增量循环加卸载下岩石峰值强度前声发射特性试验研究

为了研究岩石峰值强度前声发射前兆特性、加卸载过程的声发射特性,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用,采用花岗闪长岩、角岩、矽卡岩、铜矿、钨钼矿和铅锌矿共6种岩石分别开展单轴压缩、增量循环加卸载和增量稳压循环加卸载3种不同加载方式的试验,主要对岩样峰值强度前声发射相对平静期、卸载过程的声发射特性、对2种不同循环加卸载方式下的Felicity比以及加卸载响应比的变化情况进行研究。试验结果表明,3种加载方式下部分岩样始终存在"相对平静期"现象,多种岩样的AE事件峰值频率在破坏前总是低频成分显著增加,且越接近破坏,大振幅AE事件就越多。在2种不同循环加卸载方式下,当应力水平达到峰值强度的50%～60%时,Kaiser效应逐渐消失,Felicity效应出现。Felicity比和加卸载响应比在低应力水平阶段均大于1,进入中等应力水平阶段后在1附近波动,但相对比较稳定;进入较高应力水平以后,岩石内部裂纹不稳定扩展,Felicity比逐渐减小,到0.64～0.89时,试样破坏。试验表明,相对平静期、Felicity比和加卸载响应比等可作为预测或判断岩石失稳破坏的参考依据。     

基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究

 通过室内实验以及数值模拟研究构造应力对花岗岩巷道岩爆的影响,从可见光图像、声发射、远红外的变化规律入手,分析三者与巷道岩爆的内在联系,揭示巷道岩爆的孕育机制。实验选择的花岗岩岩爆倾向性指数为13.84～18.02,属于中等程度岩爆倾向性岩石。研究结果表明：由于岩石破裂过程中的能量耗散,发生岩爆前均会出现多种物理参数突变现象;岩爆发生前,巷道围岩将出现大范围应力转移和应力集中,岩爆发生时巷道左右以及上下边帮将有岩屑弹出,并且侧压越高,岩爆的烈度越强;岩爆发生前至少出现2次大范围温度跳变,即温度初始异常点与岩爆前兆点;声发射绝对能量b值的跳变和平静期的出现可作为大破裂的前兆信息;经统计分析,这3种监测手段对岩爆的响应敏感顺序为：可见光图像＞远红外＞声发射。由于岩体内部观测的复杂性,采用多种监测手段,建立岩爆监测的多物理场参数联合预警方法,可为岩爆监测提供更准确地预警信息。     

侧压对巷道岩爆声发射及损伤特性影响试验研究

采用双轴刚性伺服控制系统进行花岗岩岩爆模拟试验,采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统同步采集岩爆过程中的声发射数据,研究了不同水平构造应力对巷道岩爆的影响。研究结果表明:随着侧压的升高,花岗岩峰值强度随之增加,并且孔洞内壁初次弹射岩屑的时间提前;轴向载荷达到峰值荷载的80%～88%时,声发射进入平静期。随着侧压的增大,峰值载荷前的声发射平静期延长,振铃计数率突增点出现的时间提前;随着侧压的增大,岩样出现初始损伤的时间相对滞后。花岗岩孔洞内出现碎片弹射时,声发射b值下降到最低值,这一现象可作为发生岩爆的前兆特征。     

