岩石声发射的Kaiser效应研究进展

简要介绍了声发射技术的原理、发展史,从Kaiser效应应用方面,还介绍了声发射技术的研究成果.还介绍了岩石的Kaiser效应及声发射技术在岩土工程中的应用.最后讨论了声发射技术未来的研究方向.     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

声发射技术在岩石试验研究中的应用

介绍了声发射技术的特点及原理,分析了声发射技术在岩石试验研究中的成果,并指出声发射技术在岩石试验研究中的不足,最后对其应用前景进行了展望,为岩石试验研究带来了经济效果,同时为指导工程的设计施工提供了有利的理论依据。     

含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究

用水泥砂浆模拟含裂隙岩岩石试样，在刚性压力机上进行单轴压缩试验，通过声发射测试技术，分析含裂隙岩石在受压力过程中新裂的萌生－扩展－断裂破坏全过程。得到含中心斜裂试样受压破坏的声发射特征，揭示了含裂隙岩石压剪民裂破坏的内在机理。     

岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声发射特性

利用RMT-150B岩石力学试验系统和Locan320声发射仪，研究了循环荷载作用下岩石疲劳破坏过程中的变形规律和声发射特征，揭示了两者之间的联系。从宏观不可逆变形和微观损伤的角度对岩石疲劳破坏过程进行了初步分析，确定了轴向变形的3阶段规律和横向变形的2阶段规律，论述了选择轴向变形作为宏观损伤参量的合理性。     

岩石蠕变破坏声发射特性研究现状与展望

介绍了岩石蠕变破坏与岩土工程长期稳定和安全的关系,分析了岩石破坏声发射试验、岩石蠕变破坏过程声发射特征、岩石蠕变破坏声发射预测的研究现状,在此基础上,探讨了目前岩石蠕变破坏声发射特性研究中的不足之处,提出了岩石蠕变破坏声发射特性的研究方向。     

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。     

基于区域相关性的岩石损伤声发射探测与成像方法研究

 为实现岩石破裂过程的超声波探伤成像–声发射一体化监测,深入研究岩石损伤演化与声发射间的关系。在超声波透射型探测和射线追踪成像理论基础上,从岩石内部区域相关的角度考虑岩石的不均匀性、各向异性,构建了基于声发射AST模式的岩石损伤探测成像方法。着重阐述了损伤探测成像方法的原理、离散速度场的构建、分量速度场矩阵的求解、多分量速度场间复合运算规则、待估物元的搜索方法及最终的损伤探测成像方法。通过选择较为完整无明显缺陷的岩石试件、含有严重损伤缺陷的岩石试件以及存在特殊结构的岩石试件,进行成像方法验证。研究结果表明：基于声发射AST模式的岩石损伤探测法具有良好的探测与成像效果,不仅能定位岩石内部损伤缺陷,还能识别与损伤缺陷相关的弱化区域。该方法可以实现超声波探伤成像与声发射信号的同步监测,为后期开展岩石损伤区域圈定、损伤动态发展的跟踪、岩石破裂动态损伤多指标量化评价、岩石破裂损伤演化与声发射间的关系研究提供了基础。     

岩石声发射实验的衰减器排噪法

在岩石单轴压缩发射实验中,现有的各种排噪措施还不能有效地排除加载系统和试验端部产生的噪音。本文介绍的衰减器排噪法,采用试件两端粘接金属端帽,加载压板与端帽之间安装衰减器,从而可靠地排除了噪音,检测到了岩石试件真实的声发射信号,提高了检测数据的可靠性和精度。     

岩石声发射规律数值模拟初探

提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架，并以有限单元法为例就具体实施的几个关键问题作了简述，包括单元的划分、单元参数的赋值、声发射率的计算。本文给出了一个计算实例，所得结果包括岩石声发射的时间序列和空间序列分布。     

冲击地压声发射前兆模式初步研究

 从讨论声发射与岩石材料损伤关系出发, 论证了用声发射监测冲击地压的科学性。基于现场实测研究, 提出了冲击地压的声发射四种前兆模式: “单一突跃型”、“波动型”、“指数上升型”和“频繁低能量前兆型”, 还分析了松动爆破对防治冲击地压的效果, 这对冲击地压的预测预报, 具有重要应用价值。     

