真三轴压缩下大理岩试件中弹性波传播特性的实验研究

在σ_1>σ_2>σ_3的真三轴压缩试验机上进行了弹性波在大理岩试件中传播时沿σ_2(x方向)和σ_3(y方向)的走时、幅值及衰减特性的实验研究。随着载荷应力增加,在x方向上,P波第一个波峰的走时t减小,幅值A减小;在y方向则相反。大约从破坏应力的95%开始,两个方向上t又都迅速增加,A减小,波列振幅衰减系数K也减小,这是真三轴压缩情况下的一种破裂前兆变化特征。Ⅰ型应力途径t开始迅速增加时的差应力值低于Ⅱ型     

单轴压缩下干燥和饱水岩石中超声P波的衰减

根据脉冲传播和频谱比方法的基本原理建立了一套超声波衰减和波速测量系统。研究了单轴压缩下超声P波在干燥和饱水的小浪底砂岩和房山大理岩中的衰减和速度。常压下,水饱和样品的Q_P值低于干燥样品。初始加载时,在大多数情况下,Q_p值明显增加即衰减减小;当应力水平达破裂强度50-60％后,岩石开始膨胀,Q_p减小即衰减增加;临近破裂Q_p减至最小。Q_p的变化量达一个数量级。单轴压缩下,在干燥和饱水的砂岩、大理岩中,V_p分别增加为27％和28％,44％和11％。径向Q_p和V_p随单轴压力的变化比轴向小得多,呈现明显各向异性。在本实验条件下,波在裂纹表面的摩擦耗散是主要的衰减机制,水的作用主要是潮湿和润滑裂纹表面,促进滑动,增加衰减。     

真三轴压缩岩样破裂过程中S波尾波波列振幅和卓越频率的变化

我们利用固体传压真三轴压机,50×50×200mm~3大理岩试件,600KC S波探头,分别观测了在等应力压缩和差应力压缩时S波尾波波列振幅和卓越频率衰减系数K和α的变化特征。结果表明:在等应力(σ_1=σ_2=σ_3)压缩时,随着压力的增加,波列振幅和卓越频率衰减系数K、α逐步增大。在差应力(σ_1>σ_2>σ_3)压缩至断裂时,σ_3和σ_2方向的K、α变化各异。当σ_1低于破裂应力σ_(1p)的20%时,两个方向的K、α都随着压力增加。当σ_1大于20%σ_(1p)而继续增加至50%时,K、α大体都保持平稳值,而当σ_1超过60%σ_(1p)时,σ_2方向的K逐步变大,α逐步减小。而σ_3方向的K、α则逐步减小。当出现前兆应力降后,σ_3方向的K、α都回升,接着主破裂来临。破裂后,σ_2方向的K、α增大,而σ_3方向的K、α则减小。同时,波列图清楚地表明,S波最大振幅的变化对K有着重要的影响。     

断层带破裂过程波速变化的实验观测

利用含不同方向软弱夹层的岩石模型,在单轴压缩条件下,观测了模型破裂过程的波速变化。实验设备及模型与文献相同。声波探头跨模型夹层并垂直于模型长轴布置。加压时,记录轴向应力——位移曲线并定点观测纵波走时的变化。另外同时观测了模型破裂过程中穿透声波的波形变化。主要结果为     

岩石Q值的测量及随压力的变化规律

根据脉冲传播和频谱振幅比方法的基本原理建立了一套超声波衰减的测量系统.讨论了在不同换能器、岩样形状及处理过程对Q 值测量精度的影响.发现在本实验系统下P 渡Q 值的测量精度在10%以内.并用此系统测出在单轴压缩下超声P 波的衰减.发现在50%破裂强度前Q值随轴向压力的增加明显增加即衰减减小.在本实验条件下,裂纹表面的摩擦耗散是重要的衰减机制.     

