增量循环加卸载下岩石峰值强度前声发射特性试验研究

为了研究岩石峰值强度前声发射前兆特性、加卸载过程的声发射特性,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用,采用花岗闪长岩、角岩、矽卡岩、铜矿、钨钼矿和铅锌矿共6种岩石分别开展单轴压缩、增量循环加卸载和增量稳压循环加卸载3种不同加载方式的试验,主要对岩样峰值强度前声发射相对平静期、卸载过程的声发射特性、对2种不同循环加卸载方式下的Felicity比以及加卸载响应比的变化情况进行研究。试验结果表明,3种加载方式下部分岩样始终存在"相对平静期"现象,多种岩样的AE事件峰值频率在破坏前总是低频成分显著增加,且越接近破坏,大振幅AE事件就越多。在2种不同循环加卸载方式下,当应力水平达到峰值强度的50%～60%时,Kaiser效应逐渐消失,Felicity效应出现。Felicity比和加卸载响应比在低应力水平阶段均大于1,进入中等应力水平阶段后在1附近波动,但相对比较稳定;进入较高应力水平以后,岩石内部裂纹不稳定扩展,Felicity比逐渐减小,到0.64～0.89时,试样破坏。试验表明,相对平静期、Felicity比和加卸载响应比等可作为预测或判断岩石失稳破坏的参考依据。     

基于声发射技术的高强度混凝土循环荷载下轴压损伤特性试验研究

为了研究高强度混凝土在循环荷载作用下的内部损伤演变规律,设计了2组试验,对3个强度等级的高强度混凝土试样进行了循环加卸载,并利用声发射技术记录了试验全过程,获得了表征高强度混凝土在循环加卸载作用下损伤演化过程的典型声发射撞击数时间历程图、声发射振铃计数时间历程图、能量时间历程图,探讨了高强度混凝土材料在循环加卸载试验过程中的Kaiser效应和Felicity效应。试验结果表明:高强度混凝土在循环加卸载过程中均经历了密实阶段、微裂缝发展阶段和失稳破坏阶段,前2个阶段声发射信号水平较低,在即将失稳破坏时产生大量声发射信号;通过对比2组试件破坏时的声发射能量计数,发现多次循环加卸载在失稳破坏时产生的声发射信号强度更高;高强度混凝土材料Kaiser效应有效范围在极限应力的75%。     

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。     

循环载荷作用下岩石单轴压缩破坏过程的平面弹塑性细胞自动机模型

采用平面弹塑性细胞自动机模型在细观尺度上模拟应变软化岩石类材料的单轴压缩破坏过程。在平面弹性力学细胞自动机的基础上,推导分析平面弹塑性问题的细胞自动机更新规则,开发二维岩石弹塑性细胞自动机数值模拟软件;模拟不同均质度岩石的单轴压缩破坏过程,并在应力峰值后区考虑反复加卸载过程。模拟得到的岩石单轴压缩条件下的全程应力-应变曲线与典型的加卸载应力-应变试验曲线吻合较好,模拟得到的声发射曲线很好地反映出岩石声发射的Kaiser效应。     

岩石破坏前的损耗比及加卸载响应比特性研究

以多种岩石循环加卸载声发射试验为基础,针对岩石损耗比和加卸载响应比特性进行了研究,探索岩石在受载过程中的内部损伤演化和破坏前兆特性。结果表明,在循环加卸载下角岩等三种岩石损耗比变化特性一致:低应力水平阶段损耗比较大,呈明显下降趋势;中等应力水平阶段比值下降趋势较平缓;高等应力水平阶段比值趋于稳定,在0.08～0.10时,试样破坏。而钨钼矿等三种岩石加卸载响应比变化特性一致:低应力水平阶段卸载时几乎没有声发射,加卸载响应比较大;中等应力水平阶段卸载时声发射较活跃,比值下降至1左右;高等应力水平阶段卸载时声发射很活跃,当比值重新大于1时,试样破坏。试验结果都体现了岩石内部损伤从很小到稳定扩展再到不稳定扩展的过程。可见,损耗比和加卸载响应比的变化特性均可用于评价岩石损伤情况,也可用作岩石破坏预测的参考依据。     

