单轴压缩下岩桥脆性断裂的临界慢化特征

为了完善锁固型滑坡等岩石工程灾害的预测、预警指标体系,对预有裂隙的砂岩试件开展单轴压缩下的声发射试验,从临界慢化角度研究岩桥因脆性断裂而产生的多种声信号参数特征。基于临界慢化理论,对三段式、挡墙式两类岩桥脆性断裂过程声信号的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩桥变形破坏的临界慢化现象,探索岩体破坏的声发射前兆表征。结果表明：(1)相对于三段式岩桥,挡墙式岩桥内部声发射事件更活跃,能量释放更强烈,脆性破坏特征更明显。(2)不同滞后长度、窗口长度分别影响着自相关系数曲线与方差曲线。(3)振铃计数、绝对能量、幅值、峰值频率、RA及RA/AF等声发射参数均存在临界慢化现象,但峰值频率与RA/AF临界慢化特征更加明显,RA与RA/AF在岩石剪切破坏中有较好的适用性。(4)岩桥受荷过程中,自相关系数、方差的突然增大作为脆性破坏的前兆预警信号,用方差识别预警信号比自相关系数更加容易可靠;岩石脆性破坏特征越明显,预警效果相对更差。(5)岩石压密完成后会产生一定的伪信号,如何准确地识别及区分仍需要进一步的研究。     

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。     

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。     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。     

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。     

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。     

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。     

基于声发射技术的岩石破坏模式分析研究

为研究岩石各变形阶段裂纹扩展形式,利用声发射特征参数分布规律判别单轴压缩试验条件下3类岩石整体及4个变形阶段破坏裂纹模式。结果显示,黄砂岩和细粒大理岩呈现出低AF、高RA值分布特点和峰值频率主要集中分布在0～100 kHz的规律,整体以剪切型裂纹破坏为主,且各阶段都以剪切型破坏为主要裂纹扩张形式;细粒花岗岩则随着应力的增大,裂纹扩张形式从拉伸型转向拉-剪复合型裂纹,最终以拉伸裂纹破坏为主。此外,岩石裂纹非稳定发展阶段声发射信号特征对岩石整体声发射信号特征起决定性作用。     

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。     

砂岩破坏过程能量释放及前兆特征

岩体原始裂隙的扩展、贯通是导致岩体失稳破坏的重要原因。基于此,开展了含不同角度裂缝的细砂岩试验研究。采用MTS刚性压力机对其进行加载,利用声发射监测系统对加载全过程进行实时探测,对其损伤过程岩体耗散能、弹性应变能、损伤变量及声发射信号频率、能量特征及失稳破坏前兆信息进行研究。结果表明：(1)在耗散能的驱动下岩体发生损伤破坏,宏观裂纹的形成相比微裂纹的孕育、萌生需要更大的耗散能。在宏观裂纹形成时岩体储能能力丧失,弹性应变能急剧下降,损伤达到最大。(2)当细砂岩体产生小尺度损伤破裂时会伴随着高频、低能的声发射信号,当岩体裂纹扩展、贯通形成大尺度宏观裂纹时会伴随低频、高能的声发射信号产生。可将低频、高能的声发射信号作为岩体破坏的前兆信号。(3)声发射累积能量、声发射累积振铃计数的变异系数在细砂岩体临近破坏时具有响应特征,表现为变异系数的大幅突增,大幅突增点出现于岩石破坏时间的73%以上、破坏应力的60%以上,具有较好的时效性,且出现点大致位于弹性阶段末至不可逆的塑性变形阶段具有一定的物理意义,可将其变异系数产生明显增大作为岩体损伤破坏向失稳破坏转变的前兆信息。该研究可为隧道、采矿等变形历程短...     

不同类型岩石加载破坏的微震和电荷感应信号特征研究

根据岩石变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生,利用岩石变形破裂过程微震和电荷感应监测系统,对不同类型岩石在单轴压缩和加卸载下变形破裂过程进行实时同步监测以获取微震和电荷感应信号特征。试验结果表明:不同类型岩石在变形破裂过程中有微震和电荷感应信号产生,微震和电荷感应信号是低频信号,信号频谱主要集中在40 Hz以下,随着岩石强度的增大,岩石变形破裂过程中的微震和电荷感应信号事件数增大且信号强度也增大;岩石变形破裂过程中微震和电荷的产生机理不同,微震信号是由于岩体裂纹扩展释放弹性应变能而引起的振动波,而电荷主要有微破裂、摩擦作用、压电效应等综合作用产生;对比不同类型岩石变形破裂过程的微震和电荷感应信号并对各信号进行相关性分析,研究发现,岩石在失稳破坏时存在着丰富的微震和电荷感应信号,且各信号具有高相关性,此阶段可作为最危险预警区。     

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。     

三点弯曲试验条件下的岩石声发射演化特征

开展16个辉绿岩试样在三点弯曲加载条件下的声发射试验,得到含有不同切口位置的应力-应变曲线、断裂模式与声发射特征参数,研究在不同拉-剪应力条件下的岩石声发射特性,基于归一化方法研究试样损伤演化规律,运用分形分析方法计算声发射信号的关联维数D,研究不同拉伸与剪切共同作用下试样的分形前兆特征。结果表明:三点弯曲条件下,试样以微破裂为主,发生张拉脆性断裂。随着预制裂纹距离左端支撑距离d的增加,岩石抗弯强度降低,断裂能耗逐渐降低。由声发射参数表征的脆性岩石损伤前兆特征显现时间先后顺序为:事件率前兆时间振铃计数前兆时间能量计数前兆时间。随着试样弯曲应力增加,关联维数变化模式呈"降-升-降"的变化规律,与单轴压缩的"波动-持续下降"具有明显不同。关联维数的二次降低预示岩石最终失稳破裂即将发生,可以作为岩石失稳的前兆信息。     

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。     

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。     

直剪条件下不同宽度岩桥破坏特征试验研究

通过直剪条件下的力学模型试验, 结合对模型破坏过程中声发射特征参数的分析,揭示了岩体在不同宽度岩桥和法向应力条件下的破坏特征。结果表明随着岩桥宽度的增加,破坏面起伏度、粗糙度都相应增大;随着法向应力的增加,破坏面的起伏程度和粗糙度减小,峰值剪切应力不断增大;不同岩桥宽度和法向应力导致岩体产生不同方式的破坏,包括剪断破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏;声发射阶段性特征与岩桥贯通破坏过程一致,声发射事件数峰值随岩桥宽度和法向应力的增大而增大,其峰值出现时间在剪切应力达到峰值之后。研究结果为判别不同宽度岩桥变形与破坏各个阶段提供依据。     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。     

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。     

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。