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。     

单轴压缩状态下类岩石材料水力劈裂试验

采用自制水泥砂浆作为类岩石材料进行试验,研究内水压力和单轴压缩耦合作用下岩体的破坏规律。制作带有中心预制裂缝的立方体试样,利用自行研发的内水压力与轴向压力加载装置,在固定内水压力加载速度和轴向压力大小的前提下,对不同材料强度和尺寸的试样,以不同轴向压力加载方向进行了水力劈裂试验。试验结果表明:轴向压力加载方向对裂缝尖端的起裂角度有一定影响,在固定内水压力加载速度下,裂缝内水压力上升速度与试样强度正相关;轴向压力方向无论是与预制裂缝走向平行还是垂直,都会加快内水压力上升速度;试样水力劈裂临界水压力与试样强度正相关;轴向压力加载方向对单裂缝试样水力劈裂影响较大,轴向压力方向与裂缝走向垂直时对裂缝开裂起抑制作用,轴向压力方向与裂缝走向平行时对裂缝开裂起促进作用。     

节理岩体声发射特性试验研究

天然岩体为特殊结构的不连续体,其声发射特性要比岩块复杂的多。以0°,30°,45°,60°,90°倾角节理试件为研究对象,开展了单轴压缩条件下的声发射试验。研究表明:受节理影响,不同倾角节理试件的应力应变关系有较大差异,这与其不同破坏模式有关;岩石变形破坏过程中的应力应变关系与其声发射特性一一对应,声发射过程中的撞击数和能量代表试件内部微小结构的破坏数量;节理试件的破坏模式不同,导致节理试件的声发射特性具有明显差异。     

实时高温下北山花岗岩劈裂试验及声发射特性

为了探究实时高温条件下岩石试样的拉伸试验和全过程声发射特性,采用MTS810电液伺服试验系统,进行了不同实时温度下核废料预选区北山花岗岩试样巴西劈裂试验,比较分析不同温度(25～1 000 ℃)下北山花岗岩宏微观的破坏特征、荷载-位移曲线、抗拉强度以及全过程声发射特征随温度的演化规律等。研究结果表明:随着温度的升高,北山花岗岩形成的裂缝越来越多,晶间裂纹的裂缝孔径逐渐增大,T> 400 ℃时形成明显的穿晶裂缝,失效模式也从脆性的拉伸破坏变为延性,呈Y型破裂模式;荷载-位移曲线形状由“下凹”型向“上凸”型转变,实时高温下北山花岗岩抗拉强度整体呈下降趋势,这种随温度的劣化趋势却表现出较强的阶段性特征;达到峰值荷载之前声发射(AE)事件存在平静期,随着温度的增加,这种平静期阶段变得越来越不明显,同时峰值振铃计数率逐渐减小。研究成果可供深部地下实验室建设和数值模拟提供参考。     

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。     

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。     

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。     

微生物胶结砂体巴西劈裂试验声发射特性的细观模拟

针对微生物胶结砂体已取得一定研究成果,但关于其材料的细观变形特征和破裂过程尚不清晰。采用离散单元法并引入矩张量理论,构建微生物胶结砂体在巴西劈裂试验中的细观模型,研究其声发射特性。研究结果表明:在试样劈裂过程中,随着应变的逐渐增大,破裂强度从试样顶部和底部开始沿中轴线扩展,且破裂强度的数值不断增大,最终形成主要沿试样中轴线的宏观破裂带;声发射事件比率与破裂强度服从正态分布,且破裂强度分布在-7. 52和-5. 79之间;声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系。研究成果为探明微生物胶结砂体的破裂过程提供了新的思路。     

压缩状态下闪云斜长花岗岩的声发射规律研究

 文章介绍了三峡水利枢纽基岩闪云斜长花岗岩在单轴压缩状态下的AE活动规律和采用Kaiser效应测定岩体地应力的技术方法,其中包括通过在单轴压缩状态下σ-ε-AE的曲线比较,可将岩石受力过程划分为Kaiser效应区、滞留区和消失区,各区反映着一定的岩石力学状态;通过在三峡闪云斜长花岗岩现场的深孔应力解除法地点取样进行的Kaiser效应地应力测量得出,在孔深85～193m范围内,两种测试结果有很好的相关性,表明AE法地应力测量是一种可行的方法。     

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。     

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。     

单轴压缩下透水混凝土的结构损伤演化特征研究

为了研究透水混凝土在单轴压缩过程中的内部孔、裂隙变化规律,对轴向应变为0.4%、1.1%和1.8%的试样开展CT扫描,基于二值化分割方法得到了孔、裂隙的图像,分析了孔、裂隙量化指标与轴向应变的关系。结果表明,透水混凝土的孔、裂隙随破坏程度增加有明显的扩展趋势,孔径频率分布曲线的孔径值不断增大;随着轴向应变的增加,孔隙率呈指数型函数上升趋势,最大孔喉长度L和平均孔喉半径R呈线性增长,连通度指标也不断增加,且增速先慢后快;由微观结构分析,透水混凝土骨料颗粒与凝胶结构发生的位移和形变是孔、裂隙网络形成和扩展的微观机理。     

基于Flatjoint接触模型的岩石单轴压缩和巴西劈裂颗粒流模拟研究

基于颗粒流平台,选择Flatjoint接触模型作为岩石模拟的基本模型,用单轴压缩和巴西劈裂数值试验测试岩石宏观参数,对数值试验进行正交设计,采用多因素方差分析和回归分析研究宏细观参数之间的关系。在此基础上,提出了基于岩石单轴压缩和巴西劈裂数值试验的细观参数匹配方法。以灰岩的室内试验为基础,对灰岩细观参数进行了标定,实现了灰岩单轴压缩和巴西劈裂的颗粒流模拟,模拟结果与试验结果相接近,验证了本文方法的有效性。     

土石混合体单轴压缩试验的三维颗粒流数值模拟

为探究不同含石量土石混合体在单轴压缩荷载下的变形破坏机理,在不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维颗粒流数值模型。进行了低、中、高不同含石量(0,10%,30%,50%,70%,90%)的土石混合体单轴压缩试验颗粒流数值模拟,获得了各种含石量的土石混合体在单轴压缩荷载下的应力应变特征和变形破坏特征,并对其变形破坏的细观机理进行了深入的分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,土石混合体试样单轴抗压强度和弹性模量随之减小;中低含石量(0,10%,30%,50%)土石混合体的应力-应变曲线表现出典型的应变软化特征,而高含石量(70%,90%)土石混合体在达到峰值应力后表现出一定程度的塑性流动特征;中低含石量土石混合体试样中形成的微裂纹主要是张拉裂纹,宏观上表现出来的是拉裂破坏,而高含石量土石混合体试样中微裂纹很少,主要是剪切裂纹,宏观上表现出来的是剪切破坏。     

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。