单轴多级循环加载下原煤加卸载响应比演化特征

煤矿井工开采往往对采场周边煤岩体产生周期性扰动,研究单轴多级循环加卸载条件下煤变形及破坏特征有助于深入认识煤柱损伤、劣化及失稳破坏机制,并为获取煤柱失稳前兆提供有效分析手段。通过开展原煤单轴多级循环加卸载实验,利用弹性模量变化量提取加卸载响应比以描述原煤破坏前兆特征;并基于声发射累计振铃计数定义加卸载响应比,探讨原煤破坏过程中内部损伤演化特征及破坏前兆。此外,通过对实验前、后煤样内部结构的CT扫描,结合逆向化建模方法,分析煤样破坏特征及模拟单元数量对加卸载响应比数值计算结果的影响。研究发现:基于实验获得的单轴循环载荷下原煤加卸载响应比存在3个变化阶段,且在每级应力水平下均呈周期性"W"型变化特征;当荷载水平逐渐升高时加卸载响应比呈下降趋势,当荷载水平较高且接近峰值荷载时,加卸载响应比先下降后急剧上升;而基于声发射累计振铃数计算的加卸载响应比则呈持续减小趋势,并在破坏前接近1。     

循环载荷下大试件岩石破坏声发射实验——岩石破坏前兆的研究

岩石等脆性材料在加载过程中,随着载荷的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具,它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展,这是其他任何方法都不具有的优势。在三轴应力条件下进行了大尺度岩石(片麻岩)破坏声发射实验,试件尺寸达1．05m。为了模拟日、月潮汐力对地球的加载和卸载作用,在某一固定水平的轴向压力作用下,叠加上循环载荷。实验过程中记录到大量的声发射信息,它能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度。利用声发射记录研究了预测岩石宏观破坏的2种前兆现象：能量加速释放及加卸载响应比剧增,为地震预测提供了实验依据。同时还发现,实验中存在声发射的Felicity效应。     

混凝土轴心受拉声发射Kaiser效应试验研究

通过对48个试件进行轴拉声发射试验,研究混凝土试件在往复循环拉伸加载条件下Kaiser效应的有效性及其应力范围,探讨混凝土材料中Kaiser效应与Felicity效应的关系,并就Kaiser效应的影响因素进行系统全面的分析.结果表明:混凝土在轴心受拉试验中存在明显的Kaiser效应,其存在的机理是混凝土材料损伤不可逆的结果.Kaiser效应存在的应力上限值约为极限抗拉强度的80%.Felicity比随着相对应力水平的提高而单调下降,当达到较高的应力水平后,Felicity比迅速下降,Kaiser效应衰退,出现Felicity效应.加载速率对混凝土轴拉声发射Kaiser效应基本没有影响;而加载制度、应力水平、卸载后放置的时间以及干湿条件等对混凝土轴拉声发射Kaiser效应产生较大的影响.研究结果为应用声发射技术探讨混凝土拉伸破坏机理奠定基础,同时也为Kaiser效应的工程实际应用提供参考.     

受不同加载偏转角影响的含裂纹砂岩劈裂声发射试验研究

目前,岩石声发射方向性存在与否尚无定论,岩石中裂纹的存在对岩石声发射方向性是否存在影响也无深入的研究。针对完整的和含有一条预制裂纹的砂岩圆盘试件,分别偏转5°,10°,15°,35°,60°角进行岩石声发射方向性验证劈裂试验,对比分析了不同加载偏转角度下完整砂岩和含预制裂纹砂岩的声发射特征。研究表明:(1)偏转角度的不同对砂岩声发射Kaiser效应确有影响,随着偏转角度的增大,砂岩声发射Kaiser效应逐渐模糊直至消失,证明在此试验条件下砂岩的声发射Kaiser效应方向性随着偏转角度的增大而愈加明显。(2)含裂纹砂岩的Kaiser效应方向性比完整砂岩的Kaiser效应方向性更明显,具体表现为含裂纹砂岩的声发射Kaiser效应比完整砂岩在偏转过程中消失得更快。研究成果可为利用Kaiser效应测量地应力的可行性和准确性提供试验论证。     

模拟引潮力作用下岩石破坏前兆的实验研究 --加卸载响应比(LURR)理论和能量加速释放(AER)

大地震前加卸载响应比升高和能量加速释放这2种现象可以用来对地震进行中期预报。同时,加卸载响应比升高和能量加速释放有相同的物理机制。实验对于揭示地壳岩石的变形和破坏规律是非常重要的。在三轴应力条件下进行了岩石破坏声发射实验,声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段。为了模拟日月引潮力对地球的加载和卸载作用,在一常数加载率的轴向压力作用下,叠加上微小的正弦扰动,力求能够模拟地下岩石复杂的受力状态。实验过程中记录到大量的声发射信息,声发射记录包括声发射发生的时间、空间坐标和振幅,它能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度。利用声发射记录系统地分析了岩石试件破坏前能量释放及加卸载响应比的演化情况,结果显示,岩石试件宏观破坏前出现了能量加速释放及加卸载响应比剧增这2种前兆现象,从而对地震临界点理论给予了实验支持,同时也为地震预测提供了实验依据。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

