单轴加载下充填体声发射特征研究

为探究采场充填体在单轴加载条件下,声发射信号与充填体裂纹细宏观动态信息的关联性,开展全尾砂胶结充填体的声发射力学特性试验。研究表明:充填体加载破坏过程可细分为5个阶段,各阶段声发射特性曲线的动态起伏变化与充填体裂纹的时空演化基本契合。声发射特性曲线呈"单峰"型,曲线峰值出现主导充填体全面破坏的"X"型主裂纹,结构面剪切滑移破坏,振铃计数频发,能量"井喷式"释放。破坏末段,小破坏事件偶发、间隔期延长,声发射事件保有活力。该研究结果为充填体失稳及前兆破坏研究提供了一定理论依据。     

不同尺寸矸石胶结充填体单轴压缩损伤破坏研究

为研究不同尺寸矸石胶结充填体在受压过程中的损伤破坏特征,分别制备了边长为50 mm、70 mm、100 mm和150 mm的立方体试件,并对试件进行单轴压缩试验,监测加载过程中试件的声发射能量变化;采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,分析矸石胶结充填体的损伤演化规律。结果表明：随着试件尺寸的增大,其抗压强度呈现出先增大后减小的规律,边长为100 mm的试件抗压强度最大;试件的破坏形式随尺寸的增大由劈裂破坏逐渐变为X状共轭剪切破坏;单轴压缩过程中试件的声发射能量变化可以分为4个阶段,与应力应变曲线有较好的对应关系,在峰值应变附近试件的声发射能量会发生激增,可以作为试件破坏的预兆,在峰后破坏阶段,不同尺寸试件的声发射能量变化较大。     

人工砂岩材料力学特性及声发射特性试验研究

岩石颗粒粒径及胶结物是影响岩石力学性质和行为的重要因素。天然岩石的内部颗粒粒径大小及胶结物含量随机性强，为此制作了3种不同颗粒粒径及3种不同胶结物含量的人工砂岩，研究了颗粒粒径大小及胶结物含量对岩石力学特征及声发射行为的影响。研究表明：相同胶结物含量条件下，粗粒径(0.425～0.850 mm)人工砂岩试件的声波波速和单轴抗压强度最大；随着颗粒粒径的增大，试件裂纹扩展阶段缩短，在试样峰值强度点附近的声发射能和事件数呈增加趋势；相同颗粒粒径条件下，随着胶结物含量的增加，试件的单轴抗压强度降低，峰值强度点附近的声发射事件数也减少，声发射关联维数D的最低值所对应的应力百分比值下降。声发射关联维数D值与强度呈线性关系。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:(1)不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;(2)不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;(3)对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;(4)构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试...     

基于声发射b值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法

岩石裂纹起裂应力的识别和研究对认识脆性岩石受载变形及破坏过程具有重要意义。系统总结了现有的裂纹起裂应力确定方法(裂纹体积应变法、侧向应变法、移动点法、声发射振铃计数法)及存在的问题,并以单轴压缩条件下岩石破裂过程中声发射幅值及b值分析为基础,提出了一种基于声发射b值演化的脆性岩石裂纹起裂应力评价方法。采用GAW2000单轴刚性试验机和声发射测试仪开展了一系列变辉长岩和花岗岩的单轴加载试验,根据力学及声发射测试结果,对所提方法及现有方法进行了评价。研究结果表明:声发射b值演化法具有明确的物理机制及意义,可以方便准确地确定起裂应力大小,测定应力结果与现有方法所得结果具有一致性。通过方差分析可知,所提方法与现有方法不存在统计差异,验证了该方法测定裂纹起裂应力的可靠性。2类岩样的起裂应力均与单轴抗压强度呈正线性相关,使用所提方法确定的变辉长岩起裂应力约为单轴抗压强度的0.51倍,花岗岩起裂应力约为单轴抗压强度的0.48倍。所提方法及研究成果对于丰富岩石裂纹起裂应力测试手段和探究岩石脆性破坏机制具有一定的价值。     

