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.     

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。     

三轴循环加卸载过程中盐岩声发射演化特征分析

为探究盐岩储气库运行过程中的声发射特征,对取自平顶山岩穴一号钻孔的盐岩进行不同围压作用下的三轴循环加卸载试验及全过程声发射监测试验。试验研究表明:围压施加过程中,声发射信号主要出现在围压施加前期,声发射振铃计数率和能量率的最大值出现在围压压力5~10 MPa的时间区段,且振铃计数率和能量率达到最大以后,声发射信号随着围压的增大逐渐减弱;围压越低,试验加载初期产生的声发射信号越强,整个试验过程中累积振铃计数越多,能量率和能量越高;围压会使试验过程中声发射信号后移,且围压越大,后移现象越明显;围压的增大会使得盐岩加载过程中的平静期缩短和后移,直至平静期的消失;考虑三轴加卸载过程,加载段有明显的声发射信号,卸载段鲜有声发射信号,偏应力峰值前有明显的Kaiser现象,峰值后伴随大量的声发射信号,但Kaiser现象消失。     

加轴压卸围压条件下北山花岗岩破坏特征

为了研究开挖扰动对花岗岩的破坏机理,对北山花岗岩进行了加轴压卸围压的三轴试验,试验中设置0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 MPa/min五种卸围压速率,轴压加载速率是卸载速率的10倍,每一种卸载速率设置5,10,15,20,30 MPa五个围压,并在试验过程中记录声发射事件。分析了声发射事件数随卸载速率的变化规律,使用层次聚类的方法将声发射事件分为张拉破坏和剪切破坏,研究了卸载速率、围压和卸载时间对张剪比(张拉破坏与剪切破坏的比值)的影响,研究表明:(1)随着卸载速率的增加,声发射事件数呈幂函数下降,且围压越高,声发射事件数下降越明显;(2)裂纹的张剪比随着卸载速率的增加而增加,随着围压的增加减小,随着卸载时间增加降低;(3)围压卸载速率增加,岩石声发射b值降低,初始围压升高,对应的b值增加,且卸载速率和围压对张拉b值的影响比对剪切b值影响更明显;(4)基于Maxwell模型分析岩石内局部应力状态,并进一步研究了岩石破坏过程中张剪比变化的力学机理。     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

循环加、卸载条件下北山深部花岗岩损伤与扩容特性

采用MTS815岩石力学试验机和声发射监测系统,研究我国高放废物地质处置库北山预选区深部花岗岩在三轴循环加、卸载条件下的损伤和扩容特性。基于试验结果,分析岩石全应力–应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,进而揭示其破裂演化机制。通过构建岩石在循环加、卸载过程中的塑性应变轨迹,获得峰后剪胀角随塑性剪切应变的变化规律,探讨岩石扩容对塑性剪切应变和围压的依赖性。研究结果表明:(1)声发射事件增量最大值出现在应变软化阶段,在该阶段的反复加载是加剧其内部损伤和裂隙宏观贯通的主导因素,残余变形阶段的裂隙行为主要表现为宏观断裂面间的摩擦、滑移,岩石扩容率趋于恒定;(2)卸载过程对于裂隙发展的影响远小于加载过程,由于裂隙的发展状态不同,在裂隙损伤应力(σcd)之前和之后卸载导致的声发射特征具有显著的差异性;(3)峰后剪胀角随塑性剪切应变的增加而减小,并随围压增加其衰减梯度不断减小,采用指数函数建立围压和塑性剪切应变为影响因素的剪胀角模型,可合理描述北山花岗岩的扩容特性。     

增量循环加卸载下岩石峰值强度前声发射特性试验研究

为了研究岩石峰值强度前声发射前兆特性、加卸载过程的声发射特性,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用,采用花岗闪长岩、角岩、矽卡岩、铜矿、钨钼矿和铅锌矿共6种岩石分别开展单轴压缩、增量循环加卸载和增量稳压循环加卸载3种不同加载方式的试验,主要对岩样峰值强度前声发射相对平静期、卸载过程的声发射特性、对2种不同循环加卸载方式下的Felicity比以及加卸载响应比的变化情况进行研究。试验结果表明,3种加载方式下部分岩样始终存在"相对平静期"现象,多种岩样的AE事件峰值频率在破坏前总是低频成分显著增加,且越接近破坏,大振幅AE事件就越多。在2种不同循环加卸载方式下,当应力水平达到峰值强度的50%～60%时,Kaiser效应逐渐消失,Felicity效应出现。Felicity比和加卸载响应比在低应力水平阶段均大于1,进入中等应力水平阶段后在1附近波动,但相对比较稳定;进入较高应力水平以后,岩石内部裂纹不稳定扩展,Felicity比逐渐减小,到0.64～0.89时,试样破坏。试验表明,相对平静期、Felicity比和加卸载响应比等可作为预测或判断岩石失稳破坏的参考依据。     

