循环载荷下大试件岩石破坏声发射实验——岩石破坏前兆的研究

岩石等脆性材料在加载过程中,随着载荷的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具,它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展,这是其他任何方法都不具有的优势。在三轴应力条件下进行了大尺度岩石(片麻岩)破坏声发射实验,试件尺寸达1．05m。为了模拟日、月潮汐力对地球的加载和卸载作用,在某一固定水平的轴向压力作用下,叠加上循环载荷。实验过程中记录到大量的声发射信息,它能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度。利用声发射记录研究了预测岩石宏观破坏的2种前兆现象：能量加速释放及加卸载响应比剧增,为地震预测提供了实验依据。同时还发现,实验中存在声发射的Felicity效应。     

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。     

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。     

加卸载响应比与损伤变量关系研究

 首先介绍加卸载响应比的2个基本参量,并从损伤力学的基本理论出发,引入损伤变量,结合加卸载响应比方法的思想,推导用损伤和应变定义的加卸载响应比,并以Weibull分布作为随机分布函数,建立且分析损伤变量与加卸载响应比之间的联系,并进一步考察Weibull指数对两者关系的影响。然后利用岩石破坏声发射实验的数据,用声发射数密度描述岩石试件的损伤演化过程,并由此根据损伤和应变定义的加卸载响应比,结合实验过程中的损伤和应变,计算花岗岩试件的加卸载响应比曲线,并与用Benioff应变作响应量计算的加卸载响应比曲线进行比较,发现两者具有相当程度的一致性,两者的加卸载响应比值都经历了出现异常→升高到最大值→急剧回落→岩石试件破裂或失稳,这一规律与实际地震震例中加卸载响应比的演化趋势是一致的,同时也说明在实际地震预测中用Benioff应变作为响应量来计算加卸载响应比是合理的。最后介绍意大利那不勒斯大学完成的二层楼房的加卸载实验,且对实验结果进行分析。建立的加卸载响应比与损伤变量的关系,不仅为加卸载响应比用来定量研究脆性介质的损伤程度提供更为坚实的基础,而且也可能为评估大型建筑的损伤和预测工程事故开辟新道路。     

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。     

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。     

单轴多级循环加载下原煤加卸载响应比演化特征

煤矿井工开采往往对采场周边煤岩体产生周期性扰动,研究单轴多级循环加卸载条件下煤变形及破坏特征有助于深入认识煤柱损伤、劣化及失稳破坏机制,并为获取煤柱失稳前兆提供有效分析手段。通过开展原煤单轴多级循环加卸载实验,利用弹性模量变化量提取加卸载响应比以描述原煤破坏前兆特征;并基于声发射累计振铃计数定义加卸载响应比,探讨原煤破坏过程中内部损伤演化特征及破坏前兆。此外,通过对实验前、后煤样内部结构的CT扫描,结合逆向化建模方法,分析煤样破坏特征及模拟单元数量对加卸载响应比数值计算结果的影响。研究发现:基于实验获得的单轴循环载荷下原煤加卸载响应比存在3个变化阶段,且在每级应力水平下均呈周期性"W"型变化特征;当荷载水平逐渐升高时加卸载响应比呈下降趋势,当荷载水平较高且接近峰值荷载时,加卸载响应比先下降后急剧上升;而基于声发射累计振铃数计算的加卸载响应比则呈持续减小趋势,并在破坏前接近1。     

地震条件下损伤——愈合模型的初步研究

脆性介质的损伤与破坏是力学中极为复杂、极具挑战性的难题之一,而地震是一类典型脆性介质的突发破裂或失稳.在地震等灾变发生前都会出现一定的前兆现象,地震之后地壳介质又会缓慢愈合,地壳介质的损伤愈合过程对地震预测具有重要的研究意义.首先介绍V. Lyaldaovsky等提出的损伤流变模型,且结合岩石破坏声发射实验数据分析该模型的特点;进一步基于损伤力学,从Helmholtz自由能出发,并考虑地质材料的可愈合效应,建立一维损伤-愈合模型,采用数值计算的方法得到地质材料的损伤-愈合模式.用常数加载率的线性载荷叠加一个正弦扰动来模拟固体潮引力,模拟计算该加载条件下材料的损伤-愈合过程;同时也考察了整个损伤愈合演化过程中加卸载响应比值的变化情况,发现在灾变发生之前加卸载响应比值会出现明显异常、回落的现象.再次验证了加卸载响应比作为一种重要的前兆现象,能够定量地刻画介质的损伤演化过程,这也为加卸载响应比方法提供了更为坚实的物理基础.     

