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。     

加载速率对煤样破坏力学及声发射特征研究

为了研究煤体破坏的加载速率效应,分别从煤岩力学性质、声发射特性和数值模拟角度进行了分析。采用RMT-150 C型岩石力学试验机构成的煤样单轴压缩实验系统,结合DS5型全信息声发射信号分析仪,研究了不同加载速率下煤样力学指标和声发射指标的演化规律,研究结果表明:加载速率由0.2 mm/s降到0.000 2 mm/s,煤样的抗压强度降低了58.7%,弹性模量降低了68.7%;声发射峰值计数降低了71.5%,声发射峰值能量降低了52.3%,声发射累计计数和累计能量却有所升高。从数值模拟结果分析:加载速率由0.2 mm/s降低到0.000 2 mm/s,声发射峰值计数降低了75.8%,声发射峰值能量降低了60.9%;声发射累计计数和累计能量均有所升高;煤样的抗压强度和弹性模量分别降低了62.3%和69.1%。数值模拟结果与实验结果规律相一致。     

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%。     

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。     

桃山90~#煤层有效弹性能量释放速度研究

冲击地压防治基础是进行冲击倾向性鉴定,测定指标的准确性和合理性尤为重要。在对现行冲击能量指数分析的基础上,综合考量煤岩体峰前塑性变形能释放和有效弹性能释放时间效应,建立有效弹性能释放速度计算模型,提出基于声发射特征参数和循环加卸载载荷表征峰值前释放塑性能,利用TYJ–500KN微机控制电液私服岩石剪切流变试验系统对煤样进行循环加卸载声发射实验,通过上述表征公式拟合得到分段函数计算式,进行冲击能量指数测定实验,验证表征公式可靠性。结果表明:依据峰值卸荷表征与声发射特征参数表征结果差仅为5.27%,2种表征方式相互印证。有效弹性能释放速度与冲击能量指数、单轴抗压强度、有效弹性能成正相关,与破坏时间成负相关。从而证明利用有效弹性能释放速度鉴定冲击倾向性具有一定合理性。     

不同应力路径下煤样变形破坏过程声发射特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验机对义马耿村具有冲击倾向性煤样进行常规单轴、三轴和三轴卸围压试验,研究在不同应力路径下煤样变形破坏过程中的声发射特征。试验结果表明,煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异。常规单轴压缩过程中各个阶段均有不同程度的声发射事件,与三轴筒内单轴压缩相比,声发射累计计数和能量明显偏大,破坏瞬时的声发射计数和能量大致相当;常规三轴压缩试验时,在围压作用下煤样屈服前声发射事件较少,进入屈服阶段声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样破坏前兆,破坏瞬时声发射计数和能量达到最大值;三轴卸围压试验时,在卸围压前煤样处于弹性阶段声发射事件较少,随围压逐渐降低,由正应力提供的摩擦力不断减小,煤样内部材料强度相对较低逐步屈服破坏形成微裂纹。屈服前期产生少量声发射事件,屈服后期声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样卸围压破坏前兆,破坏瞬间计数和能量同时达到最大值,与常规三轴压缩相比,声发射计数更大,能量则更高,表明三轴卸围压煤样破坏时更加强烈;常规单轴压缩煤样破坏产生的声发射累计计数和累计能量明显偏大,三轴筒内单轴、常规三轴压缩以及三轴卸围压试验时,声发射累计计数和能量大致相同,没有明显差异。     

小尺寸效应下岩石力学特性及声发射规律

对小尺寸效应下黄砂岩的力学特性和声学特征进行研究,探讨小尺度效应下岩石强度、变形、弹性常数(弹性模量、泊松比)、破坏形态及能量转化的规律,分析声发射能量、计数和峰频与尺寸之间联系,得到如下结论:随着尺寸的增加,强度呈现线性递减,径向应变从斜落向水平方向延伸且呈现先减小后平稳的趋势,轴向应变逐渐减小,体应变呈现先增长后稳定再递减的趋势,破裂范围逐渐减小,剪切角度呈现先减小后增大的趋势,弹性模量和泊松比呈现增长的趋势,峰后的能量呈现先加速后稳定再减速的释放规律;随着尺寸的减小,耗散能和峰前积聚的总能量均呈现增大的趋势;耗散能加速阶段和减速阶段逐渐递减,稳定阶段逐渐延长;能量之间呈现"闭口"的趋势;弹性能、释放能及盈余能量均呈现递减的趋势;声发射能量与时间呈现"双峰"现象,声发射计数与能量呈现"喇叭式"扩延,同时出现高能、高计、高峰(三高)时可以预判岩石即将发生破坏;随着尺寸的减小,计数峰值区间滞后出现。声发射的总能量与尺寸呈现正比例关系。声发射峰频呈现明显的分区特性。     

循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能关系研究

为了探求煤层冲击倾向性鉴定时循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能的关系,利用电液伺服试验机对煤样进行单轴循环加卸载试验。对试验所得循环加卸载应力–应变曲线、循环次数与滞回环面积曲线、弹性应变能与滞回环面积关系等进行分析。得出结论如下:(1)随着循环次数的增加,循环次数和弹性应变能与滞回环面积呈正相关。(2)滞回环产生于循环加卸载过程的压密阶段。当煤样接近破坏时,压密阶段的不可逆塑性形变达到最大。(3)每一次循环的塑性能是新生成裂纹的耗散能,以往的弹性能量指数计算中未将压密裂纹形成的耗散能(滞回环面积)去掉,导致指数计算结果偏小,因此提出弹性能量指数修正计算公式。提出的修正公式可使煤层冲击倾向性鉴定时的弹性能量指数计算更精确。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

