纤维增强超细尾砂充填体微观破坏机制

纤维增强充填体(FRB)在采空区充填中具有明显的优势,为研究FRB微观破坏机制,以不同配比的玻璃纤维增强超细尾砂充填体为研究对象,利用电子万能试验机、扫描电镜、核磁共振仪和声发射监测仪开展系列试验,从微观层面系统分析FRB的裂隙扩展及损伤演化过程。研究表明：玻璃纤维的掺入能够显著优化充填体材料的初始结构,减少初始缺陷,其中以灰砂配比为1∶12试件的优化效果最为明显;FRB试件和无纤维充填体(CPB)试件的破坏模式存在显著的区别：CPB试件破坏以主裂隙贯穿试件为主,局部位置存在剥落现象,而FRB试件破坏则以较多的小尺度次生裂隙为主,这是由于纤维对充填体材料的阻裂作用所致。因纤维的阻裂作用也使得FRB和CPB的声发射(AE)特性呈现明显的差异：CPB试件在屈服点σ_cd(约在85%应力峰值)之后,振铃计数出现“AE下降区”,而FRB试件在屈服点σ_cd之后,振铃计数则表现出明显的“AE上升区”。研究结果不仅能够为推广玻璃纤维充填体的应用提供理论指导,且可为玻璃纤维增强充填体达到其峰值强度预测提供声发射判据。     

水力耦合作用下含裂隙灰岩三轴试验研究

利用水力耦合试验系统,对取自郭家岩坝址区灰岩进行了变形破坏过程中的渗透特性以及声发射规律研究。结果表明:砂岩在渗透作用下的强度存在明显的围压效应,其基本呈线性关系;砂岩形变与声发射之间各阶段的变化呈对应关系,压密及弹性阶段声发射振铃计数较低,屈服阶段声发射振铃计数较高且在峰值前后达到最大值,峰后残余变形阶段声发射振铃计数略有回落;渗透率呈两阶段变化特征,在压密及弹性阶段前期逐渐略有减小,屈服阶段后逐渐增加,并在峰值前后达到最大值;基于试验成果建立起渗透率与损伤变量之间的函数关系,并通过两者关系揭示了砂岩渗透系数变化的根本原因在于试件内部损伤的累积。     

不同材料组合及配比下类岩石试件单轴压缩损伤破坏过程分析

井下大尺寸真实岩芯难以获取且数量有限，通常采用类比法在室内制作类岩石材料试件模拟实际煤岩，以此开展水压致裂试验。为精确研究类岩石材料试件的力学特性，以水泥、石英砂、石膏和煤粉为原材料浇筑不同组合及配比的类岩石材料试件，通过单轴压缩试验，探究水膏比、砂胶比以及煤粉对试件力学特性及破坏形态的影响。结果表明：水泥–石英砂–石膏试件的抗压强度随水膏比的增加而增大，随砂胶比的增加而减小；砂胶比对试件抗压强度的影响更为显著，砂胶比与水膏比分别为0.33,0.75,1和0.5,1,2时，试件抗压强度由23.19 MPa降至19.14MPa；同种类岩石材料试件随水膏比增加峰值破坏时间提前，试件内部损伤程度加剧，水膏比由0.5增大至2，声发射累计振铃计数增大约5.1倍，宏观上表现为裂缝增多；相对石英砂、石膏而言，煤粉会加剧试件裂隙发育程度进而弱化其力学性质，保证配比不变，用煤粉分别代替水泥–石英砂–石膏试件中的石英砂、石膏，试件在峰值破坏时的最大声发射振铃计数分别为替换前的1.5和2倍，表面由较规整的裂缝变为更加发育贯通的裂缝；试件破坏后裂缝在其表面两侧呈反拱形分布，为X状共轭斜面剪切破坏，最大主应变较...     

