岩体破裂过程中声发射规律的理论分析及数值模拟研究

岩体破裂过程中声发射现象能够很好的揭示岩体破裂机理。本文对岩体破裂过程中声发射现象进行了探索性研究,并通过岩体破裂过程中内部结构状态变化（损伤演化）和声发射特征的对应关系,从更深层次上认识岩体的破裂机理。文中首先分析了岩体声发射参数与损伤演化的关系,对岩体声发射的特征进行了全面描述。应用RFPA软件对岩体声发射进行模拟,从而进一步证实了研究结果的准确性,为岩体声发射技术的工程应用提供理论依据。     

混凝土受压构件的协同损伤机理

在混凝土受压构件损伤演化过程中,各组分之间表现出强烈的非线性相互作用.在这一过程中,裂纹由最初的随机分布状态向将要发生破坏区域集中演化,表现出从无序到有序演化的现象,具有明显的自组织特征.根据混凝土受压构件的自组织特性,建立其损伤演化的序参量方程,求出定态解和非定态解,对混凝土受压构件损伤协同演化机理进行讨论.     

岩石微破裂损伤演化诱致突变的数值模拟

基于岩石变形过程中损伤局域化现象，根据岩石材料随机性的特点，通过二维网络系统损伤演化的有限元数值模拟发现：岩石微破裂在损伤演化过程中显示出从均匀随机的无序逐渐向局域化的有序转化特征，不论微破裂如何演化，最终都诱致岩石网络系统产生突变破裂现象。用岩石微破裂与声发射具有一致性的假设，模拟出岩石破裂过程中声发射空间分布的规律。     

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。     

骨料砂浆交界面劈裂损伤声发射特性试验研究

为了研究骨料砂浆交界面损伤破坏过程的损伤特征进而分析其损伤机理,采用全数字化声发射采集系统监测了其整个劈裂损伤破坏过程.在对所伴生的声发射信号进行全面系统分析的基础上,从声发射累积特性、声发射单参数时程变化规律、声发射组合参数变化规律等方面对交界面损伤过程的典型声发射特性进行了研究,这对识别混凝土损伤演化规律和损伤的物理机理都具有重要参考价值.     

拉伸载荷作用下混凝土蠕变-损伤破坏过程数值模拟

在材料破裂过程分析MFPA2D系统的基础上,考虑混凝土损伤过程的时间因素影响,引入混凝土细观单元蠕变本构方程,建立考虑流变效应的混凝土破裂过程蠕变-损伤相互作用的MFPA2D数值模型,并应用该模型模拟研究轴向拉伸恒定持续荷载作用下混凝土的蠕变破坏过程,数值模拟得到混凝土蠕变破裂的典型三个阶段:初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段,模拟结果揭示了混凝土的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果。模拟结果同实验室试验所观察到的试验现象吻合,这表明考虑流变效应的MFPA2D数值模型适用于模拟混凝土的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。上述数值结果对大坝混凝土工程的混凝土结构的工程设计施工及损伤断裂控制等的研究具有重要的理论指导和实践意义。     

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。     

声发射参量在混凝土断裂过程中的分布特性分析

声发射技术已广泛应用于混凝土损伤断裂的研究。为研究声发射参量在混凝土断裂过程中的分布特性,设计了4根长2 200 mm的混凝土三点弯曲梁试件,对其进行全过程损伤断裂试验。通过分析试验过程中采集的声发射信号,得到了在混凝土起裂阶段、稳定扩展阶段和失稳扩展阶段的声发射振铃计数分布特性、声发射信号幅值分布特性和振铃计数与荷载曲线的关系,从声发射参量的角度揭示了混凝土的损伤断裂机理,为更深入的研究奠定了基础。     

