砂岩基于渗流作用下声发射的损伤分形特征研究

岩石在渗流作用下的损伤演化过程是当代岩土工程界最为关注的话题之一,为探究岩石在渗流压—应力耦合下的损伤演化特征,对取自某矿井工程的砂岩进行了三轴压缩渗流声发射试验。研究结果表明:渗透率随着应力的增加呈先减小后增大的整体趋势,在峰值应力附近达到最大值,峰后略有降低,围压越大,渗透率越小;声发射在渗透试验过程中呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;利用weibull分布函数,基于声发射振铃计数计算得出,砂岩在渗流—应力作用下损伤量主要集中于应力加载阶段,渗透损伤仅为整体总损伤的10%~15%,且主要集中于屈服阶段之后,围压越大,渗透损伤量所占比重越小;砂岩的分形维数呈逐渐减小趋势,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。     

不同初始损伤混凝土单轴压缩分形特征分析

混凝土是一种具有初始缺陷的多向复合材料,为研究混凝土材料的初始损伤对试件最终发生宏观失稳破坏的影响,对不同含气量的混凝土试块进行单轴压缩试验,并采用DS2系列全信息声发射信号分析仪完成混凝土压缩全过程的数据采集和三维损伤定位。基于Matlab编制的程序试件获得在不同应力阶段的声发射率的关联维数以及线性拟合相关系数。结果表明:声发射率在不同应力阶段具有明显的分形特征,可以把声发射率出现类似岩石材料的平静期效应且声发射率关联维数曲线出现最大-最小模式,作为综合判断试块失稳破坏的前兆。不同初始损伤的试块随着初始损伤的提高,声发射率关联维数曲线在临界荷载之后波动性减弱,呈现逐步下降趋势。     

大理岩卸围压破坏全过程的声发射及分形特征

采用极点对称模态分解方法对大理岩卸围压破坏的声发射数据进行去噪处理,分析大理岩卸围压变形破坏全过程的声发射变化特征。加载初期声发射振铃较小且增长缓慢,扩容点后声发射振铃计数率迅速增加。声发射时频变化呈现波动特征,峰值强度前频率出现突增,临近峰值强度时频率明显降低。利用关联维数方法计算大理岩卸围压破坏过程的声发射分形维数,声发射分形维数呈现阶段性变化,先增大后减小,在应力达到峰值强度的80%附近出现陡增,破坏时分形维数又出现大幅降低。频率变化特征与分形维的变化规律具有对应关系,声发射信号频率突然上升且分形维数陡增可认为是岩石破坏前兆。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

基于多重分形的岩石声发射信号特征解构分析

岩石受压会产生局部能量快速释放现象并引起声发射。由于声发射信号是岩石体积效应的综合体现,因此其蕴含着复杂且能体现岩石内部形态结构变化的信息。采用多重分形对声发射信号特征进行解构分析,发现不同加载阶段声发射信号多重分形谱形态均呈现小概率事件的特征,这说明岩石破坏过程的复杂性;进一步研究表明,岩石濒临破坏时声发射信号特征参数与加载初期存有显著差异:加载初期,信号多重分形谱谱宽较大,而濒于破坏时声发射信号标度区间显著增加,不同加载阶段声发射信号结构已经发生变化;不同种类岩石试验的声发射信号都给出类似的提示。     

岩石拉伸破坏机制与应力波谱特征

岩石材料的受拉性能远不及受压性能好,其受拉的破坏机制决定着岩石工程的稳定性与安全性。为研究岩石材料受拉损伤破坏机制,通过振动理论和间接拉伸条件下声发射试验分析花岗岩损伤演化过程,并通过分形理论以及声发射信号的主频和能量分布特征来获得拉伸破坏机理。从声发射事件分布来看,当加载应力达到抗拉强度时岩样瞬间破坏,声发射事件数急剧增大,反映出明显的脆性性能。声发射事件的分形维数也随着加载应力增大而减小。间接拉伸破坏全过程声发射信号的主频集中在175~250 k Hz和50~100 k Hz两个频率范围,声发射信号的能量集中分布在0~312.5 k Hz频段,占信号总能量的80%以上。其拉伸应力波特征和分形机理能够反映岩石材料的基本力学性能,对更进一步研究岩石的性能、增强岩石工程的安全性有重要的实验和理论意义。     

