单轴加卸载扰动下石灰岩声发射特性研究

 以取自拟建大连地铁二号线的石灰岩试件为研究对象,用单轴循环加卸载扰动来模拟交通荷载,进行该加载过程的声发射特性研究,并利用RFPA2D模拟岩石加卸载循环下的破坏过程。试验结果证实该种石灰岩存在Kaiser效应,也证实加卸载下的Felicity效应的存在。将加卸载理论应用于岩石的声发射前兆分析中,将加卸载响应比Y值达到(接近)1作为此种岩石失稳破坏前兆特征;石灰岩破裂过程中声发射能量加速释放现象明显。数值模拟结果能看到明显的Kaiser效应以及各步对应的声发射现象,将模拟结果与试验结果进行对比发现,岩石均质度系数m=5时,二者最为接近。所得结果可望为地下工程的施工安全研究提供理论依据。     

循环加载高应力对大理岩Kaiser效应影响的试验研究

声发射法(AE)广泛用于地应力测量。当单次加载Kaiser效应不明显时,可采用循环加载方式。通常各循环峰值加载应力大于岩石在地壳中所受最大应力?m,将大于?m的加载应力称为高应力。为研究高应力对岩石Kaiser效应的影响,对取自铜绿山矿的垂直钻孔岩芯进行循环加载试验,根据声发射特征曲线变化趋势及变形率分析法(DRA)地应力测量结果,对比水压致裂法所测地应力量值,确定不同加载阶段Kaiser效应点位置。研究结果表明:当循环加载峰值应力大于?m时,高应力将削弱与?m对应声发射事件的能量,使后续加载循环Kaiser效应不明显,同时会改变岩石之前记忆的应力值,使AE法地应力测量结果产生偏差;多次循环加载可导致岩石内部微结构面的破坏,其产生的大量声发射事件会混淆Kaiser效应点的辨识;因岩石差异性,高应力可能会取代岩石之前所受最大应力,成为岩石记忆的新应力。鉴于此,采用循环加载方式时,首次加载峰值应力A?应不超过?m,同时应使岩石跨过压密阶段进入线弹性阶段。铜绿山矿所取岩样循环加载试验结果表明,A?较合适的取值范围为岩石单轴抗压强度的6%~28%。此外,还给出声发射法和DRA法联合用于地应力测量的合理加载方式。     

二长花岗岩三轴压缩下声发射特征围压效应的试验研究

 岩石材料在受载情况下,发生变形和内部破裂,储存的部分能量以应力波的形式释放出来,产生声发射现象。采用三轴压缩试验和声发射试验,研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系。结果表明：(1) 岩石试样在三轴试验条件下,其声发射特征基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,其中压密阶段在围压对岩石材料的压实作用下没有明显体现出来。(2) 通过分析围压对岩石记忆效应的影响得出,在相对低围压水平时,Kaiser效应显著性会随轴向应力水平提高而降低,Felicity效应显著增大;随着围压水平的提高,Kaiser效应显著增大,Felicity效应显著降低。(3) 在声发射法测量地应力过程中采用三轴试验更为适合,三轴试验可消除应力环境不同和高应力水平Kaiser效应模糊所引起的误差,使测量值更接近实际岩体所处的应力状态。(4) 随着围压水平的提高,岩石的抗压强度随之提高,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征,表现为突然激发出高能量振铃计数率、能量累积迅猛增加,并且伴随没有峰后曲线的岩石突然破裂现象。     

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。     

Time-sensitivity mechanism of rock stress memory properties under tensile stress

In deep underground engineering,understanding of time-related stress memory properties is critical to evaluate the in situ stress conditions of a rock mass.In this study,the time-sensitivity mechanism of the rock stress memory properties under tensile stress was investigated.It was found that the material property(Poisson's ratio) and crack angle were the controlling factors of the Kaiser effect(KE) under tensile stress.In particular,the time-sensitivity of the stress memory properties was closely related to the crack growth path.When the failure of the rock specimen was dominated by tensile microcracks and the crack development direction was deflected by up to 30° in the successive loading process,the stress memory capacity was likely to be time-independent for a sandstone specimen.The distribution of the Felicity ratio in a Brazilian test was more discrete than that in a three-point bending test It also showed that the changes in the crack path,rather than the time interval between successive loading cycles,led to inaccuracy of the detected KE.This study provides insights into stress memory-related issues under uniaxial or more complex stress conditions and thus facilitates development of methods for testing in situ mechanical behaviors of rocks with acoustic emission(AE) technology.     