混凝土材料损伤的声发射动态检测试验研究

在实验基础上,给出了定量描述声发射活性的特征函数,导出了声发射参数同损伤参量之间的关系及用声发射参数表示的损伤演化方程和本构方程,并通过实验,验证了深化方程的正确性。探讨了根据混凝土受载后的声发射特征来动态评价和估计混凝土材料的损伤程度问题,为混凝土损伤的研究和损伤因子的测试提供了一种新的方法和新的途径。     

混凝土试件内压作用下破裂过程试验

内压作用下混凝土的破坏时有发生，对其破坏过程的研究就显得特别重要。提出了应用东北大学CRISR自主研发的材料破裂过程分析系统(MFPA)对在三个孔压共同作用下的破裂过程进行数值试验方法，并在此基础上进行了物理试验。与数值试验的破裂结果进行比较。结果表明：数值模拟结果与物理试验结果有较好的一致性．通过数值试验再现了模型破坏的全过程，可以观察到物理试验无法准确观测的裂纹的萌生、扩展直至破坏的过程以及破坏过程中的声发射现象，为混凝土破坏过程研究提供了一种新方法，同时为防止混凝土内压作用引起的裂缝控制有参考作用。     

The damage evolution behavior of polypropylene fiber reinforced concrete subjected to sulfate attack based on acoustic emission

To study the damage evolution behavior of polypropylene fiber reinforced concrete (PFRC) subjected to sulfate attack, a uniaxial compression test was carried out based on acoustic emission (AE). The effect of sulfate attack relative to time and fiber hybridization were analyzed and the compression damage factor was calculated using a mathematical model. The changes to AE ringing counts during the compression could be divided into compaction, elastic, and AE signal hyperactivity stages. In the initial stage of sulfate attack, the concrete micropores and microcracks were compacted gradually under external load and a corrosion products filling effect, and this corresponded with detection of few AE signals and with concrete compression strength enhancement. With increasing sulfate attack time, AE activity decreased. The cumulative AE ringing counts of PFRC at all corrosion ages were much higher than those for plain concrete. PFRC could still produce AE signals after peak load due to drawing effect of polypropylene fiber. After 150 d of sulfate attack, the cumulative AE ringing counts of plain concrete went down by about an order of magnitude, while that for PFRC remained at a high level. The initial damage factor of hybrid PFRC was −0.042 and −0.056 respectively after 150 d of corrosion, indicating that the advantage of hybrid polypropylene fiber was more obvious than plain concrete and single-doped PFRC. Based on a deterioration equation, the corrosion resistance coefficient of hybrid PFRC would be less than 0.75 after 42 drying−wetting sulfate attack cycles, which was 40% longer than that of plain concrete.     

混凝土梁破坏机制的声发射特性实验研究

记录了钢纤维混凝土,素混凝土和砂浆试件断裂过程中的声发射（AE）信号,并对其进行了分析和处理,通过对声发射信号持续时间设置滤值,以声发射信号的振幅分布特性为判据,并依据事件峰值对应的振幅大小,将它们的声发射信号持续时间分别划分为9个,7个和5个区段,并通过细胞细观层次上破坏机制的分析,分析得到了各破坏机制所对应的声发射参数特征。     

混凝土面板砂砾石坝漫顶溃决过程数值模拟

基于混凝土面板砂砾石坝溃决机理,提出了一种模拟其漫顶溃决过程的数值计算方法。该方法针对砂砾石料级配范围宽,最大颗粒与最小颗粒粒径相差大的特点,引入与水流方向垂直的附加作用力来考虑粗颗粒对细颗粒的阻拦、遮蔽以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实等作用,导出了能较为合理反映砂砾石料特性的临界起动流速;建议了一个砂砾石料的冲蚀公式,给出了面板折断时间与坝体冲蚀量之间的数学表达式,较为合理地确定面板的折断时刻。利用该方法对青海省沟后水库面板砂砾石坝的溃决过程进行了模拟计算,得出的溃口发展规律与溃坝洪水流量过程与溃坝调查结果大体相符,验证了其合理性。     