不同岩爆倾向性灰岩加载声发射特征及损伤模型

为探讨不同岩爆倾向性灰岩声发射特征及其所表征的损伤模型,开展不同埋深灰岩的岩爆倾向性室内试验和单轴压缩声发射试验,综合弹性能量指数W_ET判据、变形脆性指数K_ε判据和线弹性能W_e判据对同一钻孔埋深600～1 000 m灰岩进行岩爆倾向性判别;以时间为中间变量,推导不同岩爆倾向性灰岩声发射累积能量与应变的关系;基于损伤力学基本原理,建立以声发射累积能量表征的损伤模型。研究表明：灰岩岩爆倾向性随埋深梯度的增加而增强;在应力临近峰值前,不同岩爆倾向灰岩声发射事件数及累积能量均剧烈增加,声发射累积能量呈“台阶”型演化。岩爆倾向从无到强,声发射事件数高发的频率越小,累积能量经历的平静期更长,“台阶”宽度愈发变窄,灰岩储存的能量由阶段性耗散逐渐转向瞬间释放。无岩爆倾向灰岩声发射累积能量符合幂函数增长特征,有岩爆倾向灰岩声发射累积能量呈阶段性突增,由此建立的损伤模型以灰岩有无岩爆倾向性分为2种不同的形式。损伤模型中A,B_T,C三个参数分别代表了岩石储能的大小、能量释放时间位置以及能量释放快慢程度,可为岩爆倾向性的判...     

确定弹性应变能指标的岩样卸载点的声发射方法

弹性应变能指标方法是岩爆倾向性评判中应用最多的一种方法,但该方法的一个技术难题是在实验中难以确定卸载点。在武夷山隧道工程的岩爆倾向性评价的室内试验中结合岩石的声发射监测技术,试图解决这个难题,并利用弹性应变能指标法对该隧道的岩爆倾向性进行了评价。试验研究结果表明,采用声发射监测技术并利用岩石峰值破坏前声发射突增的特性,可以较好地控制初次加载达到岩石峰值强度的80%以上,且在岩石不发生破坏的情况下及时卸载,从而能很好地满足弹性应变能指标法对岩石加卸载条件的要求,提高了测试结果的可靠性。同时,本实验得出该隧道具有发生中等岩爆的倾向性的结论。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析

利用声发射事件率、振铃事件比和累计振铃数作为AE表征参数,进行单轴受压下突出煤样破坏全过程声发射试验。试验结果表明,不同轴向载荷的作用过程中,煤样声发射特征变化具有阶段性,根据全应力–应变曲线和声发射特征的变化规律均可分为5个阶段;因既反映声发射事件发生的频度又涉及事件的能量,声发射振铃事件比能更为准确地反映煤体变形破坏过程中声发射变化趋势,适合作为煤岩动力灾害预测的主要参数之一。弹塑性阶段是累计振铃数增长的主要阶段,累计振铃数达到AE累计振铃总数的35.35%;在接近峰值强度时,AE累计振铃数曲线趋于平缓,出现声发射相对平静期,即在其他岩石中存在的峰前相对平静期也存在于具有较多原始损伤的煤体之中,但损伤煤体的相对平静期更短,AE累计振铃数曲线突增和峰前相对平静期可作为煤样峰值破坏的征兆用于煤与瓦斯突出预测预报。     

深埋隧洞岩爆段岩石声发射特征研究

深埋隧洞往往所处的地质环境更加复杂,地应力更高,施工过程中易引发岩爆灾害,造成重大经济损失和人员伤亡。文章以引汉济渭工程引水隧洞为工程背景,对引水隧洞岩爆段典型围岩花岗岩进行声发射试验,研究其在单轴加卸载条件下的声发射特征及规律。试验结果表明:岩石单轴压缩破坏过程中具有典型的声发射特征阶段,岩石在破坏之前出现的声发射相对平静期现象,有助于对岩石的岩爆进行预测、预报。     

基于最大能量耗散率的岩爆倾向性指标研究

岩爆倾向性判别为隧洞岩爆风险评价提供了基本依据。在分析岩石单轴压缩各阶段能量耗散演化特征的基础上,提出基于最大能量耗散率(耗散能密度时间导数的最大值)的岩爆倾向性评价新指标,从稳定性判定准则、经验和岩爆倾向性定义3个角度阐明其科学合理性。为定量计算所提指标,建立考虑空隙压密和初始损伤的弹脆性损伤本构模型;为验证指标及损伤模型的适用性,开展4种岩石(玄武岩、花岗岩、灰岩、砂岩)在刚性和柔性压力机下的单轴压缩及循环加卸载试验。最后基于正交试验、相关性分析和极差分析,揭示岩爆倾向性的影响因素及不同指标间的内在关系。结果表明：岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后阶段存在能量耗散率峰值,该值可作为材料固有稳定性指标评价岩爆倾向性,兼顾了岩石的峰前能量储耗特性和峰后特征;所提弹脆性损伤模型较好反映了岩石单轴加载下的非线性力学行为和内蕴能量演化特征,应力–应变和耗散能密度理论曲线均与试验值吻合良好;不同岩石最大能量耗散率与实际岩爆等级一致,证实了所提指标的可靠性;弹性模量、脆性和初始损伤是岩爆倾向性的主要影响因素,最大能量耗散率指标较好体现了岩石脆性对岩爆倾向性的影响,与剩余弹性能指数的相关性最强(相关系...     

