充填体裂纹演化与震源信号耦合关系试验研究

宏观裂纹扩展与细观震源信号集聚常作为分析充填体破裂过程的两类关键信息,但二者间的时空耦合关系缺乏直接的试验验证,这不利于全面剖析充填体损伤特性。基于声发射定位系统,应用盖格尔定位算法,对单轴加载下尾砂胶结充填体裂纹孕育萌生、扩展起裂、成核贯通的三维动态演化模式进行试验研究,并与震源信号的时空分布形态进行比对分析。结果表明:声发射事件与应力-应变等力学响应呈明显正相关关系;充填体宏观裂纹演化与细观震源信号集聚具有良好的时空耦合性;声发射定位能够准确反映内部震源信号衍生、集聚、延伸的动态演化过程,可有效追踪内部裂纹在三维空间中的分布状态。加载初期,声发射活动不明显,裂纹稳定扩展,震源信号逐渐堆簇成主震源区(central-area,C区),以C区为核,呈放射状向外扩展的内接球形三维空间区域(sphere-area,S区)出现零星分布的若干不均匀散点,声发射事件稳步上升;峰值强度后,C区纵深延展成柱带状,震源遍布S区,贯通试样,断裂破坏,引起声发射事件阶跃式陡增,声发射活跃度趋近。根据声发射定位结果中核状主震区的出现及其成型后的扩展方向、曲面形态,可对室内充填加载试验中出现的破裂源、破坏形态进行合理预测,为更深入有效研究充填体失稳破裂机制提供新思路。     

泥岩实时细观破坏过程及其声发射事件产生机制研究

利用自制的与CT系统和声发射系统配套的加载装置,研究了泥岩在破坏过程中裂纹、孔隙等变化规律及与声发射事件之间的关系.研究表明:从CT图像可以观测到不同加载阶段试件中微裂纹闭合、扩展、分叉等细观损伤活动,声发射事件的空间分布规律很好地反映了内部微破裂、微裂纹的演化过程,定位结果与裂纹发育区域较一致.破坏模式不同反映了破坏过程和破坏机理的不同,破坏从规模较大的原生微裂纹处起裂,起裂载荷约为峰值载荷的80%,无原生裂纹区域和含坚硬夹层区域发生突发性脆性破坏,坚硬夹层对破坏模式起控制作用.声发射事件主要来源于加载初期新生裂纹的形成、原生裂纹的压密及裂纹的稳定扩展,此时声发射信号为突发型.裂纹的起裂和非稳定扩展过程不能形成声发射事件,此时声发射信号为连续型.能量累积陡增是裂纹起裂、分叉及宏观破坏的标志.     

单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:不同层理方向对岩石破裂影响显著,轴向平行层理片麻岩试样峰值载荷稍高于轴向垂直层理的,裂纹起裂应力水平较高,声发射定位点由加载初期离散无序分布转为向沿层理聚集,破裂时主裂隙沿层理面贯通上下端或沿层理扩展形成垮落区,最终表现为典型的张拉破坏,岩石达到峰值载荷后瞬间失稳,呈突发式破坏特征;轴向垂直层理试样起裂应力水平较低,进入声发射剧烈期参数波动更为显著,事件点在试样中部聚集产生倾斜带状剪切裂纹密集区,破裂时出现多种破裂模式,主要以剪切滑移破坏为主。岩石达到峰值载荷后应力发生多次跌落,呈渐进式破坏特征。     

单轴压缩下石灰岩声发射主频特征

为探究石灰岩破裂失稳前兆,对岩土工程岩土破裂事故进行预警预测.以石灰岩单轴压缩声发射试验为基础,分析了整个石灰岩破坏过程声发射的频谱特征及时域主频.研究发现,石灰岩声发射波形存在2个主要频带,主要集中在15～75 kHz和125～175 kHz频段内;整个破坏过程中声发射频谱具有以下特征：主频幅值呈增大趋势,声发射谱的峰值形状存在单峰和双峰,单峰试件破坏强度更大;石灰岩破坏前,中频域主频信号明显增多,高频域主频出现密集分布.这些变化可作为石灰岩破裂失稳发生的特征指标,可用于石灰岩破裂失稳事件的预测预警.     

