单轴压缩下土体声发射参数与力学参数关系研究

为探讨土体在单轴无侧限压缩下的声发射能量累计数与应变、应力、损伤变量之间的关系,利用美国物理声学公司(PAC)的Sensor High-wayⅡ全天候结构健康检测(SHM)系统和AEwin信号采集与分析一体化软件对不同含水率的试件进行实验。分析了不同含水率试件各阶段的声发射参数、应力分布规律,并从时间角度出发,根据土体声发射能量累计数与时间、应变与时间的拟合关系,构建出土体无侧限单轴压缩下能量累计数与应变的关系模型;基于威布尔分布及连续损伤力学的本构方程,进一步推出声发射能量累计数与应力、损伤变量耦合的声发射损伤模型。通过实验数据对建立的本构模型进行对比验证,总体吻合度较好,能为研究土体损伤的提供理论上支持。     

钢制试件拉伸断裂及疲劳开裂声发射特征分析

设计钢制试件拉伸断裂和疲劳开裂两种损伤过程的声发射监测试验,对采集到的声发射信号进行参数分析,结合红外热成像检测结果,研究声发射信号特征参数与试验过程中试件力学行为之间的相关性.研究结果表明:拉伸断裂和疲劳开裂过程中试件声发射信号的能量、振铃计数、幅值等声发射信号特征参数能够很好地表征试件损伤过程的力学性能演化规律;试件出现损伤时所发出的声发射信号能量幅值主要分布在65～80 dB;声发射技术用于工程结构的健康监测是可行和有效的.     

矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征

为研究巷柱式残采区不同承载能力煤柱旁矸石胶结充填体(GCPB)在单一荷载作用下的损伤演化规律,通过监测单轴压缩(UCS)过程中声发射响应特征、充填体前后超声波波速变化及采用扫描电镜(SEM)观测试样加载后的损伤裂纹断口微观形貌,研究了损伤裂纹由微观到宏观的能量演化规律及裂纹扩展机制。结果表明：胶结充填体强度随PC掺量的增大而增大,完整试样的波速均大于破坏后的波速;压密阶段的声发射事件率可作为判定充填体密实胶结的依据,建立了基于声发射事件数的损伤变量D和基于事件点的空间单键群架构,损伤变量D和单键群架构子集尺度Ω呈现明显的负相关;通过对比分析,主裂纹损伤阈值能量随PC掺量的增大而增大,分别为35,50,60,150 ms·mV,GCPB试件由脆性破坏向延性破坏转变;GCPB裂纹演化主要由3种不同的裂纹形核引起。以上可为充填体在矿井充填设计中提供依据。     

基于声发射的层状复合岩石损伤演化规律实验研究

为了研究层状复合岩石内部微观裂隙的损伤情况,采用单轴压缩试验,结合声发射分析仪对试件内部破坏过程进行实时监测,分析岩石的破坏过程、声发射的参数等力学特性。研究结果表明:层状复合岩石的破坏特征不是单一岩石破坏特征的直接相加,而是在荷载作用下耦合破坏的结果。强度高的硬岩可以约束强度低的软岩发生横向变形,而强度低的软岩对强度高的硬岩的横向变形具有推动作用;声发射的能量计数与复合岩石内部裂纹的压密、扩展、贯通过程有紧密联系,可以评估岩石内部的损伤程度;根据累计能量建立的损伤演化方程,其拟合数据与试验数据吻合较好,实现了用声发射能量计数反应层状复合岩石的损伤演化规律,为层状复合岩石的损伤研究提供了参考。     

砂岩单轴循环加卸载过程中声发射信号特征与时空演化规律

为深入研究循环荷载作用下岩石内部微裂纹萌生、发展及贯通的时空演化规律,以砂岩为研究对象,开展了砂岩在单轴循环加卸载下的声发射试验。结果表明:借助不同方向的波速测试,可获得声波在岩石中的传播速度,为声发射定位提供合理的波速参数;通过合理布置传感器的位置,可准确定位破裂面的空间位置;加卸载过程中声发射事件数和能量呈现台阶状上升,表明声发射具有记忆效应;通过声发射事件空间定位与破坏岩样的对比,验证了两者的位置基本一致,表明声发射可有效获得岩石内部微裂纹发展的全过程。     

