岩石声发射规律数值模拟初探3

 提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架, 并以有限单元法为例就具体实施 的几个关键问题作了简述, 包括单元的划分、单元参数的赋值、声发射率的计算。本文给出了 一个计算实例, 所得结果包括岩石声发射的时间序列和空间序列分布。     

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。     

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。     

岩石破裂声发射过程的围压效应

针对由于地下开挖引起的岩石声发射率突增及最小主应力减小可能引起地震等地质现象，利用统计损伤理论对岩石破裂过程中声发射率的时间序列特征，特别是三维应力下岩石的快速加卸围压对声发射的影响进行了理论探讨。结果表明：三维应力下岩石快速卸围压，促使声发射率突增，而在一定范围内快速增加围压，声发射并不发生，只有增加一定轴压，才会有声发射的产生，这些结果在计算机上得到了很好的模拟，并与实验结果相吻合     

考虑含缺陷岩石的声发射数值模拟研究

岩石为非均质材料,内部由不同强度的颗粒组成。研究表明,不同均质性岩石材料在单轴压缩过程的声发射表现出不同的特征,深入研究这些特征对预测岩石破裂有重要的作用。通过编制Fish函数实现随机赋予模型缺陷材料和声发射事件数记录,并内嵌到FLAC3D中模拟均质材料和不同随机缺陷单元数的单轴压缩声发射现象,探讨均质模型和含缺陷模型的声发射差异,以及缺陷数对声发射的影响,研究结果对分析岩石声发射特征具有重要意义。     

岩石声发射信号能量的小波包分析

信号处理是研究岩石声发射技术的关键。岩石声发射信号具有瞬态性和多样性的特点,属于典型的非平稳信号,传统的快速傅立叶变换不适于处理这类信号。本文根据岩石声发射信号的特点,引入小波包分析方法对岩石声发射信号的能量分布特征进行了研究。首先,简略介绍了小波变换与小波包分析的特点;其次,对声发射信号进行了小波包分解和重构,计算出不同频带声发射信号能量,得到了信号在不同频带上的能量分布图;最后,总结了声发射信号的频带能量的分布特征。     

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。     

岩石蠕变破坏声发射特性研究现状与展望

介绍了岩石蠕变破坏与岩土工程长期稳定和安全的关系,分析了岩石破坏声发射试验、岩石蠕变破坏过程声发射特征、岩石蠕变破坏声发射预测的研究现状,在此基础上,探讨了目前岩石蠕变破坏声发射特性研究中的不足之处,提出了岩石蠕变破坏声发射特性的研究方向。     

岩石缺陷材料的单元参数对声发射敏感性研究

岩石为非均质材料,内部由不同强度的颗粒组成,在单轴压缩过程岩石颗粒参数特性对声发射影响很大。针对这一问题,通过调用FLAC~(3D)内置FISH函数来实现赋予模型随机缺陷材料,并在此基础上记录声发射事件数,本文通过赋予缺陷单元同一参数和随机参数情况进行分析。研究表明:与缺陷参数一致相比,强度参数随机和模量参数随机对声发射表现出不同的特性,前者侧重于对应力峰值处声发射的影响,而后者侧重于声发射初始阶段。探讨岩石材料参数对声发射的影响对分析岩石声发射特征具有重要意义。     

水力耦合下岩石的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下，分别讨论了4种岩石在考虑渗流和不考虑渗流条件下的声发射特征。研究表明：在低应力阶段，岩石几乎没有声发射活动，淳流对声发射活动无影响：一般在达到其强度的60％～80％左右、临近破坏时，声发射活动才显著增加；加渗流和卸渗流的瞬间均产生较大的声发射事件，从稳定渗流到卸渗流一般接收不到明显的声发射信号；岩体破坏的声发射过程分为4个部分，即初始区、剧烈区、下降区和沉寂区；在破坏时，声发射信号的主频分布较宽，其中不加渗流时低频成分所占的比例超过了50％，坚硬岩石主频的最大值较破坏前、后急剧增大；加渗流或长期浸泡（130h左右）时低频成分所占的比例超过了60％～80％，软化岩石土频的最大值较破坏前后变化不大；岩石的声发射主频与岩石的强度有关，强度越高，主频也越宽；随着应力的增加，有些岩石的声发射主频最大值有增大的趋势。     