单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、微震和电荷等信号的异常变化特性,运用声发射、微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明:含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号,在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的,含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小,试样的单轴抗压强度降低,岩样更容易失稳,失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小,试样变形破裂过程的声发射、微震和电荷感应信号都增多,试样出现同步的前兆信号时的应力降低,在试样失稳破坏阶段声发射、微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时,声发射、微震和电荷感应信号突变性增加,进入危险阶段大大提前,大震级事件也显著增多,在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较短;在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,对声发射、微震和电荷感应前兆信号相结合分析,可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

在真三轴压缩条件下片麻岩破裂孕育过程中弹性波的特征变化

片麻岩在真三轴压缩至主破裂的孕育过程中，沿σ３方向（与主破裂面斜交）的弹性波有显著的特征变化；Ｐ波、Ｓ波的初至波走时变化呈现略高～平稳～高值～（回降）的形式，走时比呈现平稳～低值～回升的变化特征。振幅呈现低值～平稳高值～下降～（低值）变化形态，振幅比呈现相对稳定～甚高值～回降变化形态。波列振幅衰减系数呈现稳定值～低值～回升变化形态。微裂隙的开闭和Ｐ，Ｓ波的非同步变化及相对变化量的不同是上述特征变化的主要原因     

承压介质电阻率变化的方向性 与主应力的关系

介质电阻率变化的方向性与主应力方向的关系研究一直受到岩石电阻率实验和地震学等学科的关注. 本文在电极面4 cm×8 cm, 6 cm×12 cm, 8 cm×16 cm和4.6 cm×10 cm的10块分别为花岗岩、 凝灰质粗砂岩(夹砾石)和细晶花岗岩标本上及100 cm×100 cm的1块人工合成模型上, 采用对称四极法布设多位置、 多极距、 多方位电阻率测线, 用单轴压缩、 二维约束差应力压缩、 低围压三轴差应力压缩和真三轴差应力压缩方式加载. 其中在单轴压缩和低围压三轴压缩加载方式下, 7块岩石标本中的4块被压破, 3块没有被压破, 只压到电阻率出现明显的下降异常时卸压. 另在上述10块岩石标本中, 还有3块是电阻率原始各向异性标本. 将这样11块标本所获得的多位置、 多极距、 多方位测线电阻率资料, 按从开始加载到破裂的过程, 分成30%附近破裂应力段、 50%附近破裂应力段、 80%附近破裂应力段和100%破裂应力段, 研究同一测点多方位测道中该4个破裂应力段视电阻率变化最大(最小)幅度测线方位与力源最大主压应力方位的关系, 结果未发现二者之间有确定的关系.      

混凝土试样破裂前的声发射m值变化

对混凝土样品在单轴应力条件下破裂前不同应力状态下的声发射m值进行了实验研究。混凝土样品为10×10×10cm~3的正方体。实验表明,干燥混凝土样品破裂前声发射m值随应力的增加而降低;含水混凝土样品的m值先随应力的增加而增加,当应力达强度的60％以后,m值随应力的增加而降低。混凝土样品破裂前声发射率先随应力的增加而缓慢增加,当应力达强度的70％以后,声发射率开始明显增加以至破裂前急剧增加。含水混凝土破裂前声发射率比同种干燥样品低两倍左右。     

真三轴压机刚度对岩石破裂声发射的影响及与地震活动性的联系.

本文叙述了岩石特征刚度与压机刚度比R对岩石破裂及声发射的影响.结果表明:当R>0.20时,岩样产生突发断裂;当R1.50时,断裂前没有平静期.缓裂时,声发射率的变化形式为(应力增至大于50％破裂应力后)平稳低(高)值——上升(下降)至极大(极小)值并持续之——破裂.      

