基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

单轴压缩盐岩声发射特征及损伤演化探讨

为了探究盐岩压缩变形破坏过程中,声发射现象与内部损伤的相关关系,利用四川大学MTS815岩石力学试验系统,对云南安宁盐岩进行单轴压缩试验,分析了盐岩声发射特征。依据损伤理论,得到了基于声发射参数的盐岩的损伤演化模型,并引入修正系数对其进行理论修正,分析损伤终值对损伤本构模型的影响。研究结果表明:盐岩的声发射(acoustic emission,简称AE)振铃计数率和能量率在弹性极限附近达到最大值,之后呈现高频低幅值的声发射现象;基于声发射的盐岩损伤变量值在压缩变形前期增加较快;基于AE累计振铃计数得到的损伤值<基于AE累计能量计算得到的盐岩损伤值;修正后的声发射损伤理论模型曲线与试验曲线全过程吻合较好,能够较好地反映盐岩内部损伤演化过程;振铃计数参数模型比能量参数模型能更好地模拟盐岩的损伤演化特征。     

花岗岩脆延破坏过程声发射与损伤特性模拟研究

为了研究花岗岩脆性和延性破坏过程的声发射特性和损伤演化机制,通过花岗岩单轴试验和颗粒流程序进行了不同围压试验,获得了花岗岩破坏过程中的声发射曲线并再现了内部损伤演化过程。试验结果表明:花岗岩脆延破坏分界围压约为100 MPa;花岗岩脆性破坏时最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著,围压越大滞后效应越不明显,延性破坏时最大声发射强度与峰值应力同时出现,滞后效应消失。花岗岩脆性破坏声发射曲线为单峰型,延性破坏声发射为平缓曲线。脆性破坏花岗岩内部严重损伤区少且分布集中,损伤区裂隙发展方向单一,延性破坏内部损伤区多且遍布整个试样,损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展;花岗岩破裂角随围压增大逐渐减小,由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带,低围压脆性破坏花岗岩被破裂面切割成数块,高围压下延性破坏呈粉碎性状态。     

小浪底细砂岩单轴压缩声发射特征研究

采用岩石伺服试验机和声发射仪,对小浪底三叠系细砂岩进行单轴压缩声发射试验。基于试验结果,将试样变形过程划分为压密、弹性、塑性和破坏四个阶段,分析了不同阶段试样声发射幅值、峰值频率、振铃计数和能量的变化特征,在此基础上对比分析了试样声发射ｂ值以及累计振铃计数的演化规律,得出了岩石的破坏时间前兆特征。研究结果表明:压密和弹性阶段试样声发射幅值、振铃计数和能量处于较低水平、峰值频率频带数量依次增多;塑性阶段试样幅值增大、振铃计数与能量上升且整体处于较高水平、峰值频率数值增大且呈现多频带化,临近破坏阶段试样产生大量100ｄＢ的高幅值信号,振铃计数与能量持续急增,峰值频率降低,频带减少;声发射ｂ值的变化规律可以间接反映岩体内部微裂隙萌生、扩展的演化特征。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

高温作用下砂岩声发射特征及破坏前兆

为探究不同温度作用后砂岩声发射多重分形特征及破坏前兆信息,对不同温度加热后砂岩开展室内单轴加载试验,研究试样破坏过程中裂纹起裂应力、损伤应力、峰值应力及声发射特征等的演化规律。试验结果表明：借助声发射技术量化识别了加载过程中不同温度加热后砂岩的裂纹起裂应力和损伤应力门槛,随着温度的增加,不同裂纹应力门槛呈现出先增加后降低的演化规律,裂纹起裂扩展阶段占比逐渐降低。当应力水平由0～0.2σ_c增至峰后阶段时,多重分形谱宽度呈现出先降低后增加的趋势,该结论进一步证实了加载过程中砂岩内部结构产生的变化。声发射b值总体上呈现出先增加后降低的变化规律,试样失稳破断前声发射b值急剧下降,声发射b值急剧下降阶段可作为失稳突变前兆信息点。     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。     

干湿循环作用下受荷砂岩损伤劣化特性研究

为研究干湿循环作用下砂岩力学特性的劣化规律,对经历不同干湿循环次数下的弱胶结砂岩进行核磁共振(NMR)及单轴压缩试验,采用声发射技术(AE)实时监测砂岩受荷破坏过程,并采用砂岩孔隙度定义损伤变量,建立干湿循环受荷条件下岩石损伤劣化模型,探究岩体在干湿-受荷作用下的损伤劣化机制。结果表明:①砂岩在循环初期的驰豫时间T₂谱面积增幅最大,且随循环次数的增长不断减小;单轴压缩后的岩样,其T₂谱面积相较于破坏前增长幅度显著。②随循环次数的增加,砂岩试样的塑性变形不断增大,声发射累计振铃数呈降低趋势,降低幅度最大达76.21%。③单轴抗压强度和弹性模量均随干湿循环次数的增大呈指数衰减;引入劣化度表征岩石力学参数的劣化程度,发现岩石单轴抗压强度的劣化速率随孔隙度的增长不断减缓。     

