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.     

刀具压入破岩声发射分形特征实验

选用一字型刀具对花岗岩进行静力破碎实验,采用AEwin-USB型声发射信号采集系统采集声发射信号,应用分形理论分析不同加载速率下声发射分形特性.结果表明,随着加载速率的增加,刀具破岩程度愈显剧烈,且伴随着的声发射信号更强;声发射振铃计数率、能量率曲线能够很好描述刀具破岩过程;刀具破岩过程中声发射参数序列具有分形特征,且分形维数随加载速率的增大而逐渐减小;声发射分形维数随时间变化规律很好地反映了刀具破岩是一个降维有序、耗散结构的过程;刀具破岩声发射序列分维曲线呈一个波动上升→持续降低直到最低的变化规律,可以将分形维数持续降低作为岩石破坏失稳的前兆依据.     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。     

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。     

基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80～170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义.     

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.     

基于声发射监测的巴西盘试样破裂过程

应用声发射及盖格尔定位算法,实验研究了不同巴西盘岩样加载破裂失稳过程.结果表明:声发射事件主要由于裂纹扩展产生,在初始加载阶段直至裂纹萌生之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在相应的应力点声发射事件明显增多;在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间,声发射活动变得异常活跃,声发射事件变化率最大.由此直观反映了巴西盘试验过程初始裂纹的产生、扩展空间位置及扩展方向,即大部分试样的破坏是从一加载端开始,而少数试样的初始裂纹是在岩样的内部产生.同时,声发射事件定位也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现,这对于深入研究岩石破裂失稳机制很有意义.     

不同岩石声发射定位算法及其实验研究

应用声发射定位技术实验研究了不同加载方式下不同岩石(花岗岩、砂岩)破裂过程中内部裂纹扩展的三维空间演化过程;对Geiger定位算法和单纯形定位算法的定位原理进行了分析,并对两种定位算法的定位精度进行了探讨.研究表明:声发射定位事件直观反映了裂纹萌生、扩展的动态演化过程,声发射事件的定位结果与岩石试样的实际破坏模式非常吻合;单纯形算法的定位精度要高于Geiger算法,但定位的声发射事件数少于Geiger算法.在基于声发射定位技术对岩石失稳破裂过程进行研究时,可根据具体情况选用定位方法,也可通过两种或多种定位算法的对比分析来获得更精确的定位结果.     

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。     

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。     

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。     

均质度对脆岩压缩破坏及裂纹扩展的影响规律

为研究均质度对脆性岩石单轴压缩力学特性、破裂特征及裂纹扩展的影响规律,应用离散元UDEC软件建立了Voronoi块体集数值试件,借助FISH语言及Weibull分布函数实现了块体弹性模量及块体接触面抗拉强度的非均匀分布,开展了不同均质度系数下脆性花岗岩的单轴压缩模拟试验.结果表明:试件的抗压强度、弹性模量均随均质度系数增大而增大,而破坏前变形量则随均质度系数增大而减小,并都趋于稳定;试件宏观破裂形态呈X形共轭斜面剪破坏,细观破坏类型包括晶粒间及晶粒内部的拉、剪破坏;应力峰值前试件以拉破坏裂纹扩展为主,峰值后以剪破坏裂纹扩展为主;均质度系数越小,裂纹扩展及分布越分散,裂纹累计长度也越小,但在轴向应变小于0.2%时,拉破坏裂纹长度与均质度系数变化成反比,说明非均质程度较高的试件在压缩初期已开始出现拉破坏裂纹的扩展;此外,均质度系数为6.0的试件与均质试件的力学特性及裂纹扩展已较为接近,故在采用Weibull分布来描述岩石的非均质性时,均质度系数的取值不应过大.     

西藏亚勒-雄勒断裂带侵入岩体地球化学特征及构造成因

亚勒—雄勒断裂带是冈底斯板块与羌塘板块的分界断裂带 ,是班公湖—怒江断裂带中段的组成部分。对断裂带侵入岩岩体的岩石类型、岩石化学特征、岩石地球化学特征的研究表明 ,侵入岩石主要为闪长岩、石英闪长岩、角闪石闪长岩和花岗岩 ,属钙碱性岩石系列 ,具“Ⅰ”型花岗岩特征。其形成是由于在冈底斯板块与羌塘板块碰撞过程中 ,地壳物质发生熔融而沿断裂带侵入所致 ,为燕山晚期产物     

