砂岩渗透作用下声发射及分形特征研究

地下围岩经常处于渗透场-应力场的耦合作用中,为分析在相同渗透压、不同围压下砂岩的变形特性、渗透特性、声发射特征及基于声发射空间分布的分形维数特征,对取自某在建工程的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的抗压强度及变形能力随着围压的升高而增大;渗透率在不同围压下有着相似的演变特征,均是随着应变增大而先减小后增大,并随着围压的升高逐渐减小;声发射的演化过程反映了渗透率大小的变化趋势,渗透率随着渗透试验过程呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;基于柱状分形理论,得到砂岩的分形维数随着试验进行逐渐减小,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。研究结果有助于认识和理解砂岩渗透性的变化机制。     

高温作用下砂岩声发射特征及破坏前兆

为探究不同温度作用后砂岩声发射多重分形特征及破坏前兆信息,对不同温度加热后砂岩开展室内单轴加载试验,研究试样破坏过程中裂纹起裂应力、损伤应力、峰值应力及声发射特征等的演化规律。试验结果表明：借助声发射技术量化识别了加载过程中不同温度加热后砂岩的裂纹起裂应力和损伤应力门槛,随着温度的增加,不同裂纹应力门槛呈现出先增加后降低的演化规律,裂纹起裂扩展阶段占比逐渐降低。当应力水平由0～0.2σ_c增至峰后阶段时,多重分形谱宽度呈现出先降低后增加的趋势,该结论进一步证实了加载过程中砂岩内部结构产生的变化。声发射b值总体上呈现出先增加后降低的变化规律,试样失稳破断前声发射b值急剧下降,声发射b值急剧下降阶段可作为失稳突变前兆信息点。     

分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究

为探究不同浸水时间对泥质粉砂岩加载破坏过程的影响,以天然状态、浸水1,3,7 d状态下滇中引水工程大理Ⅱ标段板凳山隧洞的泥质粉砂岩为样品,进行单轴分级加载试验,监测岩样从加载至破坏的全过程声发射(AE)活动。试验表明：(1)随着浸泡天数的增加,AE累计振铃计数逐渐衰减,在分级加载时,天然岩样的累计振铃计数曲线有明显上升台阶,浸水岩样的累计振铃计数曲线的跃升主要集中在破坏阶段。(2)天然岩样较浸水岩样的脆性更强,破坏时AE活动频度较高,表现为AE定位点在主破裂面附近泵集,破坏面附近定位点的能级较浸水岩样高1～2个能级。(3)随着加载应力增加,浸水岩样的含水率越高,岩样的破裂损伤阶段较天然岩样有所提前,AE定位点主要集中在破坏阶段,定位点数量的激增更加明显,这与振铃计数的变化规律相吻合。(4)不同含水率岩样在相对破坏应力80%之前,关联维数均呈现上升的趋势,在相对应力的80%附近关联维数上升至最大值,应力继续增大,岩样破坏,关联维数跌落至最小值,不同含水率岩样的关联维数最小值均介于0.020～0.035之间。以上岩样的破坏特点可为隧洞涌水情况下岩体稳定性监测提供参考依据。     

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。     

干湿循环节理砂岩单轴压缩声发射演化特征

干湿循环对岩石造成不可逆的累积损伤,而岩石的变形破坏过程伴随着明显的声学特征。为探讨干湿循环后节理砂岩变形破裂机理,通过开展节理砂岩室内单轴压缩试验,采用声发射测试技术监测岩样损伤破坏的声学数据,研究历经0、1、5、10、15、20次干湿循环作用后的完整、单节理、双节理砂岩岩样在变形破裂过程中声发射参数的演化特征。结果表明：随着干湿循环次数的增加,砂岩岩样峰后塑性特征逐渐增强,声发射活动表现存在微弱、增强、陡增、剧烈4个阶段;随着干湿循环次数的增加,节理岩样声发射剧烈活动阶段的持续时间、累计振铃计数的降幅以及变形破坏过程中的声发射b值均呈逐步增大的趋势;各种干湿循环次数情况下完整岩样的声发射b值均大于节理岩样。研究成果可为干湿循环下节理岩体变形破坏机理研究提供有益的参考。     

不同垫块包围角度下砂岩劈裂声发射特性试验研究

为研究岩石劈裂试验中不同垫块包围角度对岩石声发射特性的影响,采用包围度数分别为10°,30°,60°的垫块对砂岩圆盘试样进行单轴循环加卸载试验,对比分析试样的声发射特性。试验结果表明：包围度数的增加对砂岩Kaiser效应几乎没有影响,而试样的累计计数、累计能量计数、峰值强度均显著提高,试样由沿荷载直径附近的单一劈裂破坏逐渐演变为沿垫块端部首先局部失效的复杂破坏。在整个循环加卸载过程中,不同包围度数下砂岩声发射b值演化规律总体一致,不同荷载阶段试样内部损伤的程度不同,b值呈现出一定的演化规律。研究成果可为利用Kaiser效应测量地应力及岩石破裂过程分析提供试验支撑。     