混凝土轴压受载声发射特征及失稳演化过程研究

桥梁桩基混凝土承受轴向压载过大,其内部破坏开裂过程会释放弹性波,为量化压载失稳演化过程特征,通过现场原位钻取桥梁桩基结构芯样,采用轴向压载与声发射同步监测试验,研究混凝土试件加载全过程声发射时空演化特征,分析混凝土材料压载失稳破坏全过程与声发射振铃计数、能量释放、震源定位等表征参数的演化关系,获得加载过程与声发射特征关联性的定量描述,分析其失稳演化过程。研究结果表明：轴向压载条件下混凝土试件的应力与声发射振铃计数、能量释放随时间的变化规律具有一致性,声发射定位点主要在剪应力集中区形成宏观“定位带”与混凝土裂缝发展及破坏表现一致,可根据声发射事件活跃度量化判断混凝土受载阶段,反映混凝土失稳临界特征,对桩基混凝土服役监测具有重要意义。     

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。     

真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。     

大理岩加卸荷破坏过程的能量演化特征分析

 根据大理岩加荷破坏与卸荷破坏试验结果,研究大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。结果表明,常规三轴破坏岩样吸收总能量 高于单轴压缩吸收总能量,峰值强度后常规三轴弹性应变能释放比单轴缓慢,储能极限高于单轴压缩的储能极限。随着卸荷初始围压升高,岩样峰值强度和峰值应变增大,破坏形式由张拉–剪切破坏向剪切破坏过渡,岩样在峰值强度处吸收的总能量 和弹性能 增大,耗散能 却没有明显变化,围压对峰值强度处的 和 无明显影响。卸荷速度增大,岩样峰值强度和峰值应变减小,破坏形式由剪切破坏向张拉–剪切破坏过渡,岩样在峰值点处吸收的总能量 和弹性能 减小,耗散能 却没有明显变化,卸荷速度对 和 无明显影响。加荷与卸荷2种应力路径下,岩样在到达峰值强度时所吸收的总能量和储能极限都与峰值强度呈线性关系。     

不同应力路径下岩桥试验的声发射特征研究

 岩质边坡中岩桥贯通是导致边坡失稳的重要因素,通过开展不同岩桥长度岩样的常规三轴加荷、三轴卸荷以及三轴加卸荷试验,研究在不同应力路径下岩桥贯通破坏过程中的声发射特征,以及围压和岩桥长度对声发射特征的影响。结果表明：岩石压密阶段与线弹性变形阶段声发射事件较少,塑性阶段声发射事件明显增多,破坏阶段声发射计数率、累计能量以及幅值均达到峰值。声发射特征的明显变化可为紧接的岩样破坏提供预警作用,幅值变化较其他指标更为敏感,因此幅值的监测对于各阶段演化以及破坏预警更有效。本试验中,岩桥试样达到峰值强度后不会立即跌落至残余强度,而是出现2次应力跌落,应力跌落均对应声发射特征达到峰值,2次应力跌落中会出现“平静期”或“峰后回升”现象,其声发射特征与塑性阶段相似,但幅值、计数率与累计能量均大于塑性变形阶段,表明在这一阶段岩样裂纹仍以较快速率扩展,最终导致岩桥贯通破坏。不同应力路径下累计能量由大到小依次为：三轴加卸荷、三轴卸荷和常规三轴。随着岩桥长度与围压的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

高应力强卸荷条件下大理岩损伤破裂的应变能转化过程机制研究

基于高应力条件下大理岩峰前卸围压试验和能量原理,研究岩样吸收应变能、塑性变形及裂纹扩展耗散应变能、环向变形消耗应变能和弹性应变能储存及释放的能量转化全过程特征,揭示其损伤破裂演化的应变能转化机制。峰前储存的弹性应变能较耗散应变能多,耗散应变能仅在临近峰值强度点附近才明显增加。峰后应力快速跌落伴随着弹性应变能的迅速释放和快速的塑性变形及裂隙扩展所耗散应变能。峰前、峰后应变能转化速率均随卸荷速率的增大而明显增大,特别是峰后转化速率增大得更为剧烈。而初始围压对应变能转化速率的影响与卸荷速率密切相关,快速卸荷时应变能转化速率随初始围压的升高而明显增大,而较慢速卸荷时随围压变化相对不明显,但初始围压增大明显加强峰前弹性应变能储存。峰后弹性应变能释放速率远大于环向变形消耗应变能速率,而吸收的应变能约与耗散应变能基本相等,故高应力强卸荷条件下硬性岩石常表现为近垂直于卸荷方向的张性破裂或劈裂特征,甚至出现岩爆现象。高应力强卸荷条件下大理岩具有峰前快速储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能,而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散,并伴有相对较快速地向卸荷方向的张裂变形消耗应变能的释放与耗散机制。     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。     

不同强度煤体声发射特征研究

为研究不同强度煤承载的声发射特征,选取平均单轴抗压强度分别为30 MPa(大同矿区忻州窑矿)和10 MPa(双鸭山矿区东荣二矿)的煤体试样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,对煤在单轴压缩过程各阶段声发射能量、振铃计数等进行分析。试验结果显示,不同强度的煤压缩过程中表现出的AE能量、振铃计数等存在着差异,尤其在线弹性阶段和应力峰值阶段,AE特征发生明显突变;强度较大的忻州窑矿的煤样振铃计数出现的时间晚于东营二矿,但振铃计数与能量峰值增幅较东营二矿更快。论文亦综合分析了文献中其他煤样受压声发射研究的数据,均支持本文结论。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。