胶结充填体损伤演化尺寸效应研究

尺寸效应是影响胶结充填体抗压强度、变形破坏及损伤演化的一个重要因素。基于此,采用WAW–300微机电液伺服万能试验机、声发射和超声波监测系统,选取尺寸为50,70和100 mm的方形试样进行单轴压缩试验,通过分析声发射参数与超声波波速变化规律,探讨不同尺寸胶结充填体损伤演化规律。研究结果表明:(1)随着尺寸的增加,胶结充填体抗压强度表现出先增后减趋势,破坏形式由劈裂破坏为主向剪切破坏为主转化;(2)声发射参数与超声波波速变化规律表现出明显的阶段性与波动性特征:随尺寸的增加,声发射振铃累计计数曲线在平静期内趋于平缓,但在活跃期内上升幅度更高,超声波波速在平静期与活跃期内下降幅度均增加;(3)胶结充填体损伤演化过程中的耗散能量是影响其抗压强度的内在因素,峰后破坏过程中的损伤程度是影响其破坏形式的主要原因。研究成果可为不同尺寸胶结充填体破裂预测提供指导。     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

不同初始缺陷条件下尾矿胶结充填体损伤突变预警分析

尾矿胶结充填体的干缩、硬化过程易使内部形成初始缺陷，为研究含不同初始缺陷的尾矿胶结充填体物理、力学和破坏特征，在尾矿胶结充填体中加入不同含量引气剂(AEA)进行模拟充填体的初始缺陷，通过扫描电镜、XRD图谱、单轴压缩和声发射试验进行分析。运用尖点突变模型，根据应力–应变曲线求出不同初始缺陷充填体的突变预警区间，与声发射失稳破坏的前兆信息进行对比验证。结果表明：加入AEA会使充填体内部气泡、孔洞、孔隙增加，导致初始缺陷增加，声发射信号数量大大减少；随着AEA加入，充填体压密阶段与全过程时间占比增加，弹性阶段与全过程时间占比减少，破坏过程中大尺度裂纹数量减少，增加了内部裂纹的无序性，从延–脆性破坏变为延性破坏模式；不同含量AEA充填体突变预警区间与声发射破坏前兆信息相对应，通过突变预警区间可以有效预测不同初始缺陷尾矿胶结充填体的稳定性，为矿山安全预警提供参考。     

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置,对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。试验结果表明,2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下,加载早期的声发射活动较为活跃,随着荷载的增加,许多试样的声发射率较加载初期有所下降,这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致,所不同的是：在劈裂试验条件下,声发射活动在整个加载过程中持续不断,直至临近破坏时,声发射活动大量增加,即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象,也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时,声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下,试样的声发射活动又有很大不同,在破坏发生前的整个加载过程中,观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到。     

分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性

为探究分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性,对骨料粒径分布满足分形理论的胶结充填体开展超声波探测、单轴压缩和微观扫描试验,研究胶结充填体的超声波、强度和变形特性及微观结构特征;建立考虑骨料粒径分布和多种颗粒介质及接触界面的胶结充填体颗粒流模型,探讨胶结充填体承载全程能量、裂纹、力链和颗粒破坏的演化规律,从微细观层面揭示骨料粒径分布对胶结充填体力学特性的影响机制。结果表明:胶结充填体的超声波速度和抗压强度与骨料粒径分布分形维数呈二次多项式关系,而峰值应变与分形维数呈负相关。胶结充填体的最优骨料粒径分布分形维数介于2.4～2.6,其表现出更均匀的微观结构。胶结充填体的峰值应变能随骨料粒径分布分形维数先增大后减小,但分形维数低的骨料粒径分布更有利于强化结构内的摩擦效应。胶结充填体内的裂纹由骨料尖角应力集中处萌生,并沿胶结–骨料界面发育,其在胶结基质内则沿最弱或最薄胶结基质向临近骨料尖角或断裂界面扩展。低骨料粒径分布分形维数的胶结充填体容易发生局部力链断裂,表现出明显的早期局部裂纹积聚和颗粒碎胀,分形维数的增大可以弱化该局部破坏特征,但细骨料含量的增多导致界面过渡区的扩大化,诱发更多的胶结–骨料界面力链断裂。     