循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征

为了研究花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形及声发射特征,采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴和三轴循环加卸载试验。结果表明:三轴循环压缩下偏应力-轴向应变曲线的上凹现象和滞回环的迁移现象相比于单轴不太明显;峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系;单轴循环加卸载下,试样表现出柱状劈裂破坏,而在三轴循环加卸载下,试样则具有明显的剪切破坏特征;前5次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大,而在最后一次加载段弹性模量有所降低;三轴循环下试样在最后一次加卸载破坏时产生的声发射振铃计数要明显少于单轴循环。此外,在单轴循环下,每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台,而三轴下对应的损伤-时间曲线并未出现明显的平台,表明岩样损伤保持平缓增长。     

砂岩渗透作用下声发射及分形特征研究

地下围岩经常处于渗透场-应力场的耦合作用中,为分析在相同渗透压、不同围压下砂岩的变形特性、渗透特性、声发射特征及基于声发射空间分布的分形维数特征,对取自某在建工程的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的抗压强度及变形能力随着围压的升高而增大;渗透率在不同围压下有着相似的演变特征,均是随着应变增大而先减小后增大,并随着围压的升高逐渐减小;声发射的演化过程反映了渗透率大小的变化趋势,渗透率随着渗透试验过程呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;基于柱状分形理论,得到砂岩的分形维数随着试验进行逐渐减小,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。研究结果有助于认识和理解砂岩渗透性的变化机制。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

冻融循环作用下砂岩卸荷强度特性试验及损伤特性研究

建立在寒区的岩土工程,其岩石的损伤劣化不仅受冻融风化作用,而且还受到开挖卸荷的影响。采用冻融循环试验和三轴卸荷试验相结合的方法,对砂岩同时受2种破坏作用的强度特性和损伤特性进行系统的分析。分析结果表明:随围压的增加,冻融循环下岩石的破坏特性由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏特征,随着冻融次数的增加,岩样明显产生侧向膨胀,侧边中部明显向外凸出,并出现了不同级别的张裂纹、环向裂纹及许多岩粉和岩石碎块;对于三轴卸荷试验,岩样的峰值强度随着冻融次数的增加而降低;扩容应力随冻融次数增加呈指数下降关系;破坏围压与冻融次数呈二次函数关系;冻融损伤值随冻融次数增加呈线性增长,表明岩样的损伤受冻融的影响逐渐增大。研究成果可为寒区岩土工程设计和施工提供指导。     

基于室内试验与数值模拟的煤岩围压效应研究

为研究不同围压下煤岩的变形破坏特征,对0、8、16、25 MPa 4种不同围压下的煤岩采用MTS 815岩石力学实验和RFPA 2D数值模拟软件展开应力应变特征、强度特征、声发射特征等研究,旨在揭示不同围压作用下煤岩的围压效应。结果表明:围压对煤岩的变形破坏特征影响显著,随着围压的增大,煤岩最大抗压强度线性增大,煤岩逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形态以单轴压缩下的压剪-劈裂破坏和三轴压缩下的剪切破坏为主;煤岩强度特征参数随围压增大而增大,弹性模量随围压增大呈非线性增大,围压越大,则塑性应变越大,残余应变增大;声发射现象在煤岩单轴压缩状态下十分强烈,但随着围压的升高,声发射现象、应变能释放等声发射特征参数均趋于稳定; RFPA可再现煤岩在不同围压下裂纹萌生、扩展至完全破坏的渐进破坏过程,模拟结果与室内试验耦合度较好,验证了数值模拟的可靠性。     

基于改进Harris函数的砂岩损伤本构模型研究

岩石损伤量在岩石损伤的过程中是个动态变化量,通过改进Harris函数,建立了在三维应力作用下岩石损伤本构模型,并通过砂岩的三轴试验确定了模型参数,定性分析了围压、临界损伤值、峰值应变三者间的关系。研究结果表明:①基于改进的Harris函数所建立的砂岩损伤本构模型曲线与实测曲线拟合较好,有良好的适用性;②同一种岩石在不同围压下,临界损伤值不是固定值,它从侧面反映出岩石自身的力学性能与岩石所处的三维应力状态有关;③围压增大,临界损伤值也相应地增大,证明围压对岩石的破坏有抑制作用。分析结果对研究三维应力状态下岩石的损伤破坏机理有一定借鉴意义。