开放性裂隙岩石三轴加载破坏前兆信息

含节理的岩质边坡开挖卸荷时易发生突发性失稳破坏,对含不同岩桥长度的花岗岩试件开展三轴加载试验,运用红外热像仪全程采集,引入温度特征粗糙度,研究含节理岩石试件三轴加载过程中临空面上平均温度变化和温度特征粗糙度变化特征,将温度特征粗糙度与声发射振铃计数率和应力应变曲线对比分析.研究表明:温度特征粗糙度在试件破坏前夕出现突跳现象,而此时平均温度无任何异常表现,温度特征粗糙度前兆性优于平均温度;温度特征粗糙度与声发射振铃计数率和应力应变曲线三者阶段性较为一致,温度特征粗糙度突跳现象均略提前于声发射振铃计数率陡增和应力应变曲线下降;不同岩桥长度试件的温度特征粗糙度变化特征较为一致,以此作为研究指标受节理长度影响较小.研究结果可为节理岩质边坡开挖卸荷防治提供理论参考.     

盾构刀具破岩过程及其切削特性

采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性.研究结果表明;岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据.     

静压侵入作用下的岩石声发射

本文研究了压头侵入作用下大理岩的声发射。测试结果表明,在压入破岩过程的加载阶段,反映岩石内部微破裂的声发射活动性一般少而低,只有当压头周围产生微小片裂时,才偶发性地出现声发射的小波峰。侵入力一旦达到峰值,岩石内表面附近形成水平裂纹,岩石承受的载荷下降,声发射率(AER)随之发生急剧变化。水平裂纹的快速扩展,最终导致表面片裂。随后,声发射平息。侵入载荷重新增大,声发射活动性依然平静,于是开始下一循环的压入破岩过程。这种现象在各种压头侵入大理岩试验中均被观测到。     

关于岩石的动静态侵入断裂

对岩石、玻璃和陶瓷等脆性材料的动静态侵入断裂实验及理论研究现状进行了总结和评述。以实验结果为依据,描述了岩石在动静态侵入载荷作用下所产生的裂纹类型及其形成与扩展过程;讨论了用半经验,半理论方法建立的裂纹长度与侵入载荷(或压头冲击速度)之间的关系。最后指出了上述研究结果在岩石力学参数测定及凿岩机具设计与研制中的一些应用。     

西藏亚勒—雄勒断裂带侵入岩体地球化学特征及构造成因

亚勒－雄勒断裂带是冈底斯板块与羌塘板块的分界断裂带，是班公湖－怒江断裂带中段的组成部分。对断裂带侵入岩岩体的岩石类型、岩石化学特征、岩石地球化学特征的研究表明，侵入岩石主要为闪长岩、石英闪长岩、角闪石闪长岩和花岗岩，属钙碱性岩石系列，具“I”型花岗岩特征。其形成是由于在冈底斯板块与羌塘板块碰撞过程中，地壳物质发生熔融而沿断裂带侵入所致，为燕山晚期产物。     

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.     

脆性岩石应力-应变全过程声学特征演化规律

采用岩石加载系统获得脆性花岗岩单轴压缩全应力-应变曲线,同步测试声发射(AE)和超声波变化,研究应力-应变全过程AE特征、声波波速、波速各向异性及透射波频谱特征随岩石破裂的变化规律,并结合宏观变形和声学特征综合分析花岗岩破裂过程。研究结果表明:破裂全过程AE频谱表现出双峰值或多峰值特征,主频及振幅先增后减;起裂应力附近AE主频快速增大,损伤应力后高频大幅值AE信号数量快速增多,对应中尺度裂纹扩展,同时AE频带宽度增大,峰值应力附近低频大幅值AE急剧释放对应大尺度破裂发生;波速先增后减,波速各向异性逐渐增大,峰后段波速降低幅度超过40%;透射波频谱振幅和主频随着微裂纹的压密闭合而逐渐增大,并伴随裂纹的萌生扩展逐渐减小,且频谱幅值变化比波速和频谱主频的大;大幅值AE震源在峰值应力附近局部聚集成核;AE数量显著增加早于波速下降及宏观扩容发生,AE事件对裂纹萌生、扩展的敏感性比波速和宏观变形的大,但峰后卸载段宏观变形对裂纹扩展的响应比AE事件对裂纹扩展的响应大,这与峰后破坏模式相关。