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。     

基于声发射和DIC特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石的力学损伤特性，以深部致密储层砂岩及泥岩为研究对象，通过相似材料模型试验制备层状复合类岩石，开展单轴压缩试验并辅以声发射系统及数字图像修正(DIC)系统全过程监测，得到层状复合岩石的强度及弹性模量等物理力学参数。研究声发射振铃计数与岩石损伤演化过程对应规律，将单轴压缩下层状复合岩石损伤过程划分为初始损伤、损伤稳定发展及损伤加速三个阶段。以声发射内部损伤演化特征及DIC表面损伤演化特性为基础，建立了基于双损伤因子表征的层状复合岩石损伤本构模型。结果表明：3类岩石中，A类岩石的强度及弹性模量分别高于B类岩石21%和24%,AB类层状复合岩石的强度及弹性模量则低于B类岩石3%和4%。A类岩石以拉伸破坏为主，B类岩石多呈单斜面剪切破坏，AB类复合岩石主要沿胶结层理面或强度较弱部分产生拉伸-剪切滑移型破坏。三类岩石加载初期声发射活动较弱，在峰值应力时信号值达到最大。文中提出的模型合理地揭示了单轴压缩下层状复合岩石内部结构发展与外部裂纹萌发、扩展与贯通的损伤演化机理。     

堆石混凝土劈裂抗拉破坏过程中声发射特征分析

【目的】通过研究堆石混凝土(RFC)和自密实混凝土(SCC)在劈裂抗拉破坏过程中产生的声发射信号,并进一步确定最终的裂缝形态,有助于深入了解RFC和SCC的劈裂破坏特征,从而确保结构的可靠性和安全性。【方法】制作了边长为600 mm的RFC和SCC立方体试件,研究了RFC和SCC在劈裂抗拉破坏过程中声发射参数(振铃计数和累计振铃计数)与位移荷载曲线的关系;利用声发射信号的统计方法(RA和AF)分析确定了RFC和SCC裂纹演化特征;基于RA-AF值的混合高斯模型(GMM)辨识了劈裂抗拉破坏过程中RFC和SCC的开裂模式(拉伸型开裂或剪切型开裂)。【结果】结果显示：在劈裂破坏过程中,RFC声发射振铃计数分布不均,呈现分段式变化特点,累计振铃计数呈现明显阶梯状上升,SCC声发射振铃计数分布均匀,累计振铃计数平缓上升;RFC和SCC的拉伸型裂纹区域对应RA-AF数据点向AF轴靠拢,剪切型裂纹区域对应RA-AF数据点向RA轴靠拢,均表现出明显的原点集中现象。【结论】结果表明：(1)RFC和SCC劈裂抗拉破坏强度分别为其立方体抗压强度的0.065、0.067;(2)在劈裂抗拉破坏过程中,RFC的破...     

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。     

油页岩单轴压缩声发射演化规律及其破坏前兆特征

为研究油页岩受载破坏过程中有效前兆特征,利用TP耦合气体逸出试验系统对油页岩开展单轴压缩声发射试验,采集岩样破坏全过程产生的声发射信号,分析岩样变形破坏声发射随时间变化规律,对岩样加载破坏过程中声发射特征方差与自相关系数进行深入分析。试验结果表明：试验过程中有明显声发射现象产生,声发射特征变化与岩样变形破坏过程有着良好的对应关系;通过分析声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征,岩样在试验过程中以张拉破裂为主,后期剪切破裂逐渐增多;声发射特征在临近峰值强度时快速增大,表现出明显的临界慢化现象,方差与自相关系数的突然增大可以作为岩石破坏的前兆特征,且方差的前兆特征信息的捕捉相较于自相关系数更加容易且更为可靠;将声发射b值与声发射特征参数方差结合分析,可以有效剔除试验过程产生的伪信号,方差斜率快速上升阶段出现的b值突降点,可以确定为岩石破坏前兆特征点。研究成果可为岩土工程灾害预警提供可靠依据。     

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。     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

考虑裂纹闭合影响的岩石变形破坏过程模拟研究

岩石内部裂纹的分布对岩石损伤本构关系影响很大,然而目前的岩石损伤本构模型较少考虑裂纹的影响。为建立考虑裂纹闭合影响的岩石变形破坏模拟方法,引进裂纹闭合系数,假设岩石的微元强度符合Harris分布函数,建立了考虑Harris分布和裂纹闭合效应的新型岩石损伤本构模型。基于极值法确定了Harris分布参数,开展室内粉砂岩力学试验并借鉴其他岩石数据验证模型的合理性。结果表明,模型曲线与试验曲线匹配较好,提出的模型能揭示岩石的变形破坏规律,反映岩石的残余强度和延性特征及裂纹闭合效应的影响;对岩石破坏的损伤演化过程进行的分析符合“S”形曲线规律,能够较好地反映岩石的变形阶段划分。     

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。     

基于声发射技术的炭质页岩破坏过程试验研究

声发射测试方法可通过捕捉岩石试块破坏过程中的声发射信号,直观地展示岩石破坏过程中次生微裂纹的产生位置及扩展路径。对炭质页岩试块单轴压缩试验的声发射测试发现,试块中原生节理裂隙面的方位及发育情况对其破坏过程有重要影响,原生节理裂隙面附近在受到外部荷载后产生的次生微裂纹随荷载的增加不断扩展,最终造成了试样的破坏。因此,应用声发射测试直观反映炭质页岩破坏过程中微裂纹产生、扩展的空间演化规律,对于深入研究该类岩石的破坏失稳机制具有一定的参考意义。     

