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.     

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。     

红山窑风化红砂岩膨胀特性试验研究

对红山窑水利枢纽工程中的风化红砂岩进行膨胀特性试验研究.试验表明,不同风化程度的红砂岩随着含水率的逐渐加大、风化程度的加深,其自由膨胀率、有侧限自由膨胀率和膨胀力都逐渐增大,其中,强风化砂岩的膨胀率与膨胀力随含水率的变化而改变的幅度最大,并与上部荷载的大小密切相关.     

单轴压缩条件下消落带岩体应变及声发射特性研究*

为掌握消落带岩体在加载过程中其应力-应变和声发射特性,分析其变形破坏过程中各阶段的阈值,在单轴压缩、有CT断面扫描的辅助条件下,运用MST岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集处理系统,对消落带3个高程岩体进行试验测试。获得了岩石轴向应力与轴向应变、横向应变和体应变之间的关系特征曲线,以及加载过程中压密、启裂、损伤(破坏)各阶段的声发射信号数量、能量(振幅)等特征。两方法均可得到试件启裂、损伤阈值和峰值强度,但结果有一定差异性。通过两方法联合分析,可预判其岩体启裂强度和损伤强度分别为峰值强度的0.4倍左右和0.8倍左右。试验间接反映出消落带岩体改造强烈程度中部区域大于顶部和底部区域,与实际情况较一致。     

干湿循环脆性红砂岩的孔隙及声发射特征研究

为研究脆性红砂岩在干湿循环条件下,孔隙率变化情况、变形破坏特征以及声发射特征,进行了10次干湿循环试验。结果表明,最初的孔隙变化主要是小开孔隙过渡为大开孔隙,随循环进程小开孔隙呈小幅度波动,但大开孔隙呈对数增长;干燥、饱和的单轴抗压强度均呈对数降低趋势;而结合声发射特征曲线可以更合理地把脆性红砂岩单轴压缩过程划分为3个显著阶段:裂隙压密阶段、弹性变形阶段、宏观破坏阶段。随干湿循环次数的增多,因孔隙的逐渐扩大、增多,压密阶段的声发射事件有逐渐增多的趋势;累计计数的突变可以作为弹性变形阶段后岩石内部关键断裂初始扩展、贯通的依据;宏观破坏阶段声发射累计计数占比随循环次数有降低趋势,脆性红砂岩低次干湿循环的变形破坏高度集中在宏观破坏阶段,随着循环次数的增加,孔隙的增大、增多,变形破坏有提前发生的趋势,大量声发射活动逐渐提前,且破坏形式有脆性破坏向延性破坏的过渡趋势。     

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

为探究类岩石材料与天然岩石在荷载过程中力学特性与破裂演化的异同之处,利用岩石压力试验机与全波形声发射监测系统,研究了石灰岩、砂岩与类岩石在单轴压缩条件下的力学特征及声发射特性。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。该研究成果为岩石工程中区分岩石与类岩石材料破坏特征提供一定理论依据。     

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。     

单轴压缩下炭质板岩的应变速率效应及声发射特性

为了探究应变速率对炭质板岩单轴力学特性和声发射特征的影响,开展了4组不同准静态应变速率（8.50×10^-6s^-1、1.70×10^-5s^-1、1.70×10^-4s^-1和3.34×10^-4s^-1）下的单轴压缩试验,并同时监测了加载过程的声发射信号。基于试验数据,总结分析了应变速率对炭质板岩应力-应变关系、能量耗散及声发射特征的影响规律,探讨了应变速率的影响机制。同时,基于加载过程中耗散能密度的演变规律,提出了将耗散能曲线平直段起点作为炭质板岩闭合应力σ_cc、平直段终点作为扩容应力σ_cd的特征应力确定方法。结果表明：在准静态应变速率范围内,炭质板岩的弹性模量和峰值强度随应变速率的增大均先增大后减小,在应变速率1.7×10^-4s^-1时达到最大值;闭合应力、起裂应力和扩容应力与峰值应力的比值基本在0.37、0.55和0.74左右,不随应变速率发生变化;应变速率对声发射信号影响显著,随应变速率增加,0~50kHz内的主频率占比逐渐增加,而100~250kHz内的主频率占比逐渐减小,炭质板岩的破坏形式逐渐由张拉破坏变为剪切破坏。     

三轴压缩下含瓦斯煤样破坏过程的声发射特性

为找到含瓦斯煤样破坏过程与声发射特性之间的关系,以曾经发生过煤与瓦斯突出事故且依然存在突出危险的煤样为研究对象,对其在饱和瓦斯、不同瓦斯压力和不同围压作用下的声发射特性进行研究。结果表明：含饱和瓦斯煤样随着破坏程度的加剧声发射事件振幅增多且增大,声发射事件撞击数呈增长趋势,声发射事件能量增加;随着瓦斯压力的增加,煤样破坏过程中的AE事件的幅值减小、AE事件撞击的总数减少、AE事件的平均能量降低;随着围压的增加,AE事件的幅值呈现减小、能量呈现上升、撞击数呈减少的趋势。该结论可以为预测煤与瓦斯突出提供参考。     

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.     

煤岩单轴压缩声发射试验分形特征分析

针对有效预测煤岩破裂引起的动力灾害的难题,运用分形理论建立了声发射参数分形维数计算模型,对冲击倾向性煤岩单轴压缩声发射试验信号分形特征进行了研究. 结果表明:随试件的加载进程,声发射能量计盒维数逐步上升,破坏前上升到最高;关联维数降低,试件破坏前下降到最低;Gauss Amp方程能较好地描述煤岩在单轴压缩荷载作用下声发射能量关联维数随荷载的变化规律;可将声发射能量关联维数的持续降低作为煤岩失稳破坏的前兆.      

单轴压缩下煤体声发射特征及损伤演化过程分析

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,是脆性材料因外力受损在其内部以弹性波快速释放出来的应变能,因应力分布不均匀所导致的由不稳定高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程,其活动性反映了煤微观破坏的活动性.通过声发射振铃计数率和能量计数率的特征研究了煤岩在各阶段的损伤演化过程,确定了煤损伤各个阶段的损伤临界值.     

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.      

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

土无侧限抗压试验中的声发射特性研究

声发射检测技术因其无损、实时等优点已成为一种重要的无损检测与评价手段,但其在建筑工程领域尤其是岩土工程领域中的应用研究较少。将声发射技术应用于土的无侧限抗压试验,运用历经图和关联图的分析方法,研究土体受压过程中振铃计数、能量、持续时间、幅度这4个声发射特征参数的变化规律。试验结果表明,声发射技术可应用于土的无侧限抗压试验,声发射特征参数对土体受压过程中的应力的变化过程有很高的敏感度。     

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.     

高强自密实再生块体混凝土单轴受压声发射特性

为研究高强自密实再生块体混凝土单轴受压声发射特性,对取代率分别为0%,10%,20%的立方体混凝土试块进行轴心受压试验.将受压破坏过程分为4个阶段,引入活跃系数对能量进行分析,并通过b值-能量分析判断裂纹的开展程度和试块的损伤情况.结果表明:随着取代率的提高,峰值应力前声发射活动强度显著增加,能量越早出现爆炸性增长;活跃系数随应力进程先升高后降低,活跃系数可作为混凝土是否适合继续服役的判断标准;通过b值-能量分析能够准确地判断裂纹的开展程度和试块的损伤情况.     

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.