梯度加载下岩爆试验的声发射特性

为了研究岩爆过程中声发射特性参数与岩爆破坏的关系,通过自主研发的岩爆模型试验装置,对大尺寸(1 000mm×600mm×400mm)试件进行岩爆模型试验。采用声发射监测装置,获取了不同加载梯度下岩爆模型试验过程中的声发射监测数据。结果表明:梯度加载过程中,试件的声发射事件数及能量在不同加载时刻有所不同,表现为极大的梯度变化;加载初期,声发射信号极少,岩爆瞬间突变增大,试件集聚的能量越大,更易发生瞬间强烈的岩爆现象;声发射定位点能够反映试件内部裂纹的动态演化过程,梯度加载过程中,声发射定位点的分布及数量能够直观展现岩爆破坏的程度。     

基于声发射活动参数的岩石破裂过程应力阈值确定

在实验室应用声发射监测系统,对25块花岗岩样进行单轴压缩实验.通过连续实时监测花岗岩样破裂全过程中事件率、累计能量、能率、持续时间和振幅等声发射源特征参数的变化规律,获得岩样破裂过程各加载阶段的应力阈值.将岩石试件破裂全过程中各个阶段的应力阈值与峰值强度进行比较,并与以往实验结果对比,发现岩石变形特性和裂纹演化规律具有统一性.     

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。     

循环载荷下干燥及饱和砂岩的变形及声发射特征

对取自陕西榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥和饱和试件进行单轴循环加卸载试验及声发射监测,分析了不同含水状态岩石的强度以及变形特征、声发射特征和加卸载响应比变化情况.结果表明,水对上述性质具有显著影响:饱和试件强度和滞回环数量均低于干燥试件,压密阶段轴向应变比干燥试件增加18.9%,峰值强度前轴向应变比干燥试件降低17.4%,干燥和饱和试件在循环加载过程中弹性模量均有增大趋势;干燥试件在整个加卸载过程中声发射能量累积为3.87×10-11J,饱和试件声发射能量累积为2.58×10-11J,仅为干燥试件的66.67%;干燥和饱和试件的加卸载响应比呈现类似的变化规律,但饱和试件的加卸载响应比峰值特征时间比干燥试件短,宏观裂纹形成得更早.     

双轴加载下大尺寸岩石裂隙演化规律试验

为准确掌握深部岩体的破裂过程中失稳机制,对大尺寸试样进行了不同加载速率下的双轴加载试验,分析了试件破裂过程中裂隙演化规律和声发射行为特征.在大量试验的基础上,选取了由425硅酸盐水泥、砂子(粒径≤2 mm)、石膏、高效减水剂和水组成的砂浆材料,确定了各组分的最优配比.借助岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和PCI-2声发射监测系统,分析了不同加载速率对大尺寸试样裂隙演化的影响规律和破裂的声发射行为特征.结果表明:加载速率越大,大尺寸试样越容易产生反翼裂隙,发生突变性剪切破坏,而不同加载速率下试样破裂的声发射行为特征基本相似,当加载到90%σc时,声发射事件累计数瞬时增多,表现为裂隙的瞬时扩展贯通,导致试样最终破裂.     

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.     

三山岛金矿深埋蚀变硬岩真三轴压缩下的力学性质

以深部三种不同的蚀变岩为研究对象，利用真三轴加载系统和声发射监测系统，对岩样进行加载试验和声发射监测试验，对三种蚀变岩的变形、强度、破裂演化过程及微观破坏机制进行分析.试验结果表明:受动力变质作用和蚀变作用影响，三种蚀变岩的力学性质有较大差异.蚀变后产生方解石含量高的岩样脆性大，破坏过程最剧烈，弹性能释放最快;遭受严重动力变质作用和发生碳酸盐化蚀变都会降低蚀变岩的强度，且其抵抗和容纳变形的能力较弱，岩石容易破坏;蚀变产物中白云石含量高会导致蚀变岩主裂纹扩展方向发生偏转.     