单轴压缩下砂岩的P波动力学特征的实验研究

本文详细介绍了在单轴压缩下砂岩的P波动力学特征的实验结果。有关的动力学特征参数包括:振幅、振动持续时间、振幅谱、尾波走时持续时间及衰减系数α。观测了水对这些参数的影响。主要实验结果如下: 1.扩容后压力的增加将使通过岩石标本的P波最大振幅和振动持续时间增加。2.压力的增加将使P波振幅谱中的低频分量增加。3.水对P波动力学特征的影响是十分显著的,它将使P波振幅减小,振幅谱中的高频分量减少。4.压力的增加将使P波尾波持续数时间增长,衰减系数α减小。主要实验结果和理论分析、野外观测结果比较一致。这对于探讨地震波动力学特征的前兆异常是有益的     

循环荷载作用下结构性软黏土动力特性试验研究

循环荷载作用下软土力学参数呈现衰减劣化的趋势。本文以天津滨海海积软土为研究对象,通过GCTS空心圆柱扭剪仪进行不同波形与幅值动力循环试验,在达到规定振次后停止试验,利用微型十字板测试其抗剪强度,根据典型的动应力-应变滞回曲线确定动压缩模量、阻尼比与动应变的关系。试验结果表明:循环荷载作用下,累积变形量、抗剪强度、动压缩模量、阻尼比演化与波形和幅值有关。幅值相同时,方波产生的累积变形量明显大于正弦波。低幅值时,抗剪强度基本上表现为随振次增加先下降明显,后趋于稳定,与变形一致,属于稳定型;临界应力幅值时,随着振次增加,开始强度下降幅度大,之后下降速率变小,但不趋于稳定。动压缩模量变化趋势与十字板强度演化规律一致,阻尼比变化特征与十字板强度变化呈相反的趋势。     

安徽“霍山窗”中小地震的地震波衰减特征研究

利用安徽合肥台、六安台和豹子崖台记录到的2001-2010年安徽“霍山窗”发生的ML≥2.0地震的波形资料,计算了其振幅衰减系数K值和卓越频率衰减系数a值,分析研究了K值和a值的时空变化特征,并讨论了其与华东地区中强地震的对应关系及与Qc值的相关性.结果表明,3个台站均记录到了明显的变化特征:①“霍山窗”ML4.0地震、江西九江Ms5.7地震及河南太康ML5.0地震前6个月左右时间内,K值和a值均呈现持续下降的异常低值状态,平均下降幅度K值为20％-35％,a值为45％-51％,并于上升的过程中发震,震后趋于正常;②K值的平面分布特征显示,K值异常地震主要位于断裂带交汇区附近,并沿断裂带方向分布;③K值、a值与Qc值基本呈负相关.上述特征为进一步了解该区域的地壳介质状态和研究中强震前后Qc的变化特征提供了一定的依据.该研究结果可能对中长期地震预报和震后趋势判断有一定的指示意义.     

不同应力途径三轴压缩下岩石的声发射

在不同加载方式的三轴实验中,观测了济南辉长岩和北京昌平花岗岩的声发射(围压达1.3千巴).当最大主应力增加使岩样破坏时(A型),平均声发射率逐渐增加,离破裂强度约几百巴时声发射急剧增多.而当岩石处于一定的高应力状态,通过减小围压使岩样破坏时(B型),声发射的急剧增加仅出现在离破裂差应力20-30巴的情况下,而且这种破裂过程声发射总数只有 A 型的1/3左右.在 B 型加载情况下,从应力场的球张量部分(流体静压力)来看,是一个卸载过程,而从偏张量部分来看,是一个加载过程.这种卸载过程的存在很可能是造成声发射不同特征的主要原因.      

次声波监测煤岩动力灾害的可行性研究

本文从现状分析和实验测试两方面探索次声波监测煤岩动力灾害的可行性,分析煤岩单轴压缩过程中次声波信号与加载应力的对应关系.研究结果表明:1)次声波技术可以实现矿井煤岩动力灾害的远距离、非接触性监测;2)煤岩在单轴加载变形破裂过程中能产生显著的次声波信号,在失稳破坏即将发生或发生时,次声波信号出现较大幅度值;3)在受载煤岩变形破裂过程中,次声波信号幅度值随着应力的增大呈增强趋势,两者具有较好的对应关系.次声波具有传播距离远、衰减小和穿透能力强等特点,对煤岩变形破裂过程中产生次声波现象的进一步研究可为预测预报矿井煤岩动力灾害的发生提供重要的研究方法和技术手段.     

