基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地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。     

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。     

岩石声发射定位技术及其实验验证

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等),在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。对含不同预制裂纹及完整岩样进行单轴压缩实验,应用声发射仪器及其盖格尔(Geiger)定位算法对岩样破裂过程的裂纹扩展过程进行实验验证。实验结果表明:在单轴压缩加载条件下,含预制裂纹的岩样发生剪切破坏;完整岩样发生劈裂破坏。声发射事件的定位达到较高的精度,很好地反映了岩样内部微裂纹孕育、萌生、繁衍和扩展的三维空间演化模式,不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果与实际破坏模式非常吻合,这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。     

基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究

应用声发射及其定位技术,采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程.实验结果表明,在岩石弹性变形阶段,声发射事件定位位置为岩样内部的应力集中位置;随着加载的进行,声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向,并直观地反映出其内部裂纹稳定扩展过程.从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出,初始裂纹产生的位置具有随机特性,且初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素.岩样尺寸影响其破坏模式,受加载过程裂纹初始时序不同影响其声发射活动规律表现不一致;不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性,其中砂岩在加载过程其声发射活动具有突跳特性,这主要与岩石均质程度相关.声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义.     

石灰岩加载过程中声发射信号特征试验研究

循环载荷对工程岩体长期稳定性有着重要的影响,为深入研究循环荷载作用下岩石内部微裂纹的萌生、发展及贯通的时空演化规律,文章以石灰岩作为研究对象,开展了石灰岩在单轴循环加卸载声发射试验,研究结果表明:通过石灰岩单轴压缩声发射试验,获得了不同加载阶段的声发射信号特征,证明了声发射信号特征可反映岩石微破裂;通过循环加卸载试验,获得了声发射信号特征随应力的变化特征,并具有一定的记忆特征,具体表现为地应力条件下,岩样内部微破裂活动较低,声发射信号强度较弱,而高应力条件下,岩样内部微破裂增多,声发射特征强度增强,表明声发射可有效获得岩石内部微裂纹发展的全过程,研究成果可为工程岩体稳定性分析提供重要的技术支持,具有重要的工程应用价值。     

基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究

 利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件(振铃数＞20)随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。     

基于声发射时空演化的岩石全应力–应变曲线阶段特征分析

岩石单轴压缩变形破坏全过程的应力阶段划分及其声发射特征,有助于预测加载岩石所处的应力状态。本文以粉砂岩为例,从声发射事件累积曲线、频率时间散点图、空间分布特征3个方面,确定岩石全应力–应变曲线七个阶段的声发射特征。首先,对声发射事件上述3个方面的各种几何特征进行初步归纳,定义了AE平台、AE阶梯、主频带、贯频、加密集聚等特征,可更细致地表现声发射的演化规律。其次,通过粉砂岩FSA单轴压缩实验的声发射定位,得到全应力–应变过程7个阶段声发射的时空演化特征,发现声发射事件累积曲线、频率时间散点分布、AE事件空间分布的组合特征可以独立地识别七个阶段。细观机制分析表明,来自于应力的裂隙机制和原始裂隙构形的尺度、方位,对各应力阶段声发射综合演化特征有重大影响。类似于地震弹性回跳理论,岩样峰前软化段(第四阶段)的构造集聚形成剪切局部化,导致了峰后应力跌落主破裂的发生,更多声发射由弹性能释放造成的裂隙损伤过程激发,峰前软化段的声发射特征(AE大平台、AE阶梯,纵向AE主频线变稀疏、变贯通,多区加密集聚型)可以作为岩石破坏前兆。最后,进行不同岩性声发射时空演化特征的比较,发现声发射特征受细观裂隙激发超声振动这一物理过程的控制,粗硬的矿物颗粒、较强的颗粒胶结强度、分布均匀的微构造,容易被激发出更多的声发射事件、更多的频带和贯频。因此,应用声发射时空演化特征监测识别岩石的应力加载状态时,必须系统地考虑岩石结构构造对细观裂隙过程的影响。     