基于声发射多参量分析的岩桥裂纹扩展研究

为研究开放性岩桥裂纹扩展特征及破裂机制,通过对花岗岩岩桥试样进行单轴压缩试验和声发射监测,基于应力–应变曲线、声发射参数和频谱特征分析其裂纹扩展过程。研究结果表明:裂纹由倾斜预制裂纹尖端起裂,扩展方向受应力方向控制;应力–应变曲线出现"峰前波动上升"和"峰后阶梯式下降"特征;声发射振铃计数率和能率"突增点"与"相对平静期"间隔出现,累计计数和累计能量曲线"台阶式上升","突增点"对应宏观裂纹的形成,而"相对平静期"则是为宏观裂纹增长积蓄能量;声发射频谱对裂纹扩展更灵敏,高频低幅值和低频低幅值信号对应沿晶或穿晶微裂纹,高频高幅值信号对应中尺度或穿晶小尺度裂纹,低频高幅值信号对应宏观大尺度裂纹,中频低幅值信号与已有断面的摩擦有关。本文研究获得的裂纹扩展的声发射特征为岩桥破坏机制和监测提供了依据。     

单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究

在单轴多级加载条件下，进行花岗岩破坏全过程的声发射试验研究，得到应力-应变、声发射参数与应力和时间的关系。研究结果表明：每级荷载稳压时AE事件率、能率降低，而AE事件数基本稳定或增加平缓，表明稳压阶段试样内原有裂纹未发展、新生裂纹少、声发射水平低。随时间的延长和轴向荷载的增加，AE事件率增加，表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。室内单轴多级加载试验在一定程度上反映出地下厂房分级开挖时应力调整前后声发射的趋势变化，建议在高地应力区进行水电地下厂房岩爆等地质灾害的现场声发射监测时，应选取合适的监测时机，特别要在上下台阶贯通时加强监测。整个加载过程中存在初始区、剧烈区和下降区，多数试样临近峰值强度时声发射活动活跃，尔后AE事件数趋于平缓，AE事件率下降，出现声发射平静期现象。与其他学者的室内和现场试验研究成果作一对比，认为岩体破坏发生前多出现声发射的突然下降或相对平静期现象，并在物理过程上对此作一探讨，为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路。     

花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制

 对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片,岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间/幅度)的不同,分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段,产生以低幅、低能量释放为特征的波,对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂;在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外,高频幅值也有增大趋势,表明有高能量释放,试件内产生宏观破裂;岩爆前RA值增加,岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波,低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波,分别对应形成穿晶或解理微裂纹,以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹,以剪切裂纹为主,显示高能量释放及低RA值特征。     

花岗岩破裂全过程的声发射特性研究

声发射是许多材料发生脆性破坏(包括其微裂纹的初始、扩展)过程中伴随的很普遍的现象。应用两套声发射系统,研究在单轴压缩荷载条件下10个花岗岩样(70mm×70mm×150mm)破裂过程中,随加载时间、应力变化其声发射活动的特性;通过应用单纯形算法对声发射事件定位,分析岩样破裂过程中其内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式。试验结果表明:(1)在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;(2)在初始加载阶段直至初始裂纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点处声发射事件明显增多;(3)在裂纹初始形成之后到微裂纹扩展之前,声发射活动处于一段平静期,裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏,声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非稳定阶段,声发射事件随加载时间及应力变化率非常显著。对于岩样内部初始裂纹形成之后的“平静区”而言,初始裂纹形成之后,并非裂纹随着荷载或者应变的变化而直接扩展,而需要蓄积一定的加载能量,在能量蓄积一定程度之后再进行扩展,即岩石初始破裂之后,其内部应力场需要寻求新的平衡,新应力平衡达到之后裂纹才开始进一步扩展;同样,当岩石完全破坏之后,应力也没有立即完全释放,亦是达到新的应力平衡之后,才完全失去其强度。声发射事件定位结果直观的反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据

