基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态，这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

重庆砂岩三点弯曲断裂及声发射试验研究

本文采用重庆砂岩进行了三点弯曲断裂声发射试验，获得了重庆砂岩的临界应力强度因子，计算出了裂纹稳定扩展时声发射振铃总数与应力强度因子的关系式。     

重庆砂岩三点弯曲断裂及声发射试验研究

本文采用重庆砂岩进行了三点弯曲断裂声发射试验，获得了重庆砂岩的临界应力强度因子，计算出了裂纹稳定扩展时声发射振铃总数与应力强度因子的关系式。     

石灰岩在单轴压缩条件下的声发射特性

为研究岩石受压及破坏失稳过程中的声发射特性，作者利用改进的岩石声发射参数动态测试系统，对广西某矿石灰岩作了岩石的单轴压缩试验，检测了岩样从加载直至破坏过程中的声发射活动，表明内部微裂纹的形成与原有裂纹的扩展是岩石加载过程中声发射活动的主要原因。     

基于声发射多参量分析的岩桥裂纹扩展研究

为研究开放性岩桥裂纹扩展特征及破裂机制,通过对花岗岩岩桥试样进行单轴压缩试验和声发射监测,基于应力–应变曲线、声发射参数和频谱特征分析其裂纹扩展过程。研究结果表明:裂纹由倾斜预制裂纹尖端起裂,扩展方向受应力方向控制;应力–应变曲线出现"峰前波动上升"和"峰后阶梯式下降"特征;声发射振铃计数率和能率"突增点"与"相对平静期"间隔出现,累计计数和累计能量曲线"台阶式上升","突增点"对应宏观裂纹的形成,而"相对平静期"则是为宏观裂纹增长积蓄能量;声发射频谱对裂纹扩展更灵敏,高频低幅值和低频低幅值信号对应沿晶或穿晶微裂纹,高频高幅值信号对应中尺度或穿晶小尺度裂纹,低频高幅值信号对应宏观大尺度裂纹,中频低幅值信号与已有断面的摩擦有关。本文研究获得的裂纹扩展的声发射特征为岩桥破坏机制和监测提供了依据。     

带裂纹花岗岩试件三点弯变形演化及破裂机制

为建立岩石工程灾害精准预测预报体系,开展含预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验,研究岩石试样变形演化及破裂机制。以声发射技术和数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过矩张量反演方法研究岩石破裂类型。通过对岩石预制裂纹扩展长度及声发射振铃计数、能量和体积参数进行分析,研究岩石试件变形演化特征和破裂机制。研究结果表明:(1)三点弯岩石试样裂纹扩展具有明显的阶段性和不连续性,其过程为某次裂纹扩展 微裂纹静默积累-裂纹再次扩展;(2)预制裂纹扩展与不同破裂类型裂纹的声发射指标具有相关性。预制裂纹扩展时,张拉裂纹体积参数、能量和振铃计数随之出现;预制裂纹扩展前后,3种类型裂纹体积参数、能量和振铃计数随机产生;在预制裂纹长度保持稳定不变时,没有声发射信号产生;(3)裂纹扩展后到下一次裂纹扩展前,先是在贯通裂纹尖端附近随机出现各种破裂类型的裂纹,随着微裂纹的积累,贯通裂纹所主导的裂纹类型占比开始增加,直至产生新的贯通裂纹。     

围压效应下砂岩声发射与压缩变形关系的细观模拟

通过三轴压缩试验和声发射(AE)试验,得到砂岩不同围压下全应力–应变过程的声发射数据。基于室内试验结果,采用颗粒流软件PFC2D,从细观角度模拟不同围压下砂岩压缩变形过程中的声发射时空分布,并考虑张拉和剪切2种裂纹的不同发育规律,建立砂岩压缩变形过程中声发射特征与脆延转换之间的联系。研究表明,低围压下声发射经历"平静期"、"发展期"、"爆发期"和"回落期",声发射主要为张拉裂纹,且集中在剪切带上,并伴随少量剪切裂纹;高围压下声发射在"爆发期"后并没有明显的回落;峰值强度前弥散分布的剪切裂纹数量大于张拉裂纹,峰后相对集中而贯通的张拉裂纹数量超过剪切裂纹;张拉裂纹为主的声发射体现出脆性破坏特征,剪切裂纹大量发育则预示着试样由脆性向延性转换。     

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。     

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

 以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论：(1) 在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2) 声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3) 每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4) 声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。       

混凝土骨料影响下裂纹扩展特性的解析计算研究

混凝土骨料-浆体界面是局部裂纹等伤损的多发部位。为探究混凝土骨料影响下裂纹的扩展特性，基于弹性力学复变函数理论，提出骨料影响下裂纹尖端应力强度因子的解析计算方法；建立混凝土多尺度有限元模型并开展了现场试验，对比验证解析解的准确性；基于解析法分析了骨料位置、粒径及外部荷载等因素对应力强度因子及扩展角的影响规律。结果表明，经由解析法、有限元模型与试验结果反映出的裂纹扩展表现为相同的趋势；骨料与裂纹尖端的方位角大于45°时，骨料粒径越大，越加剧裂纹的Ⅰ型扩展，但能减轻Ⅱ型扩展；裂纹扩展在骨料半径为裂纹长半轴2倍、骨料位于裂纹尖端正上方、裂纹尖端与骨料边界重合时达到最不利状态，此时Ⅰ型应力强度因子为未考虑骨料时的1.35倍；裂纹呈偏于骨料方向扩展；当骨料位于裂纹尖端正上方，若荷载角度小于22.5°,骨料位置对裂纹扩展角影响较大；荷载角度为0°、裂纹尖端与骨料边界重合时，裂纹扩展指向骨料中心；若裂纹尖端与骨料边界不重合，扩展角在荷载角度为22.5°时达到最大值60°。     