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。     

基于波速场成像技术的岩石损伤评价研究

基于区域相关性的声发射波速场成像技术,开展岩石破裂过程的声发射探伤成像实验,从损伤状态探测的准确程度和岩石损伤演化过程两方面对波速成像进行检验,构建基于波速场的损伤评价体系,确立基于声发射波速场的损伤变量。研究结果表明:波速成像云图以区域化的形式准确反演损伤区域的空间位置,低波速周边的弱化区域能够表征裂纹未来发育方向,高、低波速区域的离散分布刻画了岩石真实状态。波速成像云图的演化过程揭示了岩石关键破裂损伤多发生于波速异常区域或异常区域交界处,并以此为核心低波速区域不断聚集、扩展,向整体贯通的破坏机制。经过"波速场特征提取—综合权重确定—TOPSIS法综合评价"对岩石损伤状态进行评价,在分级加载过程中,岩石经历了损伤稳定发展与损伤加速上升的过程,在加速上升期间存在裂纹压密使损伤短暂降低的现象。该评价方法对岩石的微破裂行为刻画效果显著,能够在定量化描述损伤状态的同时显现损伤分布区域,对岩石损伤稳定性评价具有重要意义。     

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。     

岩石损伤破坏过程中分形与逾渗演化特征

通过细观非均匀单元破坏事件的累积来反映岩石宏观上的逐渐损伤,而通过分析破坏单元的三维空间位置来建立岩石破坏过程中的分形和逾渗模型,并采用RFPA3D软件来模拟不同随机分布的岩石在单轴加载条件下的破裂过程,研究岩石在逐渐损伤破裂过程中的微破裂的分形与逾渗演化特征。微破裂的分形和逾渗特征反映了岩石的非均匀程度,岩石损伤破裂分形维数随着均质度和单轴抗压强度的增加而变小。逾渗分析也表明,在非均匀程度较高的岩石中破坏单元分布更为弥散。当外加载荷逐渐增加时,破裂集团和分形维数都表现出逐渐增加的趋势,但外载达到临界值时,应力突然下降的同时伴随着破裂单元急剧增多、破裂集团合并减少以及微破裂、分形维数增加等突变行为。模拟结果表明,岩石破裂过程中的分形和逾渗变化的规律性并不是偶然的,不同层次(不同尺寸)的岩石材料其力学行为具有的自相似性才是问题的本质。     

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。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

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。     

A state-of-the-art review of mechanical characteristics and cracking processes of pre-cracked rocks under quasi-static compression

The mechanical characteristics and failure behavior of rocks containing flaws or discontinuities have received wide attention in the field of rock mechanics. When external loads are applied to rock materials, stress-induced cracks would initiate and propagate from the flaws, ultimately leading to the irreversible failure of rocks. To investigate the cracking behavior and the effect of flaw geometries on the mechanical properties of rock materials, a series of samples containing one, two and multiple flaws have been widely investigated in the laboratory. In this paper, the experimental results for pre-cracked rocks under quasi-static compression were systematically reviewed. The progressive failure process of intact rocks is briefly described to reveal the background for experiments on samples with flaws. Then, the nondestructive measurement techniques utilized in experiments, such as acoustic emission (AE), X-ray computed tomography (CT), and digital image correlation (DIC), are summarized. The mechanical characteristics of rocks with different flaw geometries and under different loading conditions, including the geometry of pre-existing flaws, flaw filling condition and confining pressure, are discussed. Furthermore, the cracking process is evaluated from the perspective of crack initiation, coalescence, and failure patterns.     

珊瑚礁礁灰岩工程特性测试研究

珊瑚礁是一种特殊的岩土类型。运用现场钻探、标准贯入试验、波速测试、平板载荷试验等勘探手段和方法,对沙特红海珊瑚礁礁灰岩进行了含水率、重度、抗压强度等室内试验,分析研究了珊瑚礁礁灰岩的物理力学性质及相关关系。测试研究表明:岩芯采取率、岩石质量指标和标准贯入试验可以评价珊瑚礁礁灰岩沿深度的岩土性能变化特征;珊瑚礁礁灰岩具有结构多变、多孔、重度小、性脆、强度低且变化大等工程特性;珊瑚礁弹性波传播速度小,而珊瑚碎屑岩和珊瑚状石灰岩具有较高的弹性波波速;载荷试验p-s曲线与其他岩土不同,随着荷载的增大,礁灰岩空隙发生了脆性破坏,岩土被压密。测试成果可供礁灰岩的进一步研究和工程应用参考。     

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。