不同初始孔隙率混凝土的声发射试验及损伤分形特征分析

为探索混凝土声发射信号特征参数与其损伤的演化关系,对单轴多级循环加载条件下的不同初始孔隙率混凝土试件进行了声发射试验.引入活跃系数对声发射现象发生的活跃程度进行表述,提出基于声发射能量评价混凝土服役状态的方法,分形理论分析了混凝土破坏过程中声发射能量分形维数（关联维数）的演化特征.结果表明:不同初始孔隙率混凝土试块声发射能量和声发射能量关联维数随加载进程的变化趋势基本相同,失稳破坏的临界位置相当.在混凝土破坏过程中,当声发射能量峰值下降后再次激增、能量均值超过100 m V· ms且活跃系数在20~70范围内连续放缓的现象出现时,预示混凝土材料的破坏.声发射能量关联维数随加载进程下降表明出现损伤,持续下降后并呈水平趋势,标志混凝土结构临近极限承载力.      

纤维混凝土试件拉伸损伤声发射监测

研究不同纤维长度和掺量的水泥基复合材料拉伸实验,材料内部微结构破坏的声发射特性。结果表明,加载初期,拉应力较小,试件处于弹性阶段,混凝土内部没有新增损伤,故未接收到声发射信号;加载中期,随着拉应力的增大,混凝土内部出现较少损伤,声发射信号逐渐增多;加载后期,拉应力继续增大,混凝土内部损伤程度加大,声发射信号急剧增加,至试件断裂时,声发射信号达到最大。相应的纤维混凝土断裂过程包括:弹性阶段、开裂阶段、裂缝发展阶段、断裂阶段。     

低温冻结状态下岩石的变形特性及力学行为研究

为研究冻土地区不同含水状态下冻结岩石的力学行为,对凝灰岩和玄武岩冻土试件进行了常温20℃和低温-20℃下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验.通过观察其变形行为和声发射活动,研究了其断裂破坏过程以及饱水率对材料强度和变形性能的影响.结果表明,冻结岩石的破裂过程分为以下几个阶段:Ⅰ阶段为裂纹气孔闭合;Ⅱ阶段为弹性变形;Ⅲ阶段为裂...     

石英含量对页岩力学特性及能量演化的影响

石英作为页岩中最主要的矿物成分,研究其含量对页岩储层力学性质和压裂起裂机制具有重要意义。通过X射线衍射仪分析黔北地区下寒武统牛蹄塘组五个页岩样品矿物组分,采用INSTRON 1346电液伺服控制材料试验机（200T）对岩样进行单轴压缩试验,并分析不同石英含量页岩在单轴压缩条件下的能量演化特征。研究表明：1）样品石英含量均超过49%,最高可达81.3%,石英含量与脆性指数拟合为R2=0.933;2）岩样1和5的应力-应变曲线无屈服阶段,呈典型的塑-弹性型,且裂纹扩展多而复杂,而岩样2、3和4的破坏面几乎垂直贯穿整个岩样,且连续性好而简单;3）石英和黏土矿物含量与弹性模量分别呈正负相关,其拟合指数分别为0.88和0.73;4）能量演化趋势可划分为平缓-上凹-近线性增长和跌落4个阶段,岩样受压过程中消耗能比弹性应变能大,且低石英含量的岩样吸收总能量普遍要比高石英含量大。本文所取得的研究进一步完善石英含量对页岩储层力学性质和压裂改造的认识,并加深页岩受压破坏过程能量演化的了解。     

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.     

用X射线密度计测定木材年轮的含水率分布

用Ｘ射线扫描密度计测量气干材含水率及其每一年轮的水分分布。并与干燥法进行对比，其含水率测量误差在２％左右。对Ｘ射线扫描密度计测水分的原理与影响测试精度的主要因素也进行斩讨论。