验,克服了检波器置于三轴室外壁无法监测到全面可靠声发射信号的弊端.煤岩三轴压缩声发射试验结果表明,与单轴压缩相比,围压增强了煤岩的整体性及刚度,使压密阶段声发射活动明显减弱.声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于煤岩宏观破坏时刻,说明围压不但提高了其峰值强度,而且由于围压使煤岩内部裂隙的错动滑移受到抑制,提高了其峰后承载能力.振幅反映声发射的强度,三轴压缩条件下,轴向加载初期声发射振幅较小,宏观破裂前后出现大量高振幅声发射事件,残余塑性阶段仍然有较多振幅较大的声发射事件产生.声发射撞击计数率表征裂纹扩展的次数及速率,三轴压缩声发射撞击计数试验结果表明,弹塑性阶段是煤岩裂隙萌生扩展的主要阶段.岩石三轴压缩破坏声发射特征对于深刻理解矿山井下岩体破坏机理及采用微震监测技术预防相关动力灾害事故具有重要的理论及实际指导意义.     

混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及机理

试验模拟干湿循环作用下混凝土受10%(质量分数)硫酸钠溶液侵蚀的腐蚀环境,测试和分析硫酸盐不同侵蚀时期混凝土单轴压缩试验时波速和声发射的变化特征。采用环境扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合X射线衍射测试手段分析受蚀混凝土的损伤机理。结果表明：受侵蚀60 d和80 d的试件加载初期会有较明显的压密阶段,试件受硫酸盐侵蚀和干湿循环作用愈久,加载中波速急剧下降的突变点愈提前;受蚀40 d以上的试件加载中声发射事件活跃区间较集中,在腐蚀产生的缺陷和薄弱位置容易出现应力集中和能量集中释放,声发射事件数量急剧上升的突变点提前。通过数学模型以声发射累积振铃计数为损伤变量建立损伤模型可以表征混凝土中环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系。腐蚀阶段钙矾石与石膏的膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破损,受蚀混凝土表现出不同宏观性能。     

基于MTS-AE单轴压缩下的煤岩损伤特征

基于MTS-AE单轴压缩条件下,对煤岩损伤、变形与破裂过程进行了测试;运用损伤变量理论,分析单轴压条件下煤样损伤破裂阶段的声发射能量-应力/应变参数与损伤变量之间的内在联系与特征规律。研究结果可对现场安全开采提供一定的理论指导。     

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。     

混凝土材料声发射参数与力学参数及其损伤程度的关系

根据声发射数和应力水平关系,进一步分析推导出了声发射概率密度的函数表达式,并通过对混凝土进行单轴压缩室内声发射试验研究,应用声发射概率密度函数分析比较了材料在不同应力水平下的破坏程度.通过引入损伤变量新算法即损伤变量大小为声发射概率曲线下方包围面积大小,在以声发射数为中间变量的基础上推导出近似梯形积分公式,直接建立起损伤变量与声发射数之间的函数关系;并通过对各试验曲线拟合得出损伤变量和声发射数之间满足线性关系.     

青藏高原片麻岩宏微观冻融损伤特性试验研究

为研究青藏高原等高寒山区岩体在冻融循环作用下的损伤特性,对西藏林芝地区分布广泛的片麻岩开展了不同循环次数下的冻融试验：通过扫描电镜与核磁共振试验,分析了岩样微观孔隙结构的扩展发育特征;采用单轴压缩试验结合声发射技术,获得了岩样宏观力学特性的劣化规律。结果表明：片麻岩微观结构的冻融损伤主要表现为颗粒剥落与微裂纹扩展两种模式,且同一位置处的损伤程度随冻融循环次数的增加先增强后减弱;片麻岩的孔隙度随冻融循环次数的增加而增大,但不同孔径孔隙的变化规律表现出一定的差异性;冻融损伤片麻岩在单轴压缩试验中的声发射活动均可以分为平静期、增长期与陡增期三个阶段,各阶段的声发射信号密度随冻融循环次数的增加而变大,但累计振铃计数和累计能量随着冻融循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势;片麻岩试件表面颗粒大面积脱落的阶段与其抗压强度明显降低的阶段相对应。     

热损伤大理岩波动特征及声发射特性试验研究

对常温至800℃热作用后大理岩波动特征及单轴压缩过程中的声发射特性和损伤演化进行研究，结果表明：高温后大理岩体积变大，质量与密度减小，600℃是质量与密度变化的阈值温度；随温度升高，峰值应力和弹性模量先增大后减小，峰值应变单调增加，纵波与横波波速呈线性下降，频谱面积、主频幅值和振幅下降，但下降速率逐渐减小；声发射振铃计数与应力-应变曲线有较好的对应关系，能够反映大理岩不同阶段的损伤演化规律；高温使大理岩由突发性破坏向渐进性破坏发展，破坏模式由剪切破坏向劈裂破坏转变.     

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.     

类岩石材料声发射参数与应力和应变耦合本构关系

利用液压伺服试验系统和声波监测仪开展了岩石和混凝土材料声发射特性试验研究,并在试验基础上研究了损伤变量与声发射参数之间的量化关系.结果表明,损伤变量与声发射参数呈线性关系.采用基于Weibull分布的损伤本构模型及损伤变量与声发射数间的经验公式,推导出应力、应变参量与声发射数参量的耦合模型,该模型参数可以根据应力--应变全曲线及损伤变量与声发射数关系曲线的几何边界条件确定其表达式,方式简单适用.通过与岩石和混凝土试样单轴压缩试验实测结果对比,证实模型可以很好地反映单轴受压状态下岩石和混凝土的应力、应变与声发射数的耦合关系.     