含层理岩石的AE特征分析及基于Kaiser效应的地应力测试研究

 针对煤矿沉积岩系地应力测试需要,通过单轴压缩声发射实验,分析顶板含层理沉积岩系岩石试件的破坏特征、声发射特征,研究Kaiser效应点的综合判断方法及基于声发射Kaiser效应的地应力计算方法。研究表明：(1) 单轴荷载作用下,无层理岩石试件破坏过程为：加载→完全破坏,表现出脆性破坏特征;含层理构造的岩石试件的破坏过程为：加载→局部滑移剪切破坏→加载→剪切带失稳、岩石试件破坏。(2) 无层理岩石试件的AE总计数随时间的增长趋势表现为“缓慢增长→急剧飙升”型,而含层理岩石则呈现出“台阶状”上升趋势,分析认为产生这种不同规律的根源在于岩石内部损伤破坏过程的差异性。(3) 通过研究AE特征提出Kaiser效应点综合判断方法,并完善Kaiser效应法地应力计算方法,最终得到测点地应力为： = 25.06 MPa, = 13.75 MPa, = 8.07 MPa,验证表明：计算结果在大小及方向上均具有一定的可信度。故提出的Kaiser效应点判断方法和地应力计算方法可用于Kaiser效应法地应力测试,该实验研究方法和结果可为工程实践或类似研究提供借鉴和参考。     

三轴多级荷载下盐岩声波声发射特征与损伤演化规律研究

 采用岩石声波、声发射一体化监测装置,系统地研究三轴多级循环荷载作用下盐岩超声波波速与声发射变化特征。结果表明：(1) 岩石的超声波波速和声发射活动与应力状态呈现出良好的一致性。加载阶段,超声波波速上升,声发射活跃,卸载阶段,超声波波速下降,声发射平静,应力级数越高,这一特征越显著。(2) 盐岩的声波、声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,应力循环试验中岩石波速变化率越大,声发射事件数量越多;围压水平越高,岩石超声波波速变化率越小,声发射事件数量越少。五级应力荷载试验中,围压条件为5,10,15,20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为1 026,703,361和206个,显示了“围压致密效应”。(3) 分别应用卸载模量、裂隙密度和Felicity比表征盐岩的损伤演化。结论认为：盐岩的裂隙密度和Felicity比变化与岩体承载破坏特征较为一致,可以较好地反映盐岩的损伤破裂过程,而利用卸载模量表征盐岩损伤误差较大,这是由于盐岩特殊的黏塑性变形特征造成的。     

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。     

高温下盐岩的声发射特性试验研究

 利用MTS 810材料测试系统和AE21C声发射检测仪对受高温作用的喜马拉雅山盐岩在加温及加载过程中声发射的演变过程进行试验研究,分析其在20 ℃～600 ℃高温下以及高温后不同受力阶段的声发射特征。研究结果表明：加温过程中,50 ℃～400 ℃盐岩的声发射率较50 ℃时明显下降,超过400 ℃后随温度的升高盐岩的声发射活动越频繁。单轴压缩过程中,20 ℃～150 ℃时盐岩的声发射活动频率及强度随温度升高而增大,而在170 ℃～600 ℃其声发射率随温度升高而降低。170 ℃～400 ℃是盐岩自愈性得到充分体现的温度区间。在相同温度下,高温下盐岩的声发射活动弱于高温后。     