真三轴压缩时几种岩样微破裂定位的初步结果

实验用盈江花岗岩、蝴蝶泉斜花岗岩及龙陵花岗岩在真三轴压机上压缩(1>2>3)直至岩样破裂.采用8通道高速微破裂数据采集分析系统对岩石破裂孕育过程中的微破裂时空分布做了初步分析.结果表明:在声发射变化的第Ⅰ阶段,微破裂较多;第Ⅱ阶段微破裂较少.但都分布紊乱且遍布整个岩样.当应力继续上升达声发射变化的第Ⅲ阶段,微破裂再次增多并逐步形成空区,只在主破裂前很短时间才形成条带分布.      

单轴实验时的加载速率与声发射特征

通过单轴压缩云南大理县大理岩试验发现:岩石主破裂前,若加载速率太高或太低,且为完全脆性破裂时,则几乎没有声发射事件,即很少有前破裂发生。主破裂前若加载速率适当且有延性变化时,则有众多声发射事件,对这些声发射事件用类似于余震频度衰减公式分别求出事件率随时间和事件率随轴向应变的衰减系数(h_t、h_ε),结果表明随应力增大衰减系数有个低值阶段。同时指出了声发射仪记录事件的不确定性对分析实验结果可能有的重要影响。     

含有障碍体的岩石样品破裂发展过程中的b值变化

本文用AET—5000型声发射仪对单轴压力下含有障碍体的岩石样品于破裂发展过程中的b值变化进行了研究。结果表明,不存在障碍体时大理岩板的b值随应力的增加而单调下降,由0.80降至0.13,直到岩样破裂为止。存在单个尺度较小的障碍体时,加载初期b值下降,当达到破裂应力的40％左右,b值回升;当障碍体的尺度较大时,b值在达到破裂应力的70％左右回升;然后,它们在应力再度增强时,b值又重新下降。而存在多个障碍体时,其变化形态随着障碍体的不同分布而不同。 最后讨论了造成b值变化的可能原因及其在地震预报中的影响和作用。     

双向压缩条件下非均匀断层标本变形过程中的声发射活动特征

在双向压缩条件下,研究了一种非均匀断层模型标本在变形过程中的声发射(AE)时空特征.结果表明,随侧向应力sigma;2的增大,断层破裂强度提高,自加载至破坏的时间延长,破坏形式由突发失稳逐渐转变为渐进式破坏.预制断层及其非均匀性对标本变形过程中AE空间分布图象起明显的控制作用.预制断层,特别是预制断层上的强度不均匀部位及高强度段落,控制着微破裂空间分布的总体格局.破裂局部化均起始于断层上强度不均匀部位,随侧向应力sigma;2的增大,微破裂密集区域从预制断层强度不均匀部位逐渐扩展到整个高强度区段.侧向应力sigma;2的大小对AE时序特征具有显著影响.较低sigma;2条件下,断层表现为突发失稳,失稳发生在微破裂活动ldquo;增强-平静rdquo;的背景之上;而较高sigma;2条件下,断层表现为渐进式破坏,破坏前后AE频次持续增加,AER呈指数增长.sigma;2对b值变化也具有一定影响.当断层破坏表现为突发失稳时,b值在弹性阶段后期至弱化阶段显示出ldquo;前兆rdquo;性降低;而当断层表现为渐进式破坏时,b值变化平稳.      

郯庐断裂带南段及邻区中小地震地震波衰减特征研究

利用安徽省测震台网记录的波形资料,采用单震多台拟合方法计算了郯庐断裂带南段及邻区中小地震地震波的振幅衰减系数K值和卓越频率衰减系数α值,分析研究K值和α值的时空变化特征,并讨论与华东地区中强震之间的对应关系及与QC值的相关性。研究结果对中长期地震预报和震后趋势判断有一定的现实意义。