单轴压缩条件下不同裂纹制作方式的裂纹破坏分析及其声发射特征研究

采用类岩石材料研究了不同裂纹制作条件下张拉裂纹的破裂过程, 并利用声发射测试技术分析了试样在破坏过程中裂纹的萌生、起裂、扩展和破裂全过程的声发射特征。试验结果表明, 不同制作条件下裂纹扩张呈现不同的破坏方式,有不同的起裂强度和抗压强度,而且在hits t时间曲线上存在差别;声发射hits t时间曲线呈现与应力时间曲线同步性的特点,并且曲线自身突变性反映了裂纹扩展中能量释放的突发性,两者的符合性较好。     

磷块岩三轴压缩破坏特性与声发射规律的研究

采用应力加载系统和声发射测试系统,研究了三轴压缩试验中磷块岩裂纹破坏特性及声发射活动规律. 试验及分析研究表明:磷块岩三轴声发射加载全过程可分为裂隙压密阶段、弹性压缩阶段、裂纹初级扩展阶段、裂纹剧烈扩展阶段、宏观破坏阶段;磷块岩声发射事件在其强度最大阶段和宏观破坏阶段均有产生;磷块岩声发射事件数随着围压从2 MPa增加到4 MPa而减少.     

不同开挖洞径深埋隧洞岩爆模型试验研究

为研究开挖洞径对深埋隧洞围岩岩爆破坏的影响,开展3种不同洞径的类岩石材料大尺寸试件真三轴岩爆模型试验,利用智能摄像机和声发射监测系统对试件加载破坏进行全过程监测,对比分析不同洞径对试件岩爆的影响规律。结果表明：不同开挖洞径试件在加载过程中皆经历了初始损伤(Ⅰ)、损伤发展(Ⅱ)与损伤破坏(Ⅲ)3个阶段。洞径增大,试件隧洞破坏荷载减小,岩爆破坏范围与碎屑质量增大,大块碎屑质量占比增加。加载过程声发射事件能量最大值随洞径增大呈递减趋势,而累计能量呈递增趋势,反映小洞径试件破坏时能量释放更集中,破裂剧烈程度更高,洞径越大,试件内部产生裂纹的总体规模越大。加载过程声发射b值在进入损伤发展(Ⅱ)和损伤破坏(Ⅲ)阶段时皆有显著减小,反映在此阶段大裂纹事件的产生增多;声发射总体b值随着洞径的增大而减小,反映试件随洞径的增大,破碎程度降低及大尺度破裂增多。在损伤破坏(Ⅲ)阶段,低、中频高幅值声发射事件比例随着洞径的增大递增,反映试件随洞径增大在此阶段围岩大尺度破裂增多。声发射各阶段时频特征参数反映的试件各阶段的损伤破裂尺度与试件宏观破坏现象一致。     

压力水-岩耦合作用下砂岩断口微观破坏机理

为了研究流固耦合作用下岩石的损伤劣化机理,以砂岩岩样为研究对象,采用流固耦合力学实验系统开展轴压水压耦合作用下单轴压缩、三轴压缩及三轴蠕变实验,借助扫描电子显微镜对岩样破裂断口的微观结构特征进行分析。结果表明:单轴饱水岩样破裂断口表面比干燥岩样出现更多的裂纹核,且断口形貌以沿晶断裂为主,穿晶断裂为辅;随着水压增大,三轴压缩岩样破裂断口表面裂纹核逐渐变少,剪切平行裂纹逐渐增多,岩样的宏观破坏形式从以张拉破坏为主逐渐向以剪切破坏为主转变;与三轴压缩岩样断口相比,三轴蠕变岩样破裂断口表面平整度和光滑度较差,晶体间联结更加紧密,剪切裂纹密度和深度增加。     