两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别方法的试验研究

 岩石声发射(AE)是研究岩石内部变形与破坏机制和测量地应力的重要手段之一,但利用AE Kaiser效应测量地应力尚未标准化,许多情况下Kaiser效应点不易判别。为了提高Kaiser效应点的识别能力,对取自鄂尔多斯盆地的21块砾岩、砂岩、泥岩等岩芯开展单轴压缩AE测试试验。分析不同应力下AE的规律以及岩性、加载模式和AE参数对Kaiser效应点识别的影响。结果发现：不同载荷条件下AE事件具有不同的数量、能量和频率特征,在Kaiser效应点判别方面,砾岩比砂岩和泥岩更易获得地应力读数;循环加载优于分级循环加载,优于单次加载模式;累积能量优于振铃数和AE数。结合岩芯不同应力下的微观变形破裂机制,可以认为,存在2种类型的AE事件：一为原有裂隙闭合和颗粒间摩擦引起的摩擦型AE,一为新裂隙扩张引起的破裂型AE,破裂型AE能够更好地反映AE对应力的记忆。为了突显Kaiser效应点,应尽量压制摩擦型AE,突出破裂型AE。建议在地应力测试中采用循环加载方式消除摩擦型AE的影响,预压应力水平应超过预先估计的地应力,采用累积能量作为Kaiser效应点的识别参数。     

碳酸盐岩声发射地应力测量方法实验研究

在碳酸盐岩 Kaiser 效应实验研究的基础上,分析了不同加载应力和岩芯放置时间对碳酸盐岩 Kaiser 效应点的影响规律,得出预加载应力为单轴强度的（ 25% ～ 70% ）、放置时间为 4 个月左右时岩石的 Kaiser 效应记忆性最好;讨论了 Felicity 效应比值的分布特征,获得了应力、时间耦合下碳酸盐岩地应力的计算公式,形成了碳酸盐岩地层地应力确定方法。该法应用于西部某油田地应力测量,解释出的地应力结果精度满足工程应用的要求,解决了时间、应力敏感性带来的碳酸盐岩地应力测量精度低的难题,完善了地应力的测量体系,为碳酸盐岩地层高效开发提供了基础数据。     

岩石中的声发射和裂缝扩展（英文）

ACOUSTIC EMISSION AND CRACK DEVELOPMENT IN ROCKS@刘浩$香港合东中国育限公司     

利用岩石的Kaiser效应测定储层地应力

 用单轴压缩试验测试岩石Kaiser效应特征,进而确定岩体地应力状态的方法,在岩体工程实践中得到广泛的应用。长庆靖安油田长6储层属于低孔低渗储层,需要进行水力压裂后才能得到高效地开发,为此必须研究该储层的地应力。用岩石的Kaiser效应,结合岩芯古地磁定向来研究储层19口井的地应力。研究结果表明,岩石声发射得到的最小主应力与水压致裂瞬时停泵法进行比较,大小吻合较好,而用岩芯古地磁定向结合岩石的声发射测试,能准确测定出地层中主应力分布的方向,与地层倾角测井解释成果比较接近。     

Relation between Kaiser effect levels and pre-stresses applied in the laboratory

This study aims to investigate the relation between the Kaiser effect (KE) levels and pre-stresses applied to rock samples in laboratory. For the purpose, a number of test specimens were obtained from different types of rock and a mortar block. Deformation and crack propagation stages were identified for each sample group. Based on the thresholds of these stages, the specimens were subjected to selected pre-stresses under uniaxial and axisymetric triaxial loading under laboratory conditions. Following the laboratory preloadings, acoustic emission (AE) experiments were carried out on the specimens under uniaxial loading conditions to determine the KE levels. The comparisons made between the laboratory pre-stresses and the KE levels suggest that the KE level is not equal to one of the pre-stress values or their differences, and should be related to combined effect of axial and confined pre-stresses, and some rock dependent characteristics.     