岩石中的声发射和裂缝扩展（英文）

ACOUSTIC EMISSION AND CRACK DEVELOPMENT IN ROCKS@刘浩$香港合东中国育限公司     

含层理岩石的AE特征分析及基于Kaiser效应的地应力测试研究

 针对煤矿沉积岩系地应力测试需要,通过单轴压缩声发射实验,分析顶板含层理沉积岩系岩石试件的破坏特征、声发射特征,研究Kaiser效应点的综合判断方法及基于声发射Kaiser效应的地应力计算方法。研究表明：(1) 单轴荷载作用下,无层理岩石试件破坏过程为：加载→完全破坏,表现出脆性破坏特征;含层理构造的岩石试件的破坏过程为：加载→局部滑移剪切破坏→加载→剪切带失稳、岩石试件破坏。(2) 无层理岩石试件的AE总计数随时间的增长趋势表现为“缓慢增长→急剧飙升”型,而含层理岩石则呈现出“台阶状”上升趋势,分析认为产生这种不同规律的根源在于岩石内部损伤破坏过程的差异性。(3) 通过研究AE特征提出Kaiser效应点综合判断方法,并完善Kaiser效应法地应力计算方法,最终得到测点地应力为： = 25.06 MPa, = 13.75 MPa, = 8.07 MPa,验证表明：计算结果在大小及方向上均具有一定的可信度。故提出的Kaiser效应点判断方法和地应力计算方法可用于Kaiser效应法地应力测试,该实验研究方法和结果可为工程实践或类似研究提供借鉴和参考。     

加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应 影响的试验研究

 当加载速率较快时,砂岩、粗砂岩、泥岩等岩石相对于加载速度较慢的测试,Kaiser点对应的应力值增大,但对于灰岩等脆性岩石,加载速率对其Kaiser效应影响甚微。因此,需要具体分析加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应的影响。试验发现,不同加载速率导致声发射累积次数随应力的变化曲线存在显著差异。这是因为当加载速率较慢时,岩心内部较大和较小的裂缝都会发生错动和扩展,致使声发射信号比较明显,得到的Kaiser点对应的应力值较小;而当加载速率较快时,只有较大的裂缝才会发生错动和扩展,Kaiser点对应的应力值相对较大。当深度大于2 500 m的岩心在声发射测量过程中,Kaiser点往往出现在岩石破坏点之后,因此必须模拟地层条件采用围压下的Kaiser效应进行测量,测得相应地层的地应力大小。针对不同的岩性岩石选取不同的加载速率进行加载研究,试验结果与现场试验结果基本一致。结论为Kaiser效应试验测地应力提供理论依据和借鉴。     

不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

 通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射(AE)试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：(1) 两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;(2) Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 kHz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;(3) 花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。     

Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions

The rock failure process is associated with acoustic emission (AE). Hence, violent rock failure processes such as rock burst under different stress paths in laboratory can be studied using the AE monitoring technique. In this paper, single-face dynamic unloading tests under true-triaxial condition were carried out for Paleozonic marine sedimentation limestone samples produced by blocks cored from 1140 m depth in Jiahe coal mine of China. Frequency-spectra analysis was conducted for the full-wave AE data and figures showing the relationship of frequency–amplitude of AE signals in rock burst stages were obtained. The dynamical damage process and characteristics of limestone under the test condition are summarized. It is found from the fast Fourier transformation (FFT) analysis of the AE signals that there exist two main frequency ranges, i.e. lower (60–100 kHz), and higher (170–190 kHz), for the samples. When the limestone samples are under relatively lower stress, the AE signals are characterized by high frequency and low amplitude. As the stress increases, the AE signals tend to shift more towards a signature of high amplitude. Near the bursting failure of the rock samples, it is observed that there are much higher amplitude and lower frequency events. The AE accumulated energy release rapidly increases from the unloading state of the rock samples to its failure. The dynamic unloading test facility provides a useful tool to gain an insight into the characteristics of rock bursts.     

利用岩石的Kaiser效应测定储层地应力

 用单轴压缩试验测试岩石Kaiser效应特征,进而确定岩体地应力状态的方法,在岩体工程实践中得到广泛的应用。长庆靖安油田长6储层属于低孔低渗储层,需要进行水力压裂后才能得到高效地开发,为此必须研究该储层的地应力。用岩石的Kaiser效应,结合岩芯古地磁定向来研究储层19口井的地应力。研究结果表明,岩石声发射得到的最小主应力与水压致裂瞬时停泵法进行比较,大小吻合较好,而用岩芯古地磁定向结合岩石的声发射测试,能准确测定出地层中主应力分布的方向,与地层倾角测井解释成果比较接近。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。