基于DIC类岩石材料损伤演化研究

本文研究了一种新型的类岩石材料的配比,同时在采用了新的散斑制作技术能够更精确更方便地制作更好的散斑。进一步通过室内模型试验,利用三维数字图像相关方法(3D-DIC)的研究手段,观测不同倾角预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的裂纹扩展及岩体细观损伤演化过程,得到预制单裂纹类岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变。提出了一种基于散斑数量变化的散斑损伤变量来量化岩石的损伤。结果表明:裂纹倾角是影响预制单裂纹的岩石起裂应力、抗压强度等力学特性的重要参数;散斑损伤变量能很好地对应变场的损伤演化,且岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律;所以利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。     

矿岩复合体加载损伤破坏的三维定位及表征

采用声发射(AE)信号分析仪,针对由不同强度矿岩组成的复合体以及胶结充填体/围岩复合体进行轴向载荷作用下的声发射监测。根据AE点分布、振铃计数、AE能量值变化来定位复合体的内部损伤破坏,并对复合体内部损伤引起的表壁裂纹扩展特征应用分形理论进行评估,同时借助软塑料薄片对复合体各部分的接触区域进行损伤破坏表征。研究结果表明,在加载初期,复合体中AE点较少,即将发生破坏时AE点剧增,同时复合体内部的AE点集中区域存在较大的宏观可见的破坏裂纹;软塑料薄片的破坏情况较准确地表征了不同强度介质接触面相互作用下的损伤特征;对表壁裂纹的分析有助于形成全面的复合体内部损伤破坏评估体系。     

木基复合材料破坏过程中声发射特性的研究

利用声发射监测系统获取了胶合板和贴面刨花板两种木基复合材料三点弯曲加载状态下断裂损伤的声发射信号。利用累计能量和振铃总计数两项声发射信号特征参量分析了胶合板和贴面刨花板损伤破坏过程及其特点;利用幅值和有效电压（RMS）研究了随挠度增大胶合板和贴面刨花板内部裂纹产生、扩展、宏观裂纹形成至断裂的过程。结果表明:声发射信号的幅值、有效电压、累计能量、振铃总计数等参量可以有效表征木基复合材料内部损伤演化过程;贴面刨花板的断裂损伤发生早于胶合板,且贴面刨花板的损伤演化过程分为线弹性阶段和断裂韧性阶段,胶合板分为线弹性阶段、非线性变形阶段和断裂韧性阶段。     

水泥基材料损伤自诊断机理声发射研究

采用声发射与电阻技术对碳纤维混水泥基材料土在单轴受压和三点弯曲负荷下内部损伤进行了监测 .研究表明 ,在三点弯曲负荷下 ,碳纤维混凝土的荷载 -挠度曲线与试件的电阻和声发射事件数存在良好的对应关系 .对于碳纤维水泥基复合材料 ,其导电率主要依赖分散于水泥基体中相互搭接的碳纤维的渗流网络 .材料内部的损伤引起相互搭接的渗流网络破坏 ,而致使材料电阻增大 .因此 ,在整个加载过程中 ,体系的电阻反映了材料内部的损伤 .另一方面 ,通过声发射信号的分析 ,可以鉴定材料内部损伤的机理 .     

基于声发射速率过程理论的钢绞线损伤演化试验研究

为了实现钢绞线损伤的实时量化评价,基于速率过程理论建立了钢绞线的损伤演化与声发射信号特征参数的相关方程.采用声发射技术对钢绞线的拉伸过程进行了动态监测,在此基础上采用多项式模型推导了钢绞线的声发射事件概率密度函数和损伤演化方程.试验结果表明:钢绞线弹性阶段的声发射信号主要来源于钢丝之间的摩擦,而塑性阶段的信号则来源于钢绞线材料的塑性变形,钢绞线声发射累积计数曲线与加载曲线具有同步变化关系,声发射累积计数曲线较好地描述了钢绞线材料内部损伤发生及发展变化的全过程.分析结果验证了采用速率过程理论建立的损伤演化方程对钢绞线损伤进行量化评价的有效性和准确性.     

不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究

为研究不同煤岩组合体力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件,对不同围压和不同组合倾角条件下的泥岩煤组合体,粉砂岩煤组合体及石灰岩煤组合体进行了模拟。结果表明,单轴压缩时不同煤岩组合体应力应变曲线相似,其峰值强度均接近煤体的单轴抗压强度;煤岩体强度随着组合体间倾角的增大而减小,煤岩体中岩体的强度越高,煤岩体越早出现强度的迅速衰减;煤岩组合体的内摩擦角随着组合体倾角的增大而减小,而内聚力随着倾角增大先增大后减小;随着围压的升高,煤岩组合体的声发射振铃计数最大值经历了一个先减后增的过程,组合体中岩石强度越高,声发射最大振铃计数值越高。     

冲击荷载下煤岩损伤演化规律

冲击荷载下煤岩损伤演化规律的认识对动力学灾害防控至关重要。为了得到煤岩在冲击荷载下的损伤演化特征,通过开展冲击试验,运用超声波检测装置和声发射仪器分别测量冲击前后煤样的波速变化与冲击过程的声发射特征,用波速和声发射的变化反映煤样内部损伤特征。结果表明:冲击荷载的作用次数、单次冲击能量的大小和施加顺序均会对煤样内部损伤演化造成影响;煤样内部损伤随冲击次数增加呈幂函数增长,与单次冲击能量呈线性增长;冲击能量由大到小进行施加更容易使煤样发生破坏。煤样内部损伤变化越剧烈,声发射信号特征越明显。用波速表征的煤样内部损伤变化与声发射在每个阶段监测到的事件数和能率变化有较好的一致性。这为矿井开采动力灾害预报与控制提供了科学依据。