初始环境温度对聚羧酸系减水剂性能的影响

进行了未掺减水剂和掺两种不同功能型聚羧酸系减水剂在不同初始环境温度下的混凝土坍落度保持性能、凝结性能及强度性能的影响规律研究。结果表明,随着环境温度的升高,掺聚羧酸系减水剂混凝土的坍落度保持率均呈线性下降,未掺减水剂与掺聚羧酸系减水剂混凝土的初凝时间均呈线性缩短,聚羧酸系减水剂初凝时间差均是先减小后增大,未掺减水剂与掺聚羧酸系减水剂混凝土的1 d抗压强度均呈对数关系增长,28 d抗压强度则变化不明显,聚羧酸系减水剂的1 d抗压强度比均是呈降低趋势,28 d抗压强度比变化则均不明显。     

Acoustic emission analysis for the quantification of autonomous crack healing in concrete

As half of the annual construction budget is spent on remediation of existing structures, self-healing of concrete, which is very sensitive to cracking, would be highly desirable. In this research, encapsulated healing agents were embedded in the concrete matrix in order to obtain self-healing properties. Upon cracking, the capsules break and the healing agent is released, resulting in crack repair. The efficiency of this crack healing technique was evaluated by means of mechanical tests and by using acoustic emission analysis. It was shown that due to autonomous crack repair, more than 80% of the original strength and stiffness can be regained. Events with an energy higher than the energy related to concrete cracking indicated breakage of the capsules. Upon reloading of beams with untreated cracks, the released energy was lower compared to beams with healed cracks. From this study it was shown that AE is a suitable technique to evaluate self-healing of cracks in concrete.     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征

 对内含水体的混凝土试样进行单轴压缩加载,利用红外热像仪并辅以声发射仪,观测加载过程中试样的红外辐射与声发射变化特征,研究混凝土破裂与渗水的红外异常前兆。实验结果显示,随着应力的阶段性发展,试样表面的红外辐射呈现早期整体性均匀上升、中期局部高温异常、后期低温异常的主要特征,声发射相应出现早期微量增加、中期均匀增加、后期快速增加的特征。加载中、后期红外热像出现的局部辐射温度“先升后降”现象是混凝土破裂–渗水的重要红外异常前兆,其出现的时间要早于应力和声发射前兆。整个破裂与渗水过程中,高温区域包围低温区域的温度场分布是热像的主要特征。基于实验结果,分析试样红外辐射阶段性变化以及破裂、渗水异常前兆的机制,讨论应力、红外及声发射灾变前兆时间差异性的原因。实验结果对水库大坝以及其他储水混凝土工程破裂与渗水的遥感监测与灾变预警具有重要的意义。     

火灾高温后隧道衬砌混凝土力学特性试验研究

通过对经历火灾高温后(100℃~700 ℃)不同强度等级混凝土(C10、C20、C30、C40)力学性能试验研究,得到混凝土立方体抗压强度(f_cuT)随温度的变化规律。对混凝土立方体在抗压试验过程中所产生的声发射现象进行研究,进一步揭示火灾高温处理后的混凝土在破坏过程中,内部裂纹、裂隙的产生扩展与混凝土在受压过程所承受荷载之间的关系,从而得出混凝土受压破坏时内部结构的变化过程,通过详细的描述和比较分析,得到了高温对混凝土破坏过程中声发射现象的影响,进而为火灾高温后隧道衬砌混凝土结构损伤程度及安全性能的评估提供依据。     

混凝土结构声发射检测参数设置研究

为系统解决混凝土声发射检测参数设置依靠经验选取的问题,通过模拟加载和断芯试验确定了适合试验检测环境的门槛值;通过断芯试验确定了适合被检测混凝土材料的检测时间参数值(PDT,HDT,HLT),并测定了信号在被检测材料中传播的波速和衰减。试验确定声发射检测参数的方法在混凝土结构声发射检测中具有普遍适用性。