正长花岗岩破坏过程声发射特征试验研究

利用16个通道全波形声发射监测系统对粗晶正长花岗岩开展了单轴压缩声发射试验,得到岩石变形全过程应力和声发射信号波形,计算获得声发射事件数和声发射能量,并对声发射事件进行定位。结果表明：在粗晶正长花岗岩变形破坏过程中,岩石失稳破坏阶段的声发射事件率最大,裂纹快速扩展阶段声发射事件率次之,裂纹压密阶段和裂纹稳定扩展阶段声发射事件率基本相等,线弹性变形阶段声发射事件率最小;从线弹性变形阶段到裂纹快速扩展阶段,直至岩石失稳破坏阶段产生最大应力降时,声发射事件率快速增长,声发射信号的主频快速降低,高频成分逐步减少,主频幅值和时域幅值均快速增大,信号持续时间增长;在最大应力降时,声发射事件率达到最大值,声发射信号的主频最低,主频幅值、时域幅值和信号持续时间均达到最大值,可以认为进入了岩石失稳破坏阶段,岩石有发生破坏的危险,需采取防治措施。     

细砂岩声发射全波形特征及频谱分析

针对细砂岩在不同应力下的破坏模式和裂纹扩展规律等问题,采用单轴压缩、定角压剪和巴西劈裂的方式对细砂岩进行加载试验,采集各试样加载过程的声发射全波形,并基于小波阈值去噪方法对原始波形去噪处理后,再采用快速傅里叶变换获得信号的频谱特征。通过分析声发射全波形及主频、次主频的演化规律,将信号频率细分为低([10,70) kHz)、中([70,120) kHz)、高([120,180) kHz)3个等级,揭示了岩石的破裂失稳过程。研究结果表明:不同试验方法下的声发射全波形差异较大,波形幅值的变化与岩石损伤的渐进过程密切相关;同等试验方法下的声发射主频、次主频具有自相似性,演化规律较一致,次主频对裂隙发育状态更敏感;低频信号反映了细砂岩破坏时的一种固有属性,与加载方式和试验方法无关,仅中频率信号和高频率的信号对应剪切滑移过程与剪切破坏模式。     

基于声发射和高斯混合模型的灰岩破裂特征识别研究

通过单轴压缩条件下灰岩破裂过程的声发射试验研究,利用高斯混合模型(GMM)对加载过程声发射信号波形特征进行深入分析,探索性识别灰岩破裂失稳过程的裂纹模式及其前兆特征。分析结果表明,灰岩在单轴加载过程中先后主要存在张拉和剪切两种破裂模式。其中,张拉破裂的声发射信号波形特征在AF-RA坐标空间呈现低A_F值、高R_A值分布;剪切破裂的声发射信号波形特征在AF-RA坐标空间呈现低R_A值、高A_F值,且随着应力的增加分布中心向A_F轴靠拢。GMM分析结果揭示了灰岩在整个应力加载过程中以张拉裂纹为主,在加载前中期几乎全为张拉裂纹,临近破坏阶段过渡到剪切破坏为主。剪切裂纹所占比例的最大值出现在(0.8～0.9)σ_c阶段,也是AF-RA坐标轴分布呈现最大A_F值时。研究结果可为预测早期灰岩破裂失稳提供参考,同时为深入研究识别岩石破裂失稳前兆信号特征提供了一种分析方法。     

油页岩单轴压缩声发射演化规律及其破坏前兆特征

为研究油页岩受载破坏过程中有效前兆特征,利用TP耦合气体逸出试验系统对油页岩开展单轴压缩声发射试验,采集岩样破坏全过程产生的声发射信号,分析岩样变形破坏声发射随时间变化规律,对岩样加载破坏过程中声发射特征方差与自相关系数进行深入分析。试验结果表明：试验过程中有明显声发射现象产生,声发射特征变化与岩样变形破坏过程有着良好的对应关系;通过分析声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征,岩样在试验过程中以张拉破裂为主,后期剪切破裂逐渐增多;声发射特征在临近峰值强度时快速增大,表现出明显的临界慢化现象,方差与自相关系数的突然增大可以作为岩石破坏的前兆特征,且方差的前兆特征信息的捕捉相较于自相关系数更加容易且更为可靠;将声发射b值与声发射特征参数方差结合分析,可以有效剔除试验过程产生的伪信号,方差斜率快速上升阶段出现的b值突降点,可以确定为岩石破坏前兆特征点。研究成果可为岩土工程灾害预警提供可靠依据。     