含隐裂隙柱状节理玄武岩单轴力学特性研究

 对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析,研究结果表明：(1) 隐裂隙影响试样的压缩破坏特征,试样受原生隐裂隙的切割,其压缩变形破坏模式为隐裂隙尖端裂纹的扩展、裂隙面之间的剪切滑移以及由裂隙面剪切变形而引起张拉破裂等构成的剪切–张拉型变形破坏模式。(2) 受原生隐裂隙的影响,试样在变形破坏阶段,应力–应变曲线呈“锯齿”状;(3) 含隐裂隙的玄武岩天然平均单轴抗压强度为106 MPa,低于同场地完整的隐晶质玄武岩;且试样中隐裂隙越发育,其强度越低;(4) 加卸载过程中,不同类型的变形所引发的声发射信号特征不一样,永久应变所引发的声发射信号幅值比弹性应变所引发的高;(5) 试样在破坏之前,内部破裂较少,声发射数保持平稳,进入变形破坏阶段后,声发射数激增;试样中的隐裂隙对声发射能量具有吸收效应,而当隐裂隙闭合时,吸收效果减弱。     

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。     

单轴荷载作用下盐岩声波与声发射特征试验研究

利用自主研发的声波与声发射一体化测试装置,通过单轴加载及循环荷载试验,对盐岩变形破坏特征及声波、声发射活动规律进行深入研究.研究结果表明:(1)加载初期,盐岩裂纹体积减少,超声波波速显著增加,声发射事件极少,约占声发射事件总量的0.04％;弹性压缩阶段时,盐岩体积应变增大,而裂纹体积应变恒定,纵横波波速保持稳定,声发射活动较弱,约占声发射事件总量的2.49％;裂纹稳定增长阶段时,横波波速缓慢下降,盐岩声发射开始活跃,约占声发射事件总量的17.3％;裂纹加速增长阶段时,纵横波波速均开始显著降低,声发射活动最为激烈,并呈现震群型特征,数量约占声发射事件总量的76.5％;峰值应力后,岩体波速降至最低,有少量声发射事件产生.(2)循环加卸载条件下,盐岩的波速特征、声发射活动与应力状态表现出良好的一致性.加载过程中,纵横波波速上升,声发射活跃;卸载过程中,纵横波波速下降,声发射平静.统计应力与声发射事件的数量规律,论证盐岩的Felicity效应;比较分析Felicity比的变化,验证盐岩的累计损伤.     

单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究

 采用声波、声发射一体化装置,研究单轴压缩下花岗岩波速与声发射演化规律,通过宏细观方法确定各应力门槛值,研究裂纹扩展不同阶段声发射演化及波传播规律。结果表明：细观裂纹的演化与宏观变形直接对应,由于微裂纹主要沿轴向扩展,导致轴向刚度对裂纹起裂及贯通的敏感度弱于非线性增长的侧向变形,瞬时泊松比曲线斜率变化点与应力门槛值对应,声发射测试确定的起裂应力比宏观应变法偏小,但反映了微裂纹的初始萌生;采用实测波速变化分析声发射震源的时空及幅值演化分布,较好地描绘了裂纹的扩展过程,由于不同阶段声发射信号的幅值及能量存在差异,导致声发射特征参数演化规律差异较大(尤其在损伤应力之后),AE能量在破坏前呈突发性增长,可作为灾害性破坏的前兆;加载初始阶段,由于微裂隙的闭合,波速及波幅均随应力逐渐增大,但增加速率逐渐下降,侧向波速在闭合应力附近基本达到峰值,此后一定阶段基本保持不变,但其他方向波速则继续增大,随着波传播方向与径向夹角的增大,波速增加幅度及波速下降点对应的应力(损伤应力前、后)逐渐增大,峰值应力附近对应波速下降幅度减小;波速受损伤演化的影响要滞后于声发射事件。     