剪应力在缺陷体声发射过程中的作用

岩体受到外力时内部应力场发生变化,会产生声发射事件。对声发射的原因进行了对比研究。在已有工作的基础上对含缺陷体模型进行了有限元仿真计算,得到了不同应力的分布。对应力场和声发射定位的图形辨识发现,单轴压力实验和围压实验均是由剪切应力诱发为主,大致占总声发射数的1/2²/3,而正应力引发的声发射事件较少。     

FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations

Acoustic emission (AE) and microseismic (MS) events are indicators of rock fracturing or damage as the rock is brought to failure at high stress. By capturing the AE/MS events, underground excavation induced rock mass degradation or damage can be located and evaluated. A better understanding of the extent and shape of the excavation damaged zone (EDZ) or yield zone around caverns helps to arrive at safe and economic design and construction of the caverns. For this purpose, one needs to understand the AE mechanism associated with the excavation process.In the present study, a coupled numerical method is used to study AE at the Kannagawa underground powerhouse cavern in Japan. Two codes, Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC), a finite difference code and Particle Flow Code (PFC), a distinct element code, are coupled. The motive to apply the FLAC/PFC coupled approach is to take advantage of each modeling scheme while at the same time minimizing the requirement for computational resources. The coupling is realized through an exchange of displacements, velocities, and forces in each cycling step. The rock mass surrounding an AE sensor is modeled using PFC and the remaining rock mass is modeled with FLAC to consider the geological complexity and the excavation sequence. In this manner, the AE activities at AE sensor locations of the Kannagawa cavern were simulated and found to be in good agreement with field monitoring results. This approach takes account of stress redistribution and provides stress and displacement patterns in the rock mass that are consistent with AE observations for excavation design. The observed AE activities in the rock mass can thus be utilized to assess the effectiveness of the rock support system and the overall stability of the cavern.     

Back-analysis of rock mass strength parameters using AE monitoring data

Most back-analyses in geotechnical engineering are based on methods that utilize field displacement monitoring data. In the present study, a novel method is developed to back-calculate rock mass strength parameters from AE (acoustic emission) monitoring data in combination with FEM stress analysis. The method is based on the important concept of generalized AE initiation threshold of rock masses, established from comprehensive data analysis of laboratory test and underground monitoring programs using AE and microseismic (MS) techniques. An easy-to-use Wizard is developed in Microsoft Excel™ to assist site engineers to perform the back-analysis. The efficient solver in Excel is utilized to reach the optimization solution of an objective function with constraints. The Wizard allows the user to complete the analysis process in an interactive fashion. One example is given to demonstrate the back-analysis process using AE monitoring data recorded from a cavern site. The rock mass strength parameters identified from this approach compare well with field test data, suggesting that the tool can be used effectively to back-calculate rock mass strength parameters from AE monitoring data.     

基于小波变换时频能量分析技术的岩石声发射信号时延估计

声发射源定位技术是根据各传感器接收声发射信号的时差来实现损伤定位的,时延估计精确程度直接影响声发射源定位的精度。首先,在对不同损伤的声发射波形模式和频率识别的基础上,利用小波变换提取相应的单一频率或某一很窄频率段内的波形,并据此实现不同传感器在该频段的时延估计,为声发射源定位提供一个更为科学的方法;然后,使用Hyperion超声波系统,对单轴加载条件下岩石破裂过程中的声发射信号进行监测,并使用仪器自带的定位算法实现声发射源定位;最后,基于小波变换的方法对岩石试样声发射信号的时频能量分布特征进行分析,实现声发射源定位,并将定位结果与试样的真实破裂模式进行比较。试验结果表明,基于小波变换时频能量分析技术有利于减小声发射源定位的误差,从而提高材料损伤定位的精度。     

钢筋混凝土板腐蚀性的非破损检测

通过对氯离子侵入的试验室研究,来评价混凝土中的钢筋腐蚀程度。在试验中,声发射法(AE)直接用于估计钢筋腐蚀情况;半电池电势、极化阻抗和混凝土电阻被用于评价钢筋的腐蚀面积,用反边界单元法(IBEM)补偿电势。研究结果表明,声发射法(AE)是评价混凝土钢筋腐蚀的有效方法。     

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。     

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。     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

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。