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。     

不同加载模式下岩石声发射及其分形特征分析

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验设备和PCI-2 AE实时三维定位监测系统,对灰岩进行单轴压缩和巴西劈裂损伤破坏过程中声发射事件分形特征进行了研究。结果表明,不同的声发射特征可反映岩石在不同加载方式下的声发射内部活动特性和内部破裂过程;劈裂加载条件下的声发射分形维数普遍大于单轴加载条件,单轴加载条件下的声发射活动性强于劈裂加载条件,劈裂加载条件下岩石的破裂尺度较小,裂纹的扩展分布较均匀;不同加载条件下的破裂过程中,声发射分形维数整体上均呈现下降趋势,且在岩石试样破坏前下降到最低值,表明岩石失稳破坏是一个降维有序的过程。     

带裂缝混凝土动态轴拉的声发射特性研究

为研究带裂缝混凝土在动态轴向拉伸荷载作用下的声发射信号特性,采用张口位移控制加载的方式,开展了张口位移速率为10~(-5)~10~(-2)/s的混凝土动态轴向拉伸断裂试验,分析了不同加载速率下声发射特征参数振铃计数、状态参数事件计数率和荷载随时间的变化曲线。试验表明:振铃计数包络曲线和荷载曲线具有良好的对应关系,且随着加载速率的提高,声发射活动越集中,试件断裂时间越短,更偏向脆性破坏,声发射能很好地揭示试件动态拉伸的受载情况和破坏状态。基于声发射特征参量的能量分析揭示了混凝土断裂破坏能量释放规律。结果表明:带裂缝混凝土动态轴向拉伸破坏不具有典型的3阶段特征,声发射信号在破坏瞬间突发性增强;随着张口位移速率的提高,混凝土断裂破坏时间缩短,极限强度增加,释放的能量呈指数增长。     

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...     

细砂岩声发射全波形特征及频谱分析

针对细砂岩在不同应力下的破坏模式和裂纹扩展规律等问题,采用单轴压缩、定角压剪和巴西劈裂的方式对细砂岩进行加载试验,采集各试样加载过程的声发射全波形,并基于小波阈值去噪方法对原始波形去噪处理后,再采用快速傅里叶变换获得信号的频谱特征。通过分析声发射全波形及主频、次主频的演化规律,将信号频率细分为低([10,70) kHz)、中([70,120) kHz)、高([120,180) kHz)3个等级,揭示了岩石的破裂失稳过程。研究结果表明:不同试验方法下的声发射全波形差异较大,波形幅值的变化与岩石损伤的渐进过程密切相关;同等试验方法下的声发射主频、次主频具有自相似性,演化规律较一致,次主频对裂隙发育状态更敏感;低频信号反映了细砂岩破坏时的一种固有属性,与加载方式和试验方法无关,仅中频率信号和高频率的信号对应剪切滑移过程与剪切破坏模式。     

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。     

基于声发射的深层砂岩裂纹发育分类研究

利用MTS-815型刚性试验机和声发射监测仪,对深层砂岩层理面与垂直加载方向夹角不同的3种岩样(SY-0°、SY-45°、SY-90°)进行单轴压缩试验,得到应力-AE事件-AE能量-时间的关系曲线,并对声发射各个阶段参数RA和AF进行了统计,判断张拉裂纹和剪切裂纹的变化趋势。结果表明,3个方向加载的岩石破坏形式不同,SY-0°破坏是张拉、剪切共同作用导致的,SY-45°破坏以张拉破坏为主,SY-90°破坏是张拉、剪切共同作用,但以剪切破坏为主。     

基于声发射特性下的含骨料混凝土裂隙演化特性及其统计损伤本构研究

为探讨含骨料混凝土的损伤裂隙演化特性,基于统计损伤理论的数值模拟手段,建立了含骨料混凝土有限元模型,得到了不同工况下的裂隙扩展过程、声发射规律和峰值强度变化,同时基于声发射数值结果定义了损伤度的概念。结果表明：不同工况下的裂隙演化呈现“X”型扩展,由“翼形裂纹”与“反翼形裂纹”共同组成;“翼裂纹”萌生及扩展主要破坏模式为拉伸破坏,“反翼裂纹”的萌生是由于剪切破坏而产生,随后扩展模式为拉剪复合破坏;预制裂纹的倾角越大,骨料含量百分比越大,则试样的峰值强度也越大,但是前者对混凝土抗压强度的增幅要小于后者;定义了损伤度的概念,加载过程中混凝土的损伤变化经历4个阶段：线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段和损伤平稳发展阶段。骨料含量百分比越大,预制裂隙倾角越小,则最大损伤度越大,不同工况下的损伤度变化范围为0.85~0.94;骨料的破坏模式共分为4种,即偏转绕行、止裂、裂纹被骨料吸附和裂纹穿过骨料。本文数值模拟中偏转绕行是主要破坏模式。     

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。