加卸荷条件下胶结充填体声发射b值特征研究

为认识胶结充填体在外界扰动下的响应特征,进行了单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加-卸载过程中声发射b值特征。试验结果表明:在胶结充填体压密阶段,声发射b值先减小后增大;在弹性阶段,声发射b值随应力的增大而有序下降;经多次加卸载后,当加载应力不断接近峰值应力时,声发射b值持续大幅度减小。在卸载阶段,胶结充填体具有明显的声发射事件。当卸载始于压密阶段时,声发射b值是逐渐增大的;当卸载始于弹性阶段时,声发射b值在小范围内波动;当卸载始于胶结充填体临界状态时,声发射b值呈现"台阶"状上升。声发射b值数值表现出的不同特征,说明在加卸载过程中微破裂处于动态演化之中。     

基于颗粒流GBM模型的花岗岩声发射相对平静期特征研究

为了研究不同晶体粒径大小对花岗岩声发射相对平静期的影响,基于颗粒流软件PFC2D构建花岗岩等效晶体模型GBM（Grain-based model, GBM）数值计算模型,通过室内试验结果对细观参数进行标定,模拟花岗岩试件单轴压缩声发射试验。分析了不同晶体粒径大小对试件应力—应变、峰值强度的影响规律,着重分析了试件破坏过程中裂纹、声发射时空演化特征及相对平静期的产生机理。同时,研究了试件声发射相对平静期前后能量变化特征及其与晶体粒径大小的关系。研究结果表明：①随着晶体粒径增大,试件的单轴抗压强度增大。试件破坏形式主要呈“X”型剪切和“V”型柱状劈裂。同时不同晶体粒径大小试件的微裂纹均以张拉破坏为主,且首先产生沿晶微裂纹,在声发射相对平静期起始点开始产生穿晶微裂纹。②试件在单轴压缩过程中,声发射在应力峰值前均出现不同程度的相对平静期,且在相对平静期前声发射产生的位置为沿晶体边界;在相对平静期起始点之后,将同时产生位于晶体内部和晶体边界的声发射。③声发射相对平静期内滑移能和阻尼能的变化量随着晶体粒径的增大逐渐减小。其中,由于在声发射相对平静期内声发射明显减少,岩石内部活动处于相对平静状态,因此释放的动能减少。     

聚丙烯纤维磷石膏胶结体早期力学强度特性及增韧机理研究

在传统水泥基复合材料的研究领域,纤维增强了材料的强度、韧性、延展性和抗裂性。为了提高磷石膏胶结体的早期强度,掺入聚丙烯纤维作为增强剂,开展了掺纤维磷石膏胶结体制备试验以及单轴抗压强度试验,分析了纤维对磷石膏胶结体破坏规律的影响,并通过SEM探究了纤维对磷石膏胶结体的增韧机理。研究结果表明:随纤维掺量增加磷石膏胶结体单轴抗压强度呈先增加后降低的趋势,且纤维最优掺量为1%;掺入纤维的磷石膏胶结体能延缓峰值抗压强度达到时间且破坏时的峰值应力更大,未掺入纤维的磷石膏胶结体在荷载超过应力峰值后快速失稳,掺入聚丙烯纤维的磷石膏胶结体则呈缓慢降低趋势;随着纤维的掺入,磷石膏胶结体的裂纹数量逐渐减少,且裂而不断,磷石膏胶结体的延性变形明显;微观下聚丙烯纤维表面附着有絮团状水化产物,且在磷石膏胶结体固结过程中相互缠结形成稳定的网状结构。研究成果可为磷石膏基复合材料在固废胶结充填现场的应用提供一定参考。     

