秦岭隧洞深部岩石力学性能及声发射特征研究

通过对引汉济渭工程秦岭输水隧洞深部三类岩石片麻岩、花岗岩和石英片岩开展围压水平为0、5、10、15 MPa下的三轴压缩试验,分析研究了其力学性能变化,对深部花岗岩试件进行了单轴一次循环加卸载,并同步监测声发射变化,分析了声发射振铃计数、声发射能量和应力的特征规律。结果表明:秦岭隧洞深部片麻岩、花岗岩和石英片岩三类岩石试件的峰值强度和弹性模量均随着围压的增大而逐渐增大,弹性模量增幅随围压增大有所减小。围压一定时,花岗岩的强度和弹性模量均最大,但随着围压的增大,强度相差幅度有所减小,花岗岩的黏聚力和内摩擦角最大;花岗岩试件加载破坏后应力陡降,呈脆性破坏,岩爆倾向性较强;卸载再加载时,其累计声发射振铃计数和累积能量增长迅速,振铃计数率和能量率随应力增大迅速跃升,声发射活动剧烈,卸载会加速岩石受荷不稳定破坏的进程;冲击倾向性较高的岩石在单轴受压时释放较多的能量。     

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。     

单轴压缩下岩桥脆性断裂的临界慢化特征

为了完善锁固型滑坡等岩石工程灾害的预测、预警指标体系,对预有裂隙的砂岩试件开展单轴压缩下的声发射试验,从临界慢化角度研究岩桥因脆性断裂而产生的多种声信号参数特征。基于临界慢化理论,对三段式、挡墙式两类岩桥脆性断裂过程声信号的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩桥变形破坏的临界慢化现象,探索岩体破坏的声发射前兆表征。结果表明：(1)相对于三段式岩桥,挡墙式岩桥内部声发射事件更活跃,能量释放更强烈,脆性破坏特征更明显。(2)不同滞后长度、窗口长度分别影响着自相关系数曲线与方差曲线。(3)振铃计数、绝对能量、幅值、峰值频率、RA及RA/AF等声发射参数均存在临界慢化现象,但峰值频率与RA/AF临界慢化特征更加明显,RA与RA/AF在岩石剪切破坏中有较好的适用性。(4)岩桥受荷过程中,自相关系数、方差的突然增大作为脆性破坏的前兆预警信号,用方差识别预警信号比自相关系数更加容易可靠;岩石脆性破坏特征越明显,预警效果相对更差。(5)岩石压密完成后会产生一定的伪信号,如何准确地识别及区分仍需要进一步的研究。     

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。     

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。     

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。     

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。     

冻融循环对花岗岩声发射特性影响的试验研究

<正>在高寒地区,冻融对岩石声发射特征和抗冻性指标有着重要的影响。针对这一问题,利用在寒区采集的花岗岩试件开展冻融试验和冻融岩石的单轴压缩声发射试验。试验结果表明:花岗岩试件抗冻系数随冻融循环次数的增加而逐渐减小;试件的质量损失率随冻融次数的增加而增大。随着冻融循环次数的增加,试件端部效应趋于明显,试件破坏时的声发射撞击数显著增大。声发射振铃计数可分为接触期、平静期和破坏期3个阶段,随着冻融循环次数的增加,接触期持续时间延长且振铃计数明显增     

循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征

为了研究花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形及声发射特征,采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴和三轴循环加卸载试验。结果表明:三轴循环压缩下偏应力-轴向应变曲线的上凹现象和滞回环的迁移现象相比于单轴不太明显;峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系;单轴循环加卸载下,试样表现出柱状劈裂破坏,而在三轴循环加卸载下,试样则具有明显的剪切破坏特征;前5次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大,而在最后一次加载段弹性模量有所降低;三轴循环下试样在最后一次加卸载破坏时产生的声发射振铃计数要明显少于单轴循环。此外,在单轴循环下,每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台,而三轴下对应的损伤-时间曲线并未出现明显的平台,表明岩样损伤保持平缓增长。     

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。     

填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标( 总能量、弹性应变能及耗散能) 的充填效应。研究结果表明: 节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大; 完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段; 完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

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。     

基于声发射的蒸养混凝土受压损伤特性试验研究

为研究矿物掺合料对蒸养混凝土抗压性能的影响,对不同养护制度和配合比混凝土进行了单轴压缩声发射试验,利用声发射信号参数和高斯混合模型探究混凝土的损伤演化特性。试验结果表明：蒸养混凝土抗压强度普遍低于标养混凝土,矿物掺合料的加入能够补偿蒸汽养护导致的强度损失,且复掺粉煤灰和矿粉的补偿效果更好;受压全程中张拉破坏始终占据主导,而剪切破坏占比随加载时间呈递增趋势;声发射参数中,累计振铃计数、b值变化幅度和剪切破坏形式占比均与抗压强度呈负相关关系,可作为评价混凝土抗压性能的重要参数。     

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。     

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。     

配筋率对混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂过程声发射特征的影响

为了探讨配筋率对混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂过程及声发射特征的影响,通过4组直偏裂缝钢筋混凝土三点弯曲梁开展Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试验及声发射信号采集,并分析试验结果。结果表明:随着配筋率的增加,失稳荷载近似线性增加,配筋率影响混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型断裂模式;裂缝稳定扩展过程中振铃计数出现若干个峰值,累计计数的突变可以表征Ⅰ-Ⅱ复合型断裂临界状态,且3个参数间具有较强的相关性;声发射峰频点均呈现分频段集中的现象,从85%荷载水平开始,140~155 kHz的频段占比减小,30~45 kHz频段占比增加,临近失稳临界状态时峰频分布趋于分散。