基于多级荷载试验的岩石损伤模量探讨

根据《工程岩体试验方法标准》(GP/T50266—1999)中建议的岩石单轴压缩试验加载速率,并结合天然气储库注气、采气循环过程的运营状态,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,以大理岩作为对比岩石,对作为天然气储库围岩的盐岩损伤卸载模量,进行单轴压缩加卸载试验和单轴压缩低周循环荷载试验研究;试验加载采用轴向荷载控制,每个试件均按7级不同应力幅值加卸载;低周循环荷载试验采用轴向荷载的正弦波控制加载,其频率为1.0 Hz,控制每级动荷载下的振动周次不低于30个循环。研究得到盐岩应力–应变滞回环均为条带状,在加卸载转折部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢;大理岩则均为尖叶状,在加卸载处对应弹性相应较快;盐岩的卸载模量测试得到的变化趋势在加卸载和低周循环荷载下相反,而大理岩测试结果则相同,并均随应力增加递减。测试结果表明,应力幅值的大小较循环周次的多少对盐岩不可逆变形增量的影响更加显著,研究得到储库运营中盐岩的损伤演化特征。     

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。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

不同应力路径大理岩声发射破坏前兆的试验研究

应力路径不同,岩石变形和破坏过程中伴随的声发射特征也不同,通过不同路径大理岩加、卸荷试验,结合分形维数原理,探讨声发射破坏前兆随应力路径的变化规律。试验结果表明:1岩样破坏处的声发射计数率和破坏前的累计计数率增长率由大变小的应力路径为加轴压卸围压、恒轴压卸围压、单轴、常规三轴路径。2常规三轴路径下岩样临近破坏时,声发射事件计数率存在明显的"低声发射期",围压越大,声发射前兆"低声发射期"越明显;同时累计振铃计数率增长速率降低的拐点出现后很短时间,岩样也会发生破坏。3低围压下恒轴压、卸围压路径岩样破坏时累计振铃计数率的增长速率近似为切线。加轴压、卸围压岩样破坏前一段相近计数率后存在声发射计数率的"平静期",围压增加,"平静期"持续时间增加,岩样破坏产生的计数率越高。4在低围压应力环境下应力比0.8、高围压应力环境下时间比0.4时声发射分维数降低的特征可以作为岩样的破坏前兆分析。     

Acoustic emission in host-rock material for radioactive waste disposal: comparison between clay and rock salt

The use of clay masses for radioactive waste disposal requires a comprehensive analysis of fracture processes in clay. Acoustic emission (AE) was used to obtain a better insight into damage evolution during uniaxial loading of Boom Clay specimens. A comparison of AE in clay and rock salt shows a much lower AE activity in clay. This, together with the higher attenuation, would inhibit the use of the AE technique for large-scale in-situ monitoring in clay masses. Cyclic uniaxial tests showed that, similarly to rock salt, clay exhibits a very well-pronounced Kaiser effect in AE with Felicity ratios around unity. The Kaiser effect takes place at different loading stages (before and at the flow limit) and, during reloading, it coincides with the deformation curve inflection. Further research is required to study the applicability of the Felicity ratio as a measure of the intensity of healing processes in clay. Electronic Publication     

Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission

In highly stressed conditions, the excavation damaged zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the deformation and fracture characteristics of rock must be investigated. In this study, the fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by moment tensor analysis, as well as by the moving point regression technique, both of which were applied to acoustic emission (AE) and strain data obtained from triaxial compression tests. Damage thresholds before the peak strength of rock under triaxial compression were determined by the moving point regression technique using acoustic emission data. The results showed that damage thresholds, except the crack closure stress, increased linearly with confining pressure. The results of the moment tensor analysis showed that shear failure was a major microscopic failure mechanism of rock under triaxial compression. In addition, shear failure became more dominant as the confining pressure increased. In this analysis, the expression of the damage magnitudes in each AE source as relative crack volumes leads to accurate prediction of macroscopic failure mechanisms, as well as major failure planes in the rock. In addition, the orientation of the macroscopic failure plane could be estimated by the orientational distribution of microcracks.     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。