基于EMD的粉砂岩单轴压缩破裂损伤分析

通过RMT-150C岩石力学测试系统与SAEU2S型声发射仪器,对粉砂岩进行了单轴压缩声发射试验。运用荷载—时间—振铃累计计数关系对岩样损伤阶段进行划分,利用经验模态分解法(EMD)对不同损伤阶段的典型信号源进行了分解,并结合EMD能量熵分析声发射信号能量分布,进而对岩体损伤阶段进行描述。结果表明,粉砂岩单轴压缩破裂可分为起始损伤期、损伤发展期、损伤加剧期、试件屈服期及试件断裂层剥离期五个阶段,其EMD能量熵主要能量所占优势频率分布情况呈现先往高频发展、再往低频发展的趋势。利用EMD能量熵能有效分辨岩样损伤过程中的声发射源信号特征,为评估岩体损伤变化奠定了基础。     

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

基于分形理论的装配式ECC叠合梁受弯性能及损伤演化研究

为研究水泥基复合材料(ECC)底板及后浇层的梁构件的受弯性能及损伤演化规律，设计并制作了11根梁试件，研究其在不同配筋率、ECC底板厚度和钢筋连接形式下的受弯性能。采用分形理论研究试件的分形维数与试件跨中位移、延性、一阶频率、静动刚度等参数的关系，提出基于动刚度及静刚度退化的损伤演化规律。结果表明：与传统钢筋混凝土梁相比，底部带有ECC预制底板的梁试件的延性、屈服荷载、屈服位移和破坏时的分形维数均有所提高。试件的延性和破坏时的损伤指数随分形维数提高而提高，而弯曲刚度、一阶频率随分形维数提高而降低。采用分形维数估算试件的损伤可作为损伤评定的一种有效的技术手段。     

Q235A钢在不同加载速率下的声发射特性分析

为了分析加载速率增大过程中材料屈服强度提高的声发射特性,对工程结构常用钢Q235A的拉伸破坏过程进行声发射检测。通过预加载得到了Q235A钢材拉伸试验的声发射门槛确定值,采取铅芯折断试验来确定声发射技术的各时间参数:峰值鉴别时间(PDT)、撞击鉴别时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT)。结果表明:试验得到的声发射特征指标(幅值、能量计数、撞击计数等)对不同加载速率下材料塑性屈服阶段的强度变化有较好的信号表达,且材料拉伸过程的声信号参数指标与其力学效应能够准确的吻合。由此可知声发射检测技术为进一步描述钢材损伤的发展过程和材料结构的变化情况提供了可靠依据,对于更合理地把握钢材在不同加载速率条件下的裂纹发育和构件破坏提供了技术参考。     

基于小波能量的钢丝绳断丝损伤信号处理

提出了利用小波能量作为钢丝绳断丝损伤信号处理的1个特征量．根据Parseval能量积分等式从理论上推导了小波变换系数具有能量的量纲,将小波能量引入钢丝绳断丝信号处理中是可行的．通过对信号进行多层离散小波分解建立了小波能量求解的方程式,计算不同频带内钢丝绳断丝损伤信号的能量值,这些频带内的能量统计是在时域波形上进行的,体现了小波分析具有时频分析能力．最后针对不同的断丝损伤情况,分别求解各个频带内的小波能量值,修正了应用于钢丝绳断丝损伤信号处理的小波能量计算公式．试验结果表明小波能量表征断丝信号的1个特征量是有意义的．     

岩石与混凝土界面的损伤特性研究

利用声发射试验,研究了岩石与混凝土界面裂缝端的应力场,进而确定最早出现裂缝的时间,结合万能试验机测得的应力和应变全曲线进行了对比分析,并用渐进破坏原理分析了岩石与混凝土界面的损伤演化规律。     

不同围压下页岩声发射及破裂前兆信息研究

对页岩进行常规三轴压缩下的声发射试验,并以时间为参考变量,得到力学与声发射参数之间的耦合关系,对其进行分析,以研究常规三轴压缩下页岩声发射特征的围压效应及其破裂前兆信息,并进一步揭示岩石破坏的微观机制,结果表明:(1)页岩声发射信号可分为4个阶段,即:原生裂纹压密阶段、平静阶段、爆发阶段、破坏阶段。(2)随着围压的升高,页岩的峰值强度随之升高,损伤强度σcd也随之升高,并且其数值约为峰值强度的91%。(3)随着围压的升高,由于破裂后的岩块之间的破裂面在凹凸处存在相互啮合啃断,岩样声发射信号在峰后残余强度阶段出现多个峰值。(4)页岩声发射RA值在主破裂发生前都有突然增大,并达到峰值的现象,预示着主破裂即将发生,因此可以将声发射RA值的突然增加作为页岩主破裂前兆信息。     