多孔弱胶结岩石破裂的围压影响机制及压密-损伤本构模型

通过开展粉砂岩单轴、三轴压缩试验,研究不同围压下岩石的力学性质及声发射活动规律,揭示了围压对多孔弱胶结岩石破裂的影响机制;根据声发射能量计数建立损伤变量,并提出了表征岩石损伤分布程度的损伤度;采用粉砂岩空隙体积应变建立岩石的空隙压密度,验证岩石空隙压密-损伤破裂本构模型并进行了参数分析.研究表明：1)施加围压阶段产生的体积压缩量最高,占据岩石最大体积压缩量的65%;泊松比随围压增大而减小,与致密硬岩恰好相反.2)围压限制了岩石的微裂纹扩展,粉砂岩单轴压缩时的声发射振铃计数率最大值为三轴压缩的十几倍;围压越大,声发射空间分形维数越小,微裂纹分布越集中.3)多孔弱胶结岩石的破坏是岩石内部短时间内产生大量小尺度剪切微破裂并迅速汇集—兼并形成大尺度宏观裂纹的过程;低围压可以有效地抑制小尺度微裂纹的扩展,而高围压对大尺度微裂纹的约束效果更明显.4)空隙压密-损伤破裂本构模型的理论参数物理意义清晰,能够准确反映围压对粉砂岩压密及破坏的影响机制,对于描述三轴压缩下多孔弱胶结岩石变形破坏规律具有较好的适用性.     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程 声发射特性的离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明:由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系,且声发射空间响应集中在2种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。随着层面倾角的增大,岩石的单轴抗压强度和弹性模量呈先减小后增大,层面倾角90°时的强度甚至超过了0°时的强度。     

基于矩张量P-T图的岩石单轴压缩破裂机理研究

为揭示岩石单轴压缩试样的破裂机理,利用颗粒流理论(PFC)模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论和P-T图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、矩震级、破裂类型、破裂方位、应力状态等破裂参数及其演变规律.结果表明:岩石破裂方位受试样形状和加载方向影响,主压应力分量主要位于加载方向附近±45°范围内,主张应力分量主要垂直于临空面,张拉破裂类型占主要成分.在微裂隙萌生和扩展阶段,声发射破裂类型主要为张拉破裂,其数量较少,能量较低;在应力峰值前后,岩石破裂向其他方位不断扩展,剪切破裂和混合破裂类型的声发射事件增多;单个剪切破裂比单个张拉破裂所释放的能量高.     

单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

主蒸汽管道破裂过程及其声发射故障诊断的可行性

本文以金相分析与断裂力学方法研究了主蒸汽管道蠕变破裂过程。在破裂前的1000小时之内,主裂纹不断以快速剪切方式与裂纹前沿的微裂纹相联接而发生扩展,这样就会产生峰值声发射,可以用声发射诊断主蒸汽管道的蠕变破裂,防止事故的发生。     

玄武岩纤维活性粉末混凝土与钢绞线粘结滑移过程声学特性表征

针对预应力锚索因粘结失效而导致的高边坡失稳问题,提出将预应力锚索与高性能材料结合应用的方法以提高边坡抗灾韧性。首先,开展了预应力钢绞线与玄武岩纤维活性粉末混凝土（BFRPC）中心拉拔试验,研究了公称直径为15.2 mm的钢绞线在两种浆体材料（BFRPC、M40普通水泥砂浆）下的钢绞线粘结性能,总结其破坏形式;其次,基于声发射特征参数的分布规律,识别应力状态下钢筋混凝土材料的损伤过程;再次,通过对上升时间/振幅-平均频率（RA-AF）值进行对比,明确钢绞线-混凝土拉拔过程中的损伤模式;最后,依据Ib值识别不同应力状态下钢绞线混凝土材料裂纹发展的各个阶段。研究结果表明：3个阶段的能量、幅值变化规律与试件内部裂纹的产生、扩展等损伤过程联系紧密;通过RA-AF分析得出,剪切裂纹主要发生在界面混凝土附近,而拉伸裂纹的宏观体现为垂直于加载方向上的裂纹;Ib值波动差至0.25时可以将其视为一个预警值,以警告预应力钢绞线-混凝土材料即将发生劈裂破坏。     

石灰岩三轴压缩全应力应变过程的声发射特性

本采用徐州九里山石灰岩试件，在美国ＭＴＳ公司生产的ＭＴＳ ８１５．０２Ｓ伺服试验机上进行连续加载、循环加载及应力松驰试验，测试了石灰岩在不同围压及不同加载方式下的声发射特性。得出：（１）石灰岩在低围压下呈脆性劈裂破坏，主破裂前声发射很少，ＡＥ突发信号发生在主破裂瞬间；随围压增高，试件呈剪切破裂形式，主破裂前有众多声发射。（２）连续加载及循环加载方式下石灰岩呈现不尽相同的声发射特性，前大量ＡＥ信     