突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析

利用声发射事件率、振铃事件比和累计振铃数作为AE表征参数,进行单轴受压下突出煤样破坏全过程声发射试验。试验结果表明,不同轴向载荷的作用过程中,煤样声发射特征变化具有阶段性,根据全应力–应变曲线和声发射特征的变化规律均可分为5个阶段;因既反映声发射事件发生的频度又涉及事件的能量,声发射振铃事件比能更为准确地反映煤体变形破坏过程中声发射变化趋势,适合作为煤岩动力灾害预测的主要参数之一。弹塑性阶段是累计振铃数增长的主要阶段,累计振铃数达到AE累计振铃总数的35.35%;在接近峰值强度时,AE累计振铃数曲线趋于平缓,出现声发射相对平静期,即在其他岩石中存在的峰前相对平静期也存在于具有较多原始损伤的煤体之中,但损伤煤体的相对平静期更短,AE累计振铃数曲线突增和峰前相对平静期可作为煤样峰值破坏的征兆用于煤与瓦斯突出预测预报。     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

橡胶混凝土轴拉破坏过程中声发射特性

为了研究橡胶掺量对单调荷载下混凝土拉伸破坏的影响,开展了不同橡胶掺量(体积分数0%、5%、10%、15%、20%)的带缺口混凝土棱柱体的单轴拉伸破坏试验,采用声发射技术监测其破坏过程,进一步分析应力-裂缝张开位移曲线、断裂能以及声发射特征参数。结果表明:随着橡胶掺量的增加,混凝土失稳荷载下降,峰值裂缝张开位移增大,橡胶混凝土断裂能大于基准混凝土,并在橡胶掺量为15%时达到最大值; 声发射累计振铃计数及累计撞击次数曲线能够将混凝土破坏过程划分为3个阶段,随着橡胶掺量的增加,声发射活性有所降低,峰值频率由高频向低频转变; 声发射b值能够很好地反映混凝土试件的破坏形式,可以将混凝土试件的破坏过程划分为2个阶段,试件破坏过程中b值整体呈下降趋势,随着橡胶掺量的增加,b值有所增大,主裂纹形成阶段b值最大值与最小值的差值有所减小; 橡胶掺量小于20%时,强度降低速率较快,大于20%时,强度下降减缓。     

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。     

基于声发射监测的含天然弱面辉绿岩变形和强度特性实验研究

针对红透山铜矿采场顶板含不同角度节理岩体问题,将含有天然弱面辉绿岩试件进行单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:(1)含有纵向弱面辉绿岩试件比含横向弱面试件强度大,含有三角形斜向弱面抗压强度最低,在相同应力下,含纵向弱面试件轴向应变会比完整试件的应变变化小,含横向贯通弱面试件的轴向应变会比完整试件的应变变化大,横向应变变化相反;(2)完整试件和含天然横向弱面试件在受压时试件为脆性断裂破坏,含纵向弱面试件在受压时为沿弱面拉伸破坏,含有斜向三角弱面试件破坏为沿弱面剪切破坏;(3)含有纵向弱面辉绿岩试件声发射信号与完整试件压缩时产生的声发射信号相近,含有斜三角弱面试件声发射信号非常活跃,试件撞击率出现几次阶段峰值,含双横向弱面试件受到抗压比含单横向弱面试件声发射信号更活跃;(4)此试验可为采场内含有结构面岩体开挖支护提供指导意见,研究结果可以反应含不同弱面试件受加载变形和强度特性及破坏模式。     

大理岩卸围压破坏全过程的声发射及分形特征

采用极点对称模态分解方法对大理岩卸围压破坏的声发射数据进行去噪处理,分析大理岩卸围压变形破坏全过程的声发射变化特征。加载初期声发射振铃较小且增长缓慢,扩容点后声发射振铃计数率迅速增加。声发射时频变化呈现波动特征,峰值强度前频率出现突增,临近峰值强度时频率明显降低。利用关联维数方法计算大理岩卸围压破坏过程的声发射分形维数,声发射分形维数呈现阶段性变化,先增大后减小,在应力达到峰值强度的80%附近出现陡增,破坏时分形维数又出现大幅降低。频率变化特征与分形维的变化规律具有对应关系,声发射信号频率突然上升且分形维数陡增可认为是岩石破坏前兆。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件 ,对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究 ,试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征 ,这表明它们的损伤断裂过程的不同机制 ,对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样 ,还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂 ,其破坏具有不同于其他试件的特征 ,破坏之前有相当长一段时间 ,声发射也较为活跃 ,且增幅越来越大 ,破坏时出现最高峰值 ,破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半 ,这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性 ,对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响     