充填体单轴压缩峰后应力-应变曲线特征及声发射参数研究

低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段,其峰后应力-应变曲线特征及声发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填体为研究对象,开展了充填体单轴压缩及声发射监测试验,得到充填体单轴压缩下的应力-应变曲线及声发射参数,采用能率和声发射事件对峰后应力-应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明：充填体峰后应力-应变曲线斜率为负值,先逐渐减小,后逐渐增大,最后基本保持不变,根据峰后应力-应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、BC段及C以后段,其中AB段应力-应变曲线逐渐变陡,斜率逐渐减小,呈上凸型,充填体表面宏观裂纹不断增多,强度劣化加速,能率先急剧减小后快速增大,声发射事件定位点局部比较集中;BC段应力-应变曲线变缓,斜率逐渐增大,呈上凹型,剪切裂纹扩展、汇合形成宏观剪切面,破坏过程变缓,能率较高且逐渐下降,声发射事件定位点聚集呈带状分布;C以后段应力-应变曲线斜率基本不变,剪切面出现滑移,充填体残余结构支撑外部荷载,能率和声发射事件大幅下降;充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力-应变曲线特征及破坏过程。     

胶结充填体抗压强度尺寸效应的试验研究

尺寸变化会影响材料的力学性能参数,充填体作为一种类混凝土材料,其立方体试件的单轴抗压强度具有显著的尺寸效应。保证灰砂比、料浆浓度和养护龄期等条件一致,研究尺寸变化对胶结充填体单轴抗压强度的影响并结合VIC-3D全场应变测量系统对充填体试件的破裂演化过程进行监测。结果表明:胶结充填体的单轴抗压强度随着立方体试件尺寸的增大而逐渐减小,减少近一半,试件的峰值应变随着尺寸的增大而逐渐减小,并稳定在0.9%附近,弹性模量和变形模量随着尺寸的增大而逐渐增大;引入尺寸效应度对试件峰值强度的尺寸效应进行定量分析,尺寸为200 mm的试件的尺寸效应度达到了54%;尺寸较小的试块破坏时表面出现多条裂纹,随着试件尺寸的增大,试件破坏时表面出现显著的宏观破坏带,尺寸较大的试块在达到峰值强度时,局部区域发生严重的损伤断裂,大部分区域并未发生明显的应变变化。     

单轴压缩条件下充填体—砂岩组合体破坏过程及前兆特征声发射试验研究

分别对砂岩、充填体—砂岩组合体试件进行单轴压缩声发射（AE）试验,研究了试件破坏过程中AE振铃计数及主频特征,重点对比了组合体试件中砂岩侧、充填体侧所采集到的AE信号差异性,同时采用BP神经网络对峰值应力前组合体试件的AE信号类型进行识别,分析了试件破坏过程中不同类型AE信号的时间—应力变化关系及占比变化规律。研究表明：组合体试件的平均单轴抗压强度仅为砂岩试件的38.85%;组合体试件破坏过程中的声发射信号振铃计数量整体少于砂岩试件;峰值应力前,组合体试件中砂岩侧AE振铃计数“激增”现象明显;临近破坏前,组合体试件中砂岩类型的声发射信号占比逐渐下降,充填体类型信号的占比逐渐上升,这一现象可作为组合体试件破坏的前兆特征。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

不同粒度弱胶结砂岩单轴加载下声发射特性试验研究

对不同粒度的弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究。根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了加载全过程中的应力、AE振铃计数、AE幅值以及AE绝对能量随时间的变化规律。研究表明:弱胶结砂岩随着颗粒粒度的减小,峰值强度增加。在单轴加载过程中,弱胶结砂岩AE振铃计数和AE绝对能量以数量级增加。不同粒度的弱胶结砂岩在初期压密阶段,AE振幅均较低;随着应力的增加,AE振幅不断增加。AE幅值在小于40dB的区间内,占比最高;在40～50dB区间内,占比次之,而这2个区间的AE幅值占比之和达到90%左右。说明不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩破坏过程中,以小尺度裂纹扩展为主;最后裂纹贯通,完全破坏。     