水力耦合作用下岩体3维裂隙的起裂扩展模式研究

岩体裂隙在高地应力、强渗透压作用下极易发生扩展、贯通,导致岩体破裂失稳。为研究水力耦合作用下3维裂隙的起裂扩展模式,采用3维断裂分析软件FRANC3D建立水力耦合数值模型,进行数值模拟研究,并开展相应的含裂隙透明树脂类岩石材料室内破裂试验。通过对比模拟与试验结果,分析了不同断裂准则的适用性,验证了数值模型的可靠性。基于数值模拟调查了不同加载条件下裂隙前缘断裂参数的分布特征,获得了水压、侧压等关键因素对裂隙起裂角及扩展长度的影响规律。结果表明：采用优化的能量释放率准则模拟的3维裂隙空间起裂扩展模式与试验现象具有良好的一致性;裂隙长轴端点处的翼裂纹为Ⅰ-Ⅱ（张拉－滑移）型复合裂纹,短轴端点处的平面扩展为Ⅰ-Ⅲ（张拉－撕裂）型复合裂纹,除长、短轴端点外的其余位置发生Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合断裂;水压的存在显著改变了裂隙前缘的应力分布状态,水压增大可提高拉应力水平,明显促进张拉断裂的发生,使裂隙倾向于沿原裂隙面方向起裂,并导致裂隙前缘各处扩展速率趋于均衡;侧向压应力增大可显著促进张拉断裂,抑制滑移与撕裂断裂,并使裂隙前缘能量释放率呈降低趋势,从而抑制裂隙扩展,而侧向拉应力起相反作用,由此认为岩体在双向受压状态比拉压受力状态更为安全;侧向压应力与水压共同导致翼裂纹偏转角度明显减小,改变了3维裂隙的空间起裂扩展模式及岩体的宏观破裂形态。     

基于小波变换的金属材料声发射特性研究

以Q235-B碳钢和0Cr18Ni9不锈钢为研究对象,分别对其在塑性变形和裂纹扩展时产生的声发射信号进行检测,运用小波变换分析检测信号来研究材料的声发射特性。结果表明,碳钢产生声发射信号经db5小波6级分解后,d5级信号占的能量比例最大,其峰值对应频率基本在166-176kHz内,裂纹扩展时这一级信号所占能量比例较塑性变形时高;不锈钢产生声发射信号经同样变换后,d6级信号占的能量比例最大,其峰值对应频率基本在88-112kHz内,裂纹扩展时这一级信号所占能量比例较塑性变形时高。     

石灰岩在单轴压缩条件下的声发射特性

为研究岩石受压及破坏失稳过程中的声发射特性，作者利用改进的岩石声发射参数动态测试系统，对广西某矿石灰岩作了岩石的单轴压缩试验，检测了岩样从加载直至破坏过程中的声发射活动，表明内部微裂纹的形成与原有裂纹的扩展是岩石加载过程中声发射活动的主要原因。     

均质度对层理页岩破坏过程声发射影响的数值模拟

采用真实破裂过程分析软件RFPA~(2D)(realistic failure process analysis),结合所取江西页岩岩芯的室内强度、泊松比、弹性模量等实验结果,对不同均质度的不同方向层理面页岩在单轴压缩破坏下的过程及其声发射特性进行了数值模拟。研究表明:页岩层理面方向和均质度对其抗压强度、破坏模式和声发射特性有显著影响。垂直于层理面加载时的抗压强度大于平行于层理面加载时的抗压强度,而其声发射累计数小于平行于层理面加载的声发射累计数。加载方向与层理面垂直时,层理弱面发生剪切破坏,而基质体发生劈裂破坏。加载方向与层理面平行时,主要发生沿层理弱面的竖向劈裂。随着均质度增大,模型峰值应力增大,声发射计数减少,声发射信号出现时间延迟,持续时间变短。声发射的集中带与基元破坏形成的宏观裂纹的位置一致。     

岩石压剪断裂的模型试验研究

本文通过含中心斜裂纹砂浆试件的单轴压缩模型试验，测试并分析了裂纹扩展过程中的声发射特性和裂纹面相对位移。试验表明：岩石类脆性材料的压剪断裂破坏机理与拉剪断裂有本质的区别，裂纹面相对位移随轴压荷载的变化曲线与裂纹扩展过程中的声发射曲线具有一定的同步性，反映出中心斜裂纹压剪断裂的阶段性，以及裂纹的几何尺寸、分布规律和裂纹面物理力学性质对岩石压剪断裂的影响。