多源煤基固废充填体强度演化规律及声发射特征

为探究多源煤基固废充填体力学特性,制备29组尺寸为70.7mm的立方体试件,采用单轴压缩实验系统得到不同龄期充填体试件抗压强度,利用XRD,SEM微观观测技术分析原材料的微观形貌及物质成分组成,并采集不同龄期试件断面微观形态结构,揭示充填体强度演化规律;基于响应面法研究各组分对不同龄期(3,14,28 d)充填体强度的影响,应用声发射测试系统监测试件破坏过程中声发射特征。研究结果表明：各因素对试件强度影响的显著性大小为：粉煤灰>矸石>脱硫石膏>气化渣与炉底渣的1∶1混合物;响应面法得到粉煤灰及矸石对充填体试件的抗压强度影响较大;新生成的棒状结晶物及蜂窝棉絮状胶凝物质随龄期的增长逐渐增多,从而使充填体强度增高;试件3 d强度最小,3～14 d强度增加幅度最大,14～28 d强度增加幅度次之;塑性变形阶段,有少量能量释放,试件表面出现细微裂纹,并逐渐演变成贯通裂隙;屈服破坏阶段,声发射振铃计数陡然增大,试件内部集聚的能量突然释放,试件表面出现明显贯通式裂隙,并逐渐裂开、崩落;峰后阶段,试件依然具有一定的强度,声发射事件依然存在,并伴随能量释放,研究成果可为工程现场充填材料...     

单轴加载下热处理混凝土声电信号特征

为研究火灾发生后混凝土力学性能变化及结构失稳的前兆特征,对混凝土试样进行20、100、200、300、400 ℃的热处理,并进行单轴压缩实验,监测试样受载破坏过程的声电响应信号,识别结构失稳的前兆特征。结果表明：高温热处理后,混凝土试样的外观颜色、内部结构及力学性质均发生了变化,且目标温度越高,试样外观的色变越显著,裂隙发育越丰富,峰值应力越低,而峰值应变越高;随着目标温度的增高,声发射信号和表面电位信号更加活跃,且两种信号的响应与裂纹的扩展密切相关,能够反映试样内部结构损伤演化的过程;对声发射及电位的时序信号进行变异性系数统计,结果表明声发射的变异性系数在试样受载过程中相对稳定,并在试样失稳前具有快速增大至峰值的异常响应,可作为判断试样结构稳定性的前兆。相比声发射信号,电位信号的变异性特征在试样受载初期处于较高值,随后下降,并在试样失稳前快速增大至峰值。     

岩石冲击倾向与其波速变化的相关性研究

为探求岩石受载过程中波速变化规律与其冲击倾向的关系,建立单轴压缩下不同冲击倾向岩石波速随变形的变化关系式,并通过实验室试验对其进行初步验证。研究结果表明：(1) 当岩石冲击倾向性较强时,随着应变量的增加,波速开始基本没有变化,当所加荷载达到约90%峰值应力后,波速发生急剧下降;当冲击倾向性较弱时,波速基本呈线性降低。(2) 定义波速衰减因子的概念,用来表征岩石冲击倾向性的强弱,并初步确定其判别准则。(3) 对3种不同冲击倾向性岩石进行单轴压缩及波速测试试验,试验结果与理论关系式吻合较好。     

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。     

充填膏体蠕变硬化特征与机制试验研究

 为研究充填膏体的蠕变硬化特性,对采用特定配比制成的充填膏体试样进行含水率与密度、单轴压缩与单轴压缩蠕变、电镜扫描等系列试验研究。结果表明：试验试样含水率及密度呈正态分布,离散性小,其单轴压缩强度与密度和含水率均无相关性;蠕变过程中,充填膏体随应力水平提高水平间弹性阶段应变率减小而瞬时变形模量增大,每个应力水平加载2,4及8 h时,瞬时变形模量增长率分别为1.17×105%,1.21×105%,1.23×105%,平均为1.20×105%;加载时长为2,4和8 h时,充填膏体有效模量强化系数分别为0.813 9,0.873 7,0.911 8,平均为0.866 5;蠕变过程中试样内部结构调整趋于压密闭实、裂纹扩展发生偏转汇聚,蠕变硬化大于损伤;充填膏体在加载时长为2,4及8 h时,蠕变系数分别为1.06,1.16及1.20,平均蠕变系数为1.14。     

