砂岩多步压剪的声发射特性研究

为了了解砂岩多阶段性应力分布特征,进行了多步压剪实验,加载速率分别为0.02 kN/s、0.1 kN/s、0.5 kN/s,并同步采集全过程声发射信号。利用最大似然估计法分析了声发射能量统计分布特征,结果表明:(1)多步压剪试验的能量概率密度函数符合幂定律分布,并满足能量上的幂律无尺度分布;(2)加载阶段与恒压阶段声发射信号量相差较大,跨越能量数量级有所不同,但加载、恒压阶段的概率密度函数与整体概率密度函数具有统一性,并可以用同一个幂值来表征;(3)加载阶段与恒压阶段幂值分布具有相似性,与概率密度函数形成良好对应;(4)恒压状态下的岩石具有流变特征,声发射能量信号在小能量区间服从线性分布;(5)加载后期,由于裂纹的扩展以及成核过程岩石会发生相变,此阶段能量概率密度函数与全过程保持一致,不受之前能量信号影响。     

煤与砂岩复合岩声发射统计效应的试验与最大似然理论

岩石类材料破裂损伤的声发射统计效应近年来在理论、试验和模拟方面已开展了大量研究,并且近年来以声发射为实验基础,采用统计物理学的方式分析声发射信号,继而关于材料内部损伤机制的相关研究也得到了发展,但是针对不同材料声发射统计效应及其相互作用与临界行为研究还较为缺乏。为此在实验室条件下采用日本岛津AGI-250高精度材料试验机对由分别取自内蒙古和重庆地区的煤与砂岩组成的复合岩开展了单轴压缩试验,利用DISP系列全数字声发射工作站采集压缩条件下试样中煤与砂岩层位的声发射信号,对信号进行了概率密度分布分析,并建立了考虑叠加效应的幂律指数最大似然估计方法。研究发现:复合岩在单轴压缩条件下煤层和砂岩层的声发射信号与纯煤和纯砂岩表现出了不同的统计性质,其整体声发射能量概率密度分布受煤层影响较大,砂岩层整体服从单幂律分布,而煤层则服从双幂律分布;叠加效应的幂律指数最大似然估计方程由上下限幂律指数α,β,与声发射数量比例x三参数控制,方程预测结果与试验中拥有较低幂律指数层位的分析结果一致,且随着声发射能量的增加逐渐趋近于下限幂律指数值;随着声发射能量级的增加,复合岩中煤层对整体统计结果的影响程度逐渐增加,而砂岩层的影响程度变化不明显。     

页岩巴西劈裂试验的能量分布与临界特征分析

为了清晰了解具有脆性破坏特征的页岩在拉伸破坏下的能量统计分布特征,研究整体破坏能量分布与局部应力下的能量统计分布规律,从而为现场压裂机制提供理论依据。选取四川盆地南部地区龙马溪组钙质页岩进行巴西劈裂(间接拉伸)的声发射试验,加载速率分别为0.005,0.05,0.5 mm/min。结果表明:(1)在各个加载速率下岩石破坏过程的能量概率密度函数符合幂定律分布,并遵循时间上的幂律无尺度分布。(2)局部应力下的能量概率密度函数也符合幂定律分布,与幂值分布图变化规律形成良好对应,各局部应力阶段下的能量概率分布曲线向着整体破坏的能量概率分布曲线流动。(3)当应力σ达到0.9σmax,系统进入临界态,能量分布曲线与幂值分布曲线接近于整体破坏过程中的能量分布曲线与幂值分布曲线,并逐渐重合。(4)试验结果与纤维束模型数值模拟结果相符,当应力σ达到试件破坏应力的90%后,分叉率ξ急剧增大,直至岩石破坏,能良好验证临界态特性。     

三轴卸围压条件下砂岩声发射统计特征

为深入探究深部开挖过程中岩体卸荷致灾过程的内部响应特征及其灾变规律,利用自主研发的三轴声发射采集系统,对砂岩进行不同围压、不同卸荷速率下的常规三轴卸围压声发射试验,并采用地震统计学方法对声发射绝对能量E,等候时间δ等参数进行统计分析。结果表明:(1)卸荷过程释放绝对能量的概率密度函数在10~1～10~4aJ 4个能级内服从幂律分布;(2)随着卸载速率减小,出现在小能量区间的声发射事件可能性增大,相同卸压速率下随着围压的增大也会出现类似的变化趋势;(3)声发射"余震"事件在不同围压和卸荷速率下遵循同一线性关系,且不受"主震"事件能量大小波动的影响;(4)在小等候时间区间内(0. 1 s),幂指数不受围压和卸载速率的影响,对于大等候时间区间( 0. 1 s),幂指数在1. 3到1. 9区间波动,并且不同能量阈值下的等候时间分布具有一致性。     

基于低场磁共振的北山花岗岩热损伤研究

研究岩石的热破裂和损伤机制在高放废物地质处置工程中越来越受到重视。以我国甘肃北山的高放废物处置库的花岗岩岩样为研究对象,采用低场核磁共振系统、MTS岩石力学试验机、倒置镜像光学显微镜对重点预选场址花岗岩的热稳定性开展室内试验研究。研究发现:①核磁共振T 2谱图在0~400℃没有明显变化,当温度高于500℃时,T 2谱图振幅显著增大且向右大幅移动,T 2谱面积与孔隙率在加热过程中呈现幂率关系;②峰值应力随着温度和孔隙度的增加以幂律关系降低;③通过核磁共振成像(MRI)发现,温度低于500℃时质子密度分布均匀且没有发现明显的质子密度簇,说明岩石内部结构稳定。当温度高于500℃时,晶体裂纹和边界裂纹的产生致使出现大量的高质子密度区域,并随着温度持续升高质子密度高的微小区域融合成大的连通区域;④花岗岩岩样在不同温度条件下的核磁成像像素的概率密度函数都服从对数正态分布,当温度超过500℃,概率密度函数整体向右转移;⑤通过显微结构观察,500℃时在长石晶间和长石晶粒与石英晶粒间有边界裂纹产生,并在晶体内部出现少量的穿晶裂纹,当试样温度加热到600℃时,超过了石英α/β相变点,石英颗粒产生大面积透明状穿晶裂缝,同时伴随着明显的穿晶网络。     

砂岩单轴蠕变声发射能量统计与断面形貌分析

为了研究砂岩蠕变过程声发射信号的统计特征,在实验室条件下进行了砂岩的长期和阶梯加载蠕变试验,并采集了全过程声发射信号。利用直方统计和最大似然估计分别分析了声发射能量统计特征,并对破裂断面进行了三维激光扫描重构,结果表明:长期与阶梯加载蠕变具有相似的声发射信号形貌,但是阶梯加载蠕变声发射率明显大于长期蠕变结果;长期蠕变和阶梯加载蠕变所产生的声发射信号的能量概率密度都满足幂律分布,且利用直方统计与最大似然估计两种方法都得到相似的幂律指数,可信度较高。蠕变的幂律指数不同于已有的单轴压缩结果而更接近于地震幂律指数结果;相较单轴压缩的较光滑破裂面,蠕变破坏面光滑度欠缺并伴有阶梯状断痕,和包含弹性-损伤混合纤维的纤维束模型的假设与结果相吻合。