不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

 通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射(AE)试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：(1) 两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;(2) Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 kHz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;(3) 花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。     

准脆性材料声发射的损伤模型及统计分析

岩石、混凝土等材料的声发射是与材料内部损伤密切相关的伴生现象，对其信息的研究有助于揭示材料破裂机制，在地震、岩爆、岩体稳定、应力量测等工程领域有广泛的应用。利用累积声发射数与损伤变量一致的观点，建立准脆性材料声发射的损伤模型，得到声发射率和Kaiser效应的一般表达式，并给出恒位移速率和恒荷载速率加载方式下声发射率与时间的解析关系。在一般情况下，声发射的位移或应变变化率与加载方式和加载体的刚度无关，由材料本身决定；当采用恒位移速率加载并调节加载体的刚度或采用恒荷载速率加载，声发射都会出现前震-主震模式。通过假定损伤演化函数分别为Weibull和对数正态分布概率密度函数，证实材料的声发射活动普遍存在初始平静、接近强度极限时剧烈、后期逐渐沉寂等过程；当材料均匀程度由高到低变化，声发射存在主震、前震-主震-后震和群震3种声发射模式，再现Kaiser效应，并且每次重新加载并超过前次荷载水平后，声发射活动变得更加剧烈。     

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。     

加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应 影响的试验研究

 当加载速率较快时,砂岩、粗砂岩、泥岩等岩石相对于加载速度较慢的测试,Kaiser点对应的应力值增大,但对于灰岩等脆性岩石,加载速率对其Kaiser效应影响甚微。因此,需要具体分析加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应的影响。试验发现,不同加载速率导致声发射累积次数随应力的变化曲线存在显著差异。这是因为当加载速率较慢时,岩心内部较大和较小的裂缝都会发生错动和扩展,致使声发射信号比较明显,得到的Kaiser点对应的应力值较小;而当加载速率较快时,只有较大的裂缝才会发生错动和扩展,Kaiser点对应的应力值相对较大。当深度大于2 500 m的岩心在声发射测量过程中,Kaiser点往往出现在岩石破坏点之后,因此必须模拟地层条件采用围压下的Kaiser效应进行测量,测得相应地层的地应力大小。针对不同的岩性岩石选取不同的加载速率进行加载研究,试验结果与现场试验结果基本一致。结论为Kaiser效应试验测地应力提供理论依据和借鉴。     

受拉加载方向变化对Kaiser效应点准确度的影响

基于Kaiser效应由裂纹扩展释放弹性波产生的认识,依据断裂力学理论就加载方向变化对Kaiser效应的影响进行分析。研究了远场应力为拉应力时,二维Ⅰ,Ⅱ型混合裂纹扩展的临界应力相对值、FR比值与加载方向偏转角之间的关系。结果表明：加载方向对Kaiser效应点反应岩石记忆先期荷载值的准确度有较大影响,其变化大小与临界应力相对值正相关。若第一次加载方向与裂纹面垂直,偏转角度从0°~90°变化,裂纹扩展临界应力相对值和FR比值均不断增大。偏转角为0°~20°时,FR比值变化范围为1~1.1,Kaiser效应点记忆较为准确,但第二方向所记忆的荷载并非该方向的正应力值。偏转角为90°时,临界应力相对值和FR比值均趋近于无穷大,裂纹在该裂纹面方向上不能发展,说明Kaiser效应消失。这与部分学者的试验结果一致,说明此类劈裂试验中Kaiser效应的产生,裂纹扩展是主要原因,也在某种程度上解释了该类试验加载方向偏转角度越大,Kaiser效应越来越不明显的问题。     

利用围压下岩石的凯泽效应测定地应力

随着地层深度的增加，岩石Kaiser效应相对的应力会接近并且超过岩石的单轴抗压强度。此时无法再利用常规岩石Kaiser效应测定地应力，而利用围压作用下岩石的Kaiser效应可测定深部地层地应力。通过对同一深度地层的岩术施加一组递增的围压，研究了围压对岩石Kaiser效应的影响，提出了利用围压下岩石Kaiser效应测定地应力的实验室方法，并且论述了其测定原理。通过系统的实验研究，发现岩石的Kaiser效应相对应的应力与所受的围压呈线性关系，并得到了统计回归直线。将实验结果应用于现场的地应力计算，地应力实验测量结果与现场水力压裂实验结果具有较好的吻合度。从而解决了深部地层中地应室内实验测定问题。