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律。大理岩起裂应力位于峰值应力的53%~76%之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近。起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系。起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好。大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则。     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

Prediction of fatigue crack growth in steel bridge components using acoustic emission

The correlation of acoustic emission (AE) signal characteristics with crack growth behavior is of paramount importance to structural health monitoring and prognosis for in-service steel bridges. Relationships between AE absolute energy rate and crack growth rate are developed and presented. The relationships are based on experimental investigations intended to represent conditions found for in-service steel bridges. The approach presented is independent of the stress intensity range, which may simplify the life prediction procedure because stress intensity range is not always well defined in actual bridge components. Fatigue tests were performed to detect AE signals from fatigue cracks using compact tension (CT) specimens made of ASTM A572G50. Noise induced AE signals were filtered through a combined approach involving Swansong II Filters and investigation of waveforms, which are appropriate for data filtering and interpretation of field tests. Based on the experimental data and presented model, procedures for predicting crack extension and remaining fatigue life were carried out. Agreement between the predicted cracks and actual cracks verified the presented model and procedure. The study indicates that AE absolute energy rate may be more suitable than count rate in fatigue life prediction for the material of interest.     

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

 通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。     

颗粒复合材料微裂纹增韧的数值模拟

将弹性复合材料体中主裂纹尖端划分为3个不同的区域，导出了各个区域的本构模型及饱和区域的范围。在最大饱和区域内，应用Monte Carlo技术产生均匀分布的微裂纹来表示损伤的各向同性，并采用轮流迭代数值技术来评估主裂纹和微裂纹相互作用。在稀疏微裂纹的假设前提下，忽略微裂纹间的相互作用，主裂纹与每一个微裂纹相互作用的应力强度因子可以叠加。分析了两种荷载源，一个是在无限远荷载作用下主裂纹和微裂纹的相互作用，另一个是伴随着微裂纹面上残余应力的释放主裂纹和微裂纹的相互作用。结果表明，两种荷载源都对主裂纹有屏蔽作用，且主裂尖后的微裂纹有最大的屏蔽作用，主裂尖前的微裂纹没有屏蔽作用。     

Stable and unstable fatigue prediction for A572 structural steel using acoustic emission

The association of acoustic emission (AE) signals with crack growth behavior in the material of interest is the basis for monitoring the fatigue damage of in-service steel structures with the AE method. A model including the absolute energy rate of AE, stress intensity, fracture toughness and load ratio is presented to predict crack extension and remaining fatigue life for stable and unstable crack stages. The model is based on the Forman equation, and the balance between AE signal energy and the energy released due to crack growth. Results from AE-monitored fatigue tests with load ratios of 0.02, 0.1 and 0.7 are utilized to validate the presented model. To separate AE signals associated with crack growth from noise, a combined approach involving pattern recognition and analysis of waveform features was employed. Prediction procedures are demonstrated based on the presented model and experimental data. Reasonable agreement exists between the observed and predicted test results. The presented model conservatively estimates fatigue damage and remaining fatigue life.     

岩石裂纹扩展诱发的强度弱化模型研究

岩石应力应变本构关系对于判断岩石强度、变形力学特性有着重要的意义,细观裂纹对岩石力学特性又有着重要的影响。基于细观裂纹扩展模型,将裂纹角度影响引入模型,并结合宏细观损伤定义联系,建立了一个考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型,并解释了围压与轴向应变本构关系,分析了裂纹贯通与岩石失效极限应变之间的联系,然后将该本构模型,与常规压缩试验与循环加卸载试验对比分析得到的试验规律相结合,提出了一个岩石内部裂纹扩展、变形损伤作用下岩石压缩强度弱化模型。并通过将不同围压下的裂纹启裂应力试验值和理论公式相结合,预测了模型中难以试验直接获取的关键参数μ,a,β,φ。其中初始裂纹尺寸a与裂纹角度φ,是由真实岩石中随机分布裂纹尺寸、角度平均化思维获取。随着裂纹扩展或应变增加,岩石压缩强度开始保持不变,当岩石达到一定损伤后不断降低。该强度弱化模型的应用,为地下工程围岩稳定性评价提供了一个重要的理论支持。     

钢纤维混凝土断裂破坏机理及受拉损伤本构试验研究

钢纤维混凝土断裂行为及受拉本构关系对其工程应用起到至关重要作用,目前尚无本构模型揭示基体开裂与纤维拔出所产生的能量耗散的演化规律.文章通过开展钢纤维混凝土带缺口梁三点弯试验,利用声发射技术监测试件断裂过程中不同微观开裂模式所对应的能量耗散的演化规律,结合损伤力学原理建立钢纤维混凝土的单轴受拉弹塑性损伤本构模型.试验研究...     

单轴受荷条件下岩石的声学特性模型与实验研究

从岩石的变形特性出发,通过等效裂纹模型的建立,给出了岩石在单轴加载、卸载和重加载过程中岩石声学特性的理论模型;对大理岩、灰岩和玄武岩三种岩石进行了单轴循环加载过程中的超声波测试实验,实验结果与理论计算基本吻合。