动静组合载荷破岩声发射能量与破岩效果试验研究

 在动静组合载荷多功能试验装置上,以脆性岩石(花岗岩)为研究对象,进行不同载荷作用下的破碎试验。运用声发射系统AEwin采集岩石破碎过程中的声发射数据。基于不同加载模式下的声发射总能量和破碎体积的实测数据,分析两者之间的关系;采用破岩体积和破岩比能2个指标作为表征破岩效果的参量,综合分析各种加载模式下的破岩效果。结果表明：岩石破碎声发射累计能量与破碎体积有密切相关性,动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量分别为WD,WS+D,WS,且WD＜WS+D＜WS;组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大,且存在最优加载参数组合,可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。     

水力耦合下岩石的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下，分别讨论了4种岩石在考虑渗流和不考虑渗流条件下的声发射特征。研究表明：在低应力阶段，岩石几乎没有声发射活动，淳流对声发射活动无影响：一般在达到其强度的60％～80％左右、临近破坏时，声发射活动才显著增加；加渗流和卸渗流的瞬间均产生较大的声发射事件，从稳定渗流到卸渗流一般接收不到明显的声发射信号；岩体破坏的声发射过程分为4个部分，即初始区、剧烈区、下降区和沉寂区；在破坏时，声发射信号的主频分布较宽，其中不加渗流时低频成分所占的比例超过了50％，坚硬岩石主频的最大值较破坏前、后急剧增大；加渗流或长期浸泡（130h左右）时低频成分所占的比例超过了60％～80％，软化岩石土频的最大值较破坏前后变化不大；岩石的声发射主频与岩石的强度有关，强度越高，主频也越宽；随着应力的增加，有些岩石的声发射主频最大值有增大的趋势。     

岩屑声波法评价岩石可钻性的试验研究

岩石可钻性是石油钻井中优选钻头类型的重要依据。岩屑声波法评价岩石可钻性以容易获取、来源充足的钻井岩屑为研究资料，通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值，可以获得连续的地层信息，实现钻头类型的优选。试验分析了毫米级岩屑波速测量的可行性和岩屑波速与岩石可钻性级值的相关性，表明岩屑波速具有良好的代表性，且岩屑波速与岩石可钻性级值(Kd)有着密切的关系。测定了26块有代表性的岩芯的可钻性级值及相应岩屑的声波速度，建立了岩石可钻性级值(Kd)与岩屑波速的关系模型。在一口预探井进行了随钻检测地层可钻性的现场试验，证明该方法是有效的。     

岩体声发射混沌与智能辨识研究

对岩石试件加载及破坏过程的声发射进行了试验,对工程岩体声发射进行了监测。采用混沌动力学研究了岩体声发射活动规律,计算了工程岩体在变形与破坏过程中不同阶段声发射混沌吸引子。用混沌与神经网络相结合,建立了岩体声发射预测模型。根据岩体声发射各阶段特征,建立了工程岩体稳定性智能辨识模型。研究结果表明,岩体声发射活动存在4个不同的阶段:稳定期、声发射活动初期、声发射活动加剧期和活动反转期。岩体破坏出现在声发射活动反转期,声发射出现反常,混沌吸引子减小,破坏特征呈现。工程应用实践证明,混沌动力学能较好地反映岩体的声发射特征,所建立的预测与智能辨识模型能较好地预测和分析工程岩体稳定性。     

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。     

高温下盐岩的声发射特性试验研究

 利用MTS 810材料测试系统和AE21C声发射检测仪对受高温作用的喜马拉雅山盐岩在加温及加载过程中声发射的演变过程进行试验研究,分析其在20 ℃～600 ℃高温下以及高温后不同受力阶段的声发射特征。研究结果表明：加温过程中,50 ℃～400 ℃盐岩的声发射率较50 ℃时明显下降,超过400 ℃后随温度的升高盐岩的声发射活动越频繁。单轴压缩过程中,20 ℃～150 ℃时盐岩的声发射活动频率及强度随温度升高而增大,而在170 ℃～600 ℃其声发射率随温度升高而降低。170 ℃～400 ℃是盐岩自愈性得到充分体现的温度区间。在相同温度下,高温下盐岩的声发射活动弱于高温后。     

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。     

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。