小浪底细砂岩单轴压缩声发射特征研究

采用岩石伺服试验机和声发射仪,对小浪底三叠系细砂岩进行单轴压缩声发射试验。基于试验结果,将试样变形过程划分为压密、弹性、塑性和破坏四个阶段,分析了不同阶段试样声发射幅值、峰值频率、振铃计数和能量的变化特征,在此基础上对比分析了试样声发射ｂ值以及累计振铃计数的演化规律,得出了岩石的破坏时间前兆特征。研究结果表明:压密和弹性阶段试样声发射幅值、振铃计数和能量处于较低水平、峰值频率频带数量依次增多;塑性阶段试样幅值增大、振铃计数与能量上升且整体处于较高水平、峰值频率数值增大且呈现多频带化,临近破坏阶段试样产生大量100ｄＢ的高幅值信号,振铃计数与能量持续急增,峰值频率降低,频带减少;声发射ｂ值的变化规律可以间接反映岩体内部微裂隙萌生、扩展的演化特征。     

循环荷载作用下煤岩电荷感应与微震信号变化规律

为进一步提高深部地下工程中煤岩失稳破坏监测预警的针对性和准确性,采用自主研发的多通道电荷感应和微震综合监测系统,监测和分析在不等幅循环荷载作用下煤岩变形破裂过程中电荷感应和微震信号的时、频特性和能量特征,并与单轴压缩实验进行对比。结果表明：循环荷载下煤岩在不同阶段的电荷感应和微震信号各具特点,卸载段会产生较多微破裂和损伤,煤样在发生多裂纹贯穿劈裂破坏前会频繁出现峰值较小的电荷感应信号,需特别注意。对微震信号傅里叶变换进行频谱分析,发现微震信号频谱特征能够很好地反映煤样内部裂隙的扩展状态,并且主频幅值的增高与微震信号的增强具有同步性。采用电荷感应和微震信号共同划定煤岩的受载阶段,可以得到更加准确的失稳预警信息。     

热处理北山花岗岩热传导特性研究

高放废物地质处置库围岩的热传导特性是影响处置库布局和处置单元间距优化的关键因素之一。以北山花岗岩为研究对象,开展岩石在不同温度(200～800 ℃)处理后的热传导试验,探讨热处理对岩石导热系数的影响规律,分析其与常规物理参量的内在联系,揭示热处理岩石导热特性的饱水效应。研究结果表明:①岩样导热系数随热处理温度的升高而降低,导热系数的衰减速率在550～650 ℃阶段达到峰值;②随热处理温度的升高,岩样质量、干密度和纵波波速总体呈下降趋势,而岩样体积和孔隙率则逐渐增大,根据导热系数与纵波波速、孔隙率及干密度的关系,建立了热处理岩样导热系数的预测模型;③热处理前,饱水岩样的导热系数比干燥岩样增加了9.7%～12.1%,且两者呈近似线性增加的趋势;④热处理后,饱水岩样的导热系数随热处理温度的升高呈轻微下降趋势,且导热系数的饱水效应随孔隙率的增加呈近似线性增大。研究结果可为高放废物处置工程的设计和优化提供理论基础。     