砂岩单轴压缩破坏全过程声发射主频特征分析

通过单轴压缩声发射实验获得红砂岩受压破坏全过程的声发射低频、高频信号及力学特征,对获得的信号波形采取小波阈值去噪后提取其主频,基于频谱分析理论,分析了砂岩破坏全过程的主频变化特征和频带能量占比规律。研究结果表明:声发射信号主频值分为10~25 kHz、45~60 kHz、120~135 kHz、140~155 kHz、160~175 kHz密集度明显的5个特征频段,其中45~60 kHz的频段对应着岩石试样发生破坏时的主要破坏模式,高于45~60 kHz的频段和低于45~60 kHz的频段分别对应着微小裂纹的萌生和较大裂隙的形成;主频频率变化特征在岩石变形破坏各阶段表现不同,压密至弹性变形阶段内,较为集中,主要存在于特征频段内,进入微裂隙稳定发展阶段后,分布范围由较为集中朝复杂离散方向转变,裂隙扩展至破坏阶段,在更加离散化的同时又相对集中;岩石临近破裂时,声发射信号主频段更加离散化;声发射信号频带能量主要集中在0~250 kHz,其中46.875~62.5 kHz和234.375~250 kHz频带的能量占比随荷载的增加,分别减小与增大。     

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。     

基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究

 利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测仪,对灰岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：(1) 相同试验条件下,检波器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27%和32%,表明,声发射检波器置于三轴室内能够接收到更全面、真实的声发射信号。(2) 围压使岩石压密阶段声发射活动降低,同时声发射振铃计数最大值稍滞后于岩样宏观破坏时间,说明围压提高了岩石的剪切强度和峰后承载能力。(3) 建立基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化模型,岩石的损伤演化过程可划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。初始损伤阶段,声发射参数较小;损伤稳定发展阶段,声发射活动明显活跃,振铃计数和能量逐渐增加;损伤加速发展阶段,声发射活动异常活跃,宏观破坏后不久声发射振铃计数和能量达到峰值;损伤破坏阶段,岩石仍具有相当的承载能力,在破坏过程中仍有声发射活动出现。     

崩塌体失稳关键区岩石损伤特性试验研究

针对导致大型高陡危岩失稳的底部关键区域损伤劣化问题,通过声发射试验以及数值模拟试验获取关键区岩石试样在三轴压缩过程中的应力应变及声发射特征参数,利用损伤理论对试样的损伤特性与演化规律进行分析。研究结果表明:试样呈现出典型的脆性岩石破坏特征,伴随能量集中释放,在主破裂出现时刻声发射计数骤增;随着围压升高,声发射活跃频度增大,沉寂期缩短;不同围压下累计声发射计数曲线均呈现出初期平缓—中期缓增—后期陡升的阶段性特点,并与应力应变曲线具有良好对应关系;数值模拟试验所得到的力学及声发射数据能够合理反映并补充声发射试验结果,两种试验方法获取的岩石损伤性质参数及其趋势规律基本一致;基于累计声发射计数构建损伤变量,据此可定量化分析试样及危岩失稳关键区的损伤演化状态。本研究对具有相同失稳模式的高陡危岩损伤特性分析具有重要参考。     

不同含水状态下砂岩剪切过程中声发射特性试验研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置和PCI–2型声发射测试分析系统对饱和度分别为0%,50%和100%三种不同含水状态下砂岩剪切破坏过程中的声发射特性进行试验研究,探讨声发射信号随时间的演化规律及其与砂岩裂纹的开裂、扩展之间的关系。研究结果表明：声发射活动伴随着砂岩整个剪切破坏过程,表现为剪应力峰值前,声发射活动不显著,声发射信号均较小,而在剪应力峰值后声发射信号出现剧增;且随着含水量增加,砂岩抗剪强度依次减小,声发射信号的剧增点出现的时间相应提前;在各含水状态下,声发射事件率峰值出现的时间总是滞后于剪应力达到峰值的时间;饱和度为0%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之后,且声发射活动最强烈,破坏时的累计声发射事件数最多,即累计损伤最大;而饱和度为50%和100%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之前,破坏后累计声发射事件数相对较少,累计损伤也相应小一些。