单轴压缩下岩石声发射及其分形特征

利用MTS815程控伺服刚性试验机加载系统和AE210声发射检测系统,对灰岩进行单轴压缩试验,获得了岩石应力—应变—声发射事件数曲线。根据声发射特征,将曲线分为5个阶段,各阶段对应的声发射特征差异显著;利用分形理论得出声发射事件数序列分形维数在整个加载过程中呈先升后降的规律。在压密阶段至弹性阶段,声发射分形维数呈现上升特征,表明岩石破坏以小尺度的微破裂为主且在岩石试件中微破裂相对均匀分布;在稳定破裂扩展阶段至破坏阶段,分形维数呈现下降特征,表明岩石中大尺度微破裂增加且逐渐向主破裂面贯通。对声发射事件数据序列进行计算,参数点与拟合回归的直线的相关系数均在0.82以上,参数点与所拟合直线之间具有较好的相关性,也即岩石破裂过程的声发射参数序列具有分形特征。     

常规三轴压缩下斜长花岗岩声发射分维特征分析

通过斜长花岗岩石声发射试验,取得岩石破裂全过程中的应力－时间、声发射事件－时间曲线 及声发射参数,研究了各应力水平下声发射事件活动的规律,运用关联积分对实验数据进行分析,得出 在常规三轴压缩下,不同围压下岩石声发射活动都具有空间分维结构,空间分维值反映了岩石受压下声 发射事件的空间分布规律。研究了各声发射震源点之间的位置关系,将计算得到的分形维数拐点值与 所对应的分形计算尺度进行对比,发现岩石的微观破裂与组成岩石的矿物粒径大小和硬度有关,即造岩 矿物的破裂随粒径的大小具有先后顺序。     

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。     

基于声发射的深层砂岩裂纹发育分类研究

利用MTS-815型刚性试验机和声发射监测仪,对深层砂岩层理面与垂直加载方向夹角不同的3种岩样(SY-0°、SY-45°、SY-90°)进行单轴压缩试验,得到应力-AE事件-AE能量-时间的关系曲线,并对声发射各个阶段参数RA和AF进行了统计,判断张拉裂纹和剪切裂纹的变化趋势。结果表明,3个方向加载的岩石破坏形式不同,SY-0°破坏是张拉、剪切共同作用导致的,SY-45°破坏以张拉破坏为主,SY-90°破坏是张拉、剪切共同作用,但以剪切破坏为主。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

灰岩单轴压缩过程中干燥与饱水状态对声发射特征的影响

为探究水岩耦合条件下的声发射规律,通过开展干燥与饱水灰岩单轴压缩条件下的声发射监测试验,并结合快速傅里叶变换、短时傅里叶变换与离散小波变换这3种常用的声发射信号分析方法,对比分析了干燥与饱水灰岩的时域参数、频率特征与典型破裂信号的时频特征。结果表明:水对于岩石的变形破坏特征影响显著,相对于干燥状态,饱水试样的单轴抗压强度下降明显,且幅值、能量以及振铃计数等基本时域特征参数均呈现出大幅降低的特点;岩样破坏前,干燥与饱水灰岩都表现出由“高主频、低幅值”向“低主频、高幅值”过渡的总体变化趋势;干燥岩样破坏前主频值高于饱水岩样,完全破坏后却低于饱水岩样,主频下降幅度大,而饱水岩样的主频值波动较小,频率较为稳定。研究结果对于工程尺度的防突机构声发射监测具有一定的参考价值。     

粘土的拉裂试验及声发射检测

综述击实粘土拉裂试验的各种方法。三轴拉伸试验和周期拉压试验，用于研究静力拉裂和周期加荷拉裂的破坏，在土石坝有限元分析中判别防渗体土料拉裂和震裂的发生与发展。对试样拉裂时进行声发射检测，可研究试样拉裂破坏的过程，随着围压增大，试样由拉裂破坏而逐渐变为剪切破坏     

基于波速对渗透性反演的富水砂岩注浆效果分析

针对富水破碎砂岩注浆止水效果难以逐点检测的问题,提出采用声波测井反演渗透性,对细部止水效果进行评价。基于Wyllie-Clemenceau波速-孔隙率公式以及Kozeny-Carman渗透方程,建立了富水砂岩波速-渗透率理论模型。以湖南某地基注浆工程为研究对象,采用岩心试验、声波测井以及压水试验,获取了注浆前、后岩心及岩层的波速和渗透率,通过拟合岩心数据,验证了波速-渗透率模型,并发现其存在以下规律:波速与渗透率呈非线性负相关,关系曲线具有明显的变化率分界点;注浆影响骨架波速与岩性指数。将测井波速反演的各测点计算渗透率与压水试验渗透数据对比,验证了模型在工程中的可靠性。以计算渗透率为基础,建立了富水砂岩注浆效果定量评价体系,并对案例进行了评价。     

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。