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。     

单轴压缩下含预制孔洞板状花岗岩试样力学响应的试验和数值研究

 利用挪威Iddefjord花岗岩试样加工制备含双侧预制方形孔洞的板状试样,并在Instron液压伺服控制试验机上开展单轴压缩试验,监测试样的应力、应变、声发射信号特征及试样破坏过程。研究发现,随着轴向应力的增大,试样在平行于孔洞竖直方向的位置相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,孔洞周边岩体出现块体弹射、片帮等应变型岩爆特征。试验研究表明,含孔洞花岗岩试样在单轴压缩下总是从孔洞周边的劈裂破坏开始,试样的声发射曲线比完整岩样存在更多的跳跃突变点。在此基础上,利用FLAC3D对室内试验进行数值模拟,通过线弹性模型分析含孔洞岩石材料的应力分布特性,通过应变软化莫尔–库仑准则模拟岩样的破坏过程,监测各计算时步下单元拉伸和剪切破坏特性;发现单轴压缩下含孔洞岩样的塑形破坏单元以拉伸破坏为主,拉伸破坏单元沿孔洞竖向边界贯通形成劈裂破坏面,这和室内试验观测结果是一致的。研究结果在一定程度上揭示了深部硬岩洞室开挖后,在高地应力作用下总是产生平行于洞室开挖边界面的板裂、片帮破坏现象。     

含不同初始缺陷混凝土单轴压缩条件下声发射特性试验研究

为探究初始缺陷对混凝土材料在单轴压缩下内部损伤破坏的影响规律,制作不同初始缺陷的立方体试块进行立方体抗压试验,并利用声发射采集系统及应变采集系统对试验的全过程进行监测,获得了可以描述立方体试块受载破坏过程的声发射事件率-时间柱状图、振铃计数率-时间柱状图、声发射事件率与应变-时间关联曲线图。结果表明:不同初始损伤下的立方体试块在受载破坏中均经历初始压密(I)、线性扩展(II)、稳定增长(III)以及失稳破坏(IV)四个阶段,并且随初始损伤的逐渐提高,压密阶段时间不断增长,"双峰"特征越趋于不明显,其立方体抗压强度显著降低。通过振铃计数计算得到的损伤变量绘制成损伤曲线可以较好反映出立方体受载破坏的各应力阶段。     

岩石破坏前的损耗比及加卸载响应比特性研究

以多种岩石循环加卸载声发射试验为基础,针对岩石损耗比和加卸载响应比特性进行了研究,探索岩石在受载过程中的内部损伤演化和破坏前兆特性。结果表明,在循环加卸载下角岩等三种岩石损耗比变化特性一致:低应力水平阶段损耗比较大,呈明显下降趋势;中等应力水平阶段比值下降趋势较平缓;高等应力水平阶段比值趋于稳定,在0.08～0.10时,试样破坏。而钨钼矿等三种岩石加卸载响应比变化特性一致:低应力水平阶段卸载时几乎没有声发射,加卸载响应比较大;中等应力水平阶段卸载时声发射较活跃,比值下降至1左右;高等应力水平阶段卸载时声发射很活跃,当比值重新大于1时,试样破坏。试验结果都体现了岩石内部损伤从很小到稳定扩展再到不稳定扩展的过程。可见,损耗比和加卸载响应比的变化特性均可用于评价岩石损伤情况,也可用作岩石破坏预测的参考依据。     

混凝土力学参数与声发射参数之关系研究

通过对混凝土和钢纤维混凝土进行单轴压缩试验和声发射试验研究,首先应用Dai公式分析了声发射事件数与应力之间的关系,验证了其适用性和有效性;其次提出了声发射概率密度函数的概念,并且将其应用到混凝土材料的损伤评估,分析了不同荷载水平的损伤过程。     

氧化石墨烯和水泥基复合注浆材料胶结碎石的力学性能试验研究EI北大核心CSCD

为探索高效、绿色的注浆材料,将水泥基浆体质量占比为0.03%的工业级氧化石墨烯配合上质量占比为12.5%的粉煤灰,混入胶结材料中加固碎裂岩体,并开展单轴压缩、声发射监测和电镜扫描试验,研究氧化石墨烯复合水泥基胶结材料加固碎裂岩体的强度和变形特性,以及破坏后的宏、微观特征,探讨氧化石墨烯对水泥基胶结材料的优化作用和应用前景。试验结果表明:改性后的浆液可以有效提升胶结后碎裂岩体的抗压强度(提高12.6%~22.5%)。氧化石墨烯可以促进水泥的水化反应,引导水化产物在石墨烯纳米片表面生长,进而优化注浆材料中的孔隙结构,并缩减浆体和碎裂岩体界面间的微裂隙。声发射、电镜表征和分形分析揭示掺入氧化石墨烯可以有效地减小试样在破坏过程中的微损伤程度,保证胶结后试样在失稳破坏过程中的完整性,增强材料的韧性及其抗负载作用的能力。