地震条件下损伤–愈合模型的初步研究

 脆性介质的损伤与破坏是力学中极为复杂、极具挑战性的难题之一,而地震是一类典型脆性介质的突发破裂或失稳。在地震等灾变发生前都会出现一定的前兆现象,地震之后地壳介质又会缓慢愈合,地壳介质的损伤愈合过程对地震预测具有重要的研究意义。首先介绍V. Lyakhovsky等提出的损伤流变模型,且结合岩石破坏声发射实验数据分析该模型的特点;进一步基于损伤力学,从Helmholtz自由能出发,并考虑地质材料的可愈合效应,建立一维损伤–愈合模型,采用数值计算的方法得到地质材料的损伤–愈合模式。用常数加载率的线性载荷叠加一个正弦扰动来模拟固体潮引力,模拟计算该加载条件下材料的损伤–愈合过程;同时也考察了整个损伤愈合演化过程中加卸载响应比值的变化情况,发现在灾变发生之前加卸载响应比值会出现明显异常、回落的现象。再次验证了加卸载响应比作为一种重要的前兆现象,能够定量地刻画介质的损伤演化过程,这也为加卸载响应比方法提供了更为坚实的物理基础。     

复杂加卸载路径下闪长玢岩强度特征及声发射特性试验研究

选取典型深部矿山脆性岩石进行加卸载岩石力学试验,对复杂应力路径下脆性岩石的力学及破裂特征进行对比分析。采用声发射设备对破裂过程中声发射演化特征进行研究。研究表明,岩石的力学性质和变形特性与围压有密切的关系,围压的增加使围岩逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;对试件进行卸围压操作,容易造成岩石的突然破坏,同时造成了岩石强度的降低;由破裂形式素描图可知,卸载造成破坏更加剧烈,岩石表面出现大量竖向裂纹,卸载往往造成岩石的复合拉压破坏,且卸载破坏的的声发射计数率远远加载破坏。卸载破坏过程中,岩石声发射演化过程总体分为3个阶段,包括峰前平静期、活跃期及峰后平缓期,每个时期都有一个应力、应变及振铃计数临界值,需要通过大量试验及现场测试。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

基于单键群方法的岩石破裂声发射时空分布特征的试验研究

 基于声发射定位技术和单键群方法,对在单轴压缩条件下岩石破裂过程中的声发射空间相关长度的变化特征进行试验研究。利用单键群构架的键长分布对声发射事件进行分色,可定量确定声发射事件集中程度。研究结果表明：基于单键群方法,影响声发射空间相关长度变化的因素有2个,一是应力的释放导致空间相关长度的下降;二是应力场的转移导致空间相关长度的增长。根据声发射空间相关长度变化的不同,可将岩石岩样分为3种类型：(1) 破坏前无明显塑性变形阶段的岩石岩样,空间相关长度呈现以幂律为特征的加速增长态势,且在岩石破坏前达到最大值;(2) 对于破坏前有明显塑性变形阶段的岩石岩样,在塑性变形阶段,应力场的转移和岩石内部局部塑性2种因素的影响使得空间相关出现或增长或下降的波动现象;(3) 对于加载过程中出现明显局部裂纹的岩样,局部破裂会导致声发射事件群集,致使空间长度减小,但是对于岩石整个破坏过程,空间相关长度呈现整体的增长趋势。单键群构架的键数具有分形特征,其反映的声发射事件的空间演化特征与空间相关长度所反映的情况一致。空间相关长度的增长反映了岩石内部应力场的长程转移过程。在塑性变形阶段,空间相关长度与之前阶段变化的差异对于预测岩石的破坏具有重要意义。     

基于地应力场加卸载的地下洞室稳定数值模拟研究

将地下洞室稳定问题看作一非线性系统,研究了加卸载响应比(LURR)理论在洞室稳定分析中的应用前景及其实现途径,提出了基于地应力加卸载的实现方法。利用RFPA2D Basic软件,结合模型试验建立了平面应变数值模型,研究了加卸载实现方法,以拱顶沉降、水平收敛和声发射作为LURR参数,分析了逐级加卸载下变化特征。研究表明,拱顶沉降和收敛在荷载不太大的情况下,围岩处于稳定状态,LURR基本在1左右变化,当洞室围岩接近破坏时,拱顶沉降和水平收敛的LURR值出现震荡,不同位置处的水平收敛LURR呈现不同幅度的震荡。声发射随着荷载的增大而增加,加载声发射事件数和能量一般大于卸载情况,但未出现明显的加卸载响应。相关参数的LURR特征可用于预测洞室渐进失稳。     

岩石断裂过程区孕育规律与声发射特征实验研究

为研究岩石断裂过程区孕育规律及声发射特征,采用直裂缝圆盘砂岩试样在GCTS岩石测试系统上进行劈裂加载试验,借助数字图像相关方法(digital image correlation method,DICM)和声发射(acoustic emission,AE)仪进行实时监测,根据裂尖附近测线水平位移随载荷变化趋势和声发射定位点密集区域量化确定了试样断裂过程区长度;同时,考虑Williams级数展开式高阶项,基于修正的最大切向应力准则,确定了断裂过程区长度的理论值;最后探讨了试样的破坏形态。结果表明:DICM确定的试样断裂过程区长度均值为9.07mm,断裂过程区长度理论均值为5.19mm,其差异源于理论计算无法完全考虑岩石的微观特性及加载方式的影响;断裂过程区孕育程度达到最大时对应的载荷更接近塑性屈服点载荷,其载荷约为峰值载荷的92.19%~95.47%范围;声发射信号能够体现试样裂尖微裂纹随载荷孕育和发展过程,声发射定位点确定的试样断裂过程区长度与DICM有较好的一致性。有助于深入理解岩石断裂过程区的孕育规律。     

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。     

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.