冲击荷载下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的力学性能及能耗特征

为了解中等应变速率下碱化水稻秸秆基尾砂胶结充填体的动载强度、应力-应变、能量演化及破坏形态特征,采用分离式霍普金森压杆系统对不同掺量碱化水稻秸秆(经NaOH溶液碱化处理)的尾砂胶结充填体进行了单轴单次冲击荷载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度与平均应变率呈正相关关系,碱化水稻秸秆的掺入可有效提高充填体的动态抗压强度,且随碱化水稻秸秆掺量的增加,充填体的动态抗压强度先增大后减小,最佳掺量为0.3%,动态抗压强度最大增幅为26.81%;单次冲击荷载下,掺碱化水稻秸秆的充填体相比于未掺碱化水稻秸秆的充填体应变更大,但破坏程度更小;同一应变率下,充填体的单位体积吸收能和单位质量破碎耗能均随平均应变率的增大呈现类似指数增长规律,掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的能量水平、吸能性能,且破碎时需要消耗更多的能量;单次冲击荷载下,充填体的破坏形态主要为宏观上的轴向主裂纹拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率超过临界应变率时,充填体破坏形态多为压碎破坏;碱化水稻秸秆在充填体基体内部起到桥连作用,从而减缓充填体裂纹的扩展与能量的释放,使掺碱化水稻秸秆的充填体具有更高的临界应变率,显著提高充填体的稳定性与完整...     

采场充填体单轴压缩变形及声发射特征

为揭示采场充填体变形及声发射特征,针对石人沟铁矿采场充填体开展了单轴加载的声发射试验。结果表明:充填体试件变形破裂过程分为压密线弹性、塑性屈服、应变软化、塑性破坏四个阶段;声发射特性参数随加载的进行呈现出阶段性变化的特点,能够很好地反映充填体在压缩破坏过程中的内部结构变化及损伤破裂情况;充填体单轴压缩破坏形态以张拉破裂为主,剪切破裂为辅,声发射特性参数RA、AF值分布规律能够反映充填体破坏裂纹演化机制。     

基于最佳级配的矸石胶结充填体变形和破坏特征试验研究

基于泰波理论,获得充填矸石的最佳级配,并掺入不同质量比的水泥,在不同的养护龄期条件下对矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,研究其压缩过程中的强度和变形特性以及充填体的最终破坏形态。结果表明:泰波系数n=0.4的级配为粒径不大于40 mm矸石的最佳级配;水泥掺量越多,养护龄期越长,试件的抗压强度数值越大;矸石胶结充填体单轴压缩试验应力应变全过程分为4个阶段,即孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和峰后破坏阶段;矸石胶结充填体达到峰值强度后呈现出不同程度的应变软化特性,其最终破坏形态主要有3种,即劈裂破坏、剪切破坏和锥形破坏,劈裂破坏为最主要的破坏形态。     

脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律试验研究

为研究脆性岩石边缘裂纹扩展规律,以自制的类岩石材料试件为研究对象,采用单轴加载、声发射监测及FRACOD2D数值模拟相结合的方法,对预制边缘裂纹的起裂、扩展及声发射特征进行了研究。试验结果表明：随着预制边缘裂纹宽度的增加,试件的起裂强度、单轴抗压强度逐渐减小,I型拉伸裂纹出现的时间越来越早,剪切裂纹出现时间越来越晚;试件的破坏形式不因预制边缘裂纹宽度不同而改变,最终以拉伸破坏为主。声发射监测中,裂纹起裂和试件整体破坏时声发射具有阶梯状波动、能量高的特点;边缘裂纹宽度越大,第1次出现能量峰值时间越早;I型破坏产生在线弹性阶段,而大多数剪切与次生裂纹产生在峰值强度附近,其能量水平远大于拉伸裂纹起裂点能量值。数值模拟试验过程中,随着裂纹宽度增加,裂纹起裂角度越趋近于加载方向,裂纹数目增多,总位移由4.7 mm降低到1.07 mm,最大拉应力由58.2 MPa减小到26.8 MPa,试件的破坏形式与力学试验相同。     

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究,根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式:一种为传统4阶段岩石破坏形式,另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征,峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时,弹性模量小的试样产生更多的声发射现象,但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。