在考虑岩石加载全过程中能耗特性的基础上,提出一种基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性新判据。选用14种岩石(包括6种花岗岩、2种大理岩、4种砂岩、1种板岩、1种灰岩)进行不同应力水平下的单轴压缩一次加卸载试验,利用图形积分方式获得岩石试样在不同卸载点处的总输入能密度、弹性能密度、耗散能密度值,分别考察弹性能密度、耗散能密度和总输入能密度之间的定量关系,得到弹性能密度和总输入能密度之间的线性函数关系,发现储能系数(不同应力水平下弹性能密度和总输入能密度的比值)为定值的线性储能规律。在此基础上,提出一种计算岩石材料在峰值强度时储存在岩石内部弹性能的方法,改进了峰值能量冲击性指数的计算公式,进而建立一种基于剩余弹性能指数(峰前弹性能密度和峰后破坏能密度的差值)的岩爆倾向性判据。依据岩石试验破坏情况,提出基于定性指标和定量指标的室内岩石材料岩爆等级划分标准。研究结果表明,依据岩爆倾向性新判据所得判别结果和岩石材料实际岩爆倾向性等级比较一致,为从岩石材料全加载过程中能耗特性方面分析岩爆倾向性提供了一种新方法。     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究

利用MTS815岩石力学试验系统与PCI-2声发射系统,开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验,通过对岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律研究发现:岩石单轴压缩全过程中声发射时序参数演化过程,可分为上升期、平静期和波动期3个阶段;AE信号源的空间分布和聚集位置,可对应岩石内部应力集中和宏观破碎严重区域;随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂成核、扩展,最终贯通为宏观裂纹,试样完全破坏且大部分能量得到释放。基于声发射时空演化的破坏前兆特征研究发现:岩石单轴压缩全过程中,AE平静期、AE能率、AE振铃计数率和岩石扩容可作为预测岩石破坏的指标,其中AE能率和AE振铃计数率对岩石失稳破坏的预测最敏感,其次是AE平静期现象,再次为扩容点。本文研究可为高地应力区地下厂房岩体稳定性监测与预报提供依据。     

单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究

 采用声波、声发射一体化装置,研究单轴压缩下花岗岩波速与声发射演化规律,通过宏细观方法确定各应力门槛值,研究裂纹扩展不同阶段声发射演化及波传播规律。结果表明：细观裂纹的演化与宏观变形直接对应,由于微裂纹主要沿轴向扩展,导致轴向刚度对裂纹起裂及贯通的敏感度弱于非线性增长的侧向变形,瞬时泊松比曲线斜率变化点与应力门槛值对应,声发射测试确定的起裂应力比宏观应变法偏小,但反映了微裂纹的初始萌生;采用实测波速变化分析声发射震源的时空及幅值演化分布,较好地描绘了裂纹的扩展过程,由于不同阶段声发射信号的幅值及能量存在差异,导致声发射特征参数演化规律差异较大(尤其在损伤应力之后),AE能量在破坏前呈突发性增长,可作为灾害性破坏的前兆;加载初始阶段,由于微裂隙的闭合,波速及波幅均随应力逐渐增大,但增加速率逐渐下降,侧向波速在闭合应力附近基本达到峰值,此后一定阶段基本保持不变,但其他方向波速则继续增大,随着波传播方向与径向夹角的增大,波速增加幅度及波速下降点对应的应力(损伤应力前、后)逐渐增大,峰值应力附近对应波速下降幅度减小;波速受损伤演化的影响要滞后于声发射事件。