基于时频转换的水电机组振动数据远程传输方法研究

随着统一的状态监测与评价系统的建立,研究工作不断深入,庞大的历史和实时数据传输问题日益突出,本文开发了一种基于时频转换的数据压缩新方法,利用快速傅里叶变换局部化的优点选取主要频域幅值进行传输,并将舍弃部分补零进行信号的快速傅里叶反变换,实现了数据的远程传输。通过实例分析表明该方法可以保留频域的特征峰值,且时域差别很小,压缩率高,压缩效果显著,具有很高的实用价值。     

岩石声发射信号AR模型谱分析

岩体在载荷作用下变形破裂过程中能够产生声发射信号已被大量的实验和理论研究成果所证实。声发射（AE）的研究可以揭示岩体破坏的机理，预测预报岩灾动力过程。虽然声发射能够有效连续评估岩体的稳定状态、地下结构及原子发电站基础中的应力状态等，目前存在的问题主要有声发射机理的研究尚不太成熟，因而限制了声发射技术的应用与发展；声发射信号的分析与处理方法能力还不能有效除噪、分频，进一步限制了更有效地应用AE技术。采用AR模型对声发射信号进行模拟分析，从声发射波形的细化特征、波形变化预测岩石变形破裂过程未来的发展趋势，也可从声发射波形中把各种频率信号分离出来；该法与快速傅里叶变换相比具有较优越的特点，有广泛的实用性。     

不同饱水强度灰岩应变特性及劣化损伤本构模型研究

为研究饱水强度作用下灰岩的物理力学特性,对不同饱水强度的灰岩试样进行单轴压缩试验,分析其典型的应力-应变特征,并基于损伤力学理论建立损伤本构模型。结果表明,饱水强度加剧了灰岩的软化效应,高强度饱水灰岩的压密阶段相对延长,而弹性变形阶段相对缩短;随着饱水强度的增加,灰岩峰值强度呈线性降低,但饱水作用未对灰岩的破坏类型造成较大影响,仍以剪切破坏为主;损伤本构模型曲线和试验曲线高度吻合,说明建立的损伤本构模型是可靠的;随着饱水强度的增加,灰岩脆性和强度弱化,参数m和F₀分别呈二次函数和三次函数降低。     

水-岩作用下砂岩声发射与红外辐射耦合研究

为探究水-岩作用下的砂岩破裂变形机制,开展天然与饱水砂岩单轴压缩声发射实验与红外辐射观测实验,通过对各变形阶段的轴向应力、声发射能率、分形维数以及红外辐射频数直方图与偏度共同分析了水对砂岩力学性质、声发射以及红外辐射变化的影响.研究结果表明:水对岩石的抗压强度、承载能力等力学性质有明显弱化作用;水抑制了岩石的声发射活动...     

荷载-水化耦合下红层泥岩的变形特性

红层泥岩是一种常见的软岩,广泛分布于我国的西南、西北、华中及华南地区。水对红层泥岩的力学特性影响显著,由于降雨因素的影响,红层泥岩地区的边坡频频爆发崩塌、滑坡等工程事故。为模拟红层泥岩地区经历极端干燥天气后突降暴雨,即红层泥岩在不同荷载水平作用下从干燥状态到饱和状态水化作用的全过程,研究红层泥岩在不同荷载水平作用下遇水水化后的变形和强度特征,设计了一个简单试验装置和试验方案,实现了对红层泥岩在荷载-水化耦合作用下的变形特性研究。试验结果表明:①红层泥岩的水化作用明显,红层泥岩的饱和单轴抗压强度远低于干燥岩样的单轴抗压强度,考虑荷载作用下的干燥红层泥岩水化破坏应力水平又远低于泥岩的饱和强度;②破坏是一个渐变的过程,在某一应力水平作用下岩石的变形经历了一个从缓慢增长到急剧增长的过程,但岩样的破坏具有突然性,泥岩破坏后呈泥状。成果可为红层泥岩地区的工程稳定性研究提供一定的参考。     

花岗岩破裂全过程声发射时频域信号特征及前兆识别信息

为寻求岩石临界破坏判据和前兆特征,在花岗岩单轴压缩声发射试验的基础上,获得了岩石变形破裂全过程中的声发射时频域信号信息,结合频谱分析理论提取了波形信号的主频值,将时频域各特征参数联合起来,共同分析其变化特征及破裂前兆识别信息。研究结果表明:声发射事件率在高应力阶段之前,表现为以高、低值交替出现,到高应力阶段后,以中、高值交替出现;累积事件数表现为随荷载的增加快速上升,在极高应力时突然转为平缓;能率及累积能量随岩石加载过程可分为2段“活跃期”和1段“缓慢释放期”;主频分为1^#—5^#的5个频段,其中2^#频段对应岩石破裂过程中最主要的破裂模式,3^#,4^#,5^#频段属于高频段,1^#频段属于低频段,高、低频段分别对应微小裂纹的萌生和微小裂纹闭合形成大裂隙;声发射时频域各参数均有较好的前兆识别特征,破裂前兆时间响应顺序为:主频最早,事件率、能率及累积能量次之,累积事件数最晚。研究成果可为声发射技术运用于实际岩土工程中监测预防煤岩复合动力灾害发生提供可靠依据。     

频域分析方法在层状节理岩体波动问题中的应用

考虑波的多次反射,采用频域分析方法研究一维波在层状节理岩体中的传播问题。首先基于波动理论、线性位移不连续模型在频域内建立一维波沿多条平行节理传播的总体传递矩阵,结合边界条件解得层状节理岩体中一维波传播的频域解,然后采用离散傅里叶变换和反变换将频域解过渡到时域解,最后运用上述方法研究了SV波在不同间距、不同条数节理组处的传播,并与离散元程序UDEC模拟结果进行对比。结果表明：随节理间距增大,位移透射系数|T_N|(透射波与入射波振幅比值)的变化趋势呈现上升、下降、平稳3个阶段;在透射系数|T_N|呈上升阶段的节理区间内,透射系数|T_N|对节理条数依耐性很小;通过与UDEC计算结果对比表明本文求解方法是可行的。     

分级加载条件下深部灰岩蠕应变特性研究

为研究深部灰岩蠕应变特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对不同深度试样做分级加载单轴蠕变试验。基于试验结果,计算出灰岩长期强度与瞬时强度之比的均值为0.758,且深度越深比值越小;分析不同深度灰岩在各分级应力水平下轴向蠕应变增量与加载级数的变化规律,并将蠕应变增量进行一次累加,得到轴向蠕应变。结果表明:蠕应变增量随级数的增加呈现先减小后剧增的变化规律,且随深度增加,蠕应变增量达到谷底所对应的应力百分比有明显增大趋势;在分级加载过程中,随级数增加,轴向蠕应变先后呈现减速增加、等速增加和加速增加3个发展阶段;当恒载应力百分比为60%~70%时,蠕应变趋于稳定,当超过该范围后,蠕应变加速增加直至发生蠕变破坏。研究得到的这一应力百分比范围可以为识别深部灰岩是否会发生蠕变破坏提供依据。     

单轴压缩盐岩声发射特征及损伤演化探讨

为了探究盐岩压缩变形破坏过程中,声发射现象与内部损伤的相关关系,利用四川大学MTS815岩石力学试验系统,对云南安宁盐岩进行单轴压缩试验,分析了盐岩声发射特征。依据损伤理论,得到了基于声发射参数的盐岩的损伤演化模型,并引入修正系数对其进行理论修正,分析损伤终值对损伤本构模型的影响。研究结果表明:盐岩的声发射(acoustic emission,简称AE)振铃计数率和能量率在弹性极限附近达到最大值,之后呈现高频低幅值的声发射现象;基于声发射的盐岩损伤变量值在压缩变形前期增加较快;基于AE累计振铃计数得到的损伤值<基于AE累计能量计算得到的盐岩损伤值;修正后的声发射损伤理论模型曲线与试验曲线全过程吻合较好,能够较好地反映盐岩内部损伤演化过程;振铃计数参数模型比能量参数模型能更好地模拟盐岩的损伤演化特征。