冻融循环对花岗岩声发射特性影响的试验研究

在高寒地区,冻融对岩石声发射特征和抗冻性指标有着重要的影响。针对这一问题,利用在寒区采集的花岗岩试件开展冻融试验和冻融岩石的单轴压缩声发射试验。试验结果表明:花岗岩试件抗冻系数随冻融循环次数的增加而逐渐减小;试件的质量损失率随冻融次数的增加而增大。随着冻融循环次数的增加,试件端部效应趋于明显,试件破坏时的声发射撞击数显著增大。声发射振铃计数可分为接触期、平静期和破坏期3个阶段,随着冻融循环次数的增加,接触期持续时间延长且振铃计数明显增加;平静期振铃计数密度变大,有较多突变点;破坏期振铃计数较大且持续时间较长。随着冻融循环次数的增加,声发射信号峰频点由分散凌乱向优势频段集中,岩石试件临近破坏时,声发射信号峰频优势频段逐渐向中高频段集中,低频段声发射信号不断减少;不同冻融循环作用次数对应的声发射能量概率密度都能较好地满足幂定律分布;表征尺度不变性的临界指数随冻融循环次数的不断增加,呈现出先减小后缓慢增大的趋势。试验结果对在寒区应用声发射技术鉴别和预报岩体的稳定性以及研究岩石冻融损伤机制有重要意义。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件，对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究，试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征，这表明它们的损伤断裂过程的不同机制，对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样，还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂，其破坏具有不同于其他试件的特征，破坏之前有相当长一段时间，声发射也较为活跃，且增幅越来越大，破坏时出现最高峰值，破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半，这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性，对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响。     

珊瑚砂微生物固化体三轴压缩声发射试验研究

对不同干密度增量的珊瑚砂微生物固化体进行了三轴压缩声发射试验,研究不同围压条件下固化体的应力应变曲线特征及对应的声发射信号特征。试验结果表明,珊瑚砂微生物固化体的三轴压缩声发射曲线可分为三个阶段,在应力应变曲线的近似线弹性阶段声发射活动不频繁,屈服阶段声发射活动频度增大,延性流动阶段声发射活动频度降低,但仍有少量声发射振铃计数与能量高峰出现;累计振铃计数曲线呈直线型,反映了声发射活动在变形全过程均维持了一定的频度,说明内部的胶结断裂与颗粒破碎持续发生,颗粒发生错动并重新排列,导致固化体表现出延性流动特性。通过声发射试验,可以更好地理解珊瑚砂微生物固化体的宏观变形与破坏过程,为建立珊瑚砂微生物固化体损伤本构模型奠定基础。     

2205双相不锈钢疲劳损伤声发射研究

2205双相不锈钢以其强度高、耐腐蚀、耐高温等优点成为桥梁结构的新兴材料,但其在疲劳荷载下的损伤问题对整体结构安全性能影响很大。为了明确2205双相不锈钢材料在疲劳荷载下的损伤发展情况,本文对3组相同矩形截面试件进行了三种不同应力比的拉伸疲劳损伤试验,同时进行声发射信号采集,通过声发射经历图分析探讨了声发射振铃计数及能量与试件裂缝发展程度的关系,并且采用裕度指标对试验过程进行了评估。结果表明,随着应力比的增大,声发射特征参数的循环周次有了一定的增长,且试件损伤进程放缓;同时裕度评价指标的变化范围逐渐减小,说明该指标可以较好地表征试件的疲劳损伤发展情况。基于试验和分析结果建立声发射累计振铃计数-疲劳裂纹长度的疲劳损伤模型,通过该模型得出的计算裂纹与实际裂纹发展趋势较为吻合。故本文研究成果可为2205双相不锈钢材料疲劳损伤检测和评估提供依据。     

多源煤基固废充填体强度演化规律及声发射特征

为探究多源煤基固废充填体力学特性,制备29组尺寸为70.7mm的立方体试件,采用单轴压缩实验系统得到不同龄期充填体试件抗压强度,利用XRD,SEM微观观测技术分析原材料的微观形貌及物质成分组成,并采集不同龄期试件断面微观形态结构,揭示充填体强度演化规律;基于响应面法研究各组分对不同龄期(3,14,28 d)充填体强度的影响,应用声发射测试系统监测试件破坏过程中声发射特征。研究结果表明：各因素对试件强度影响的显著性大小为：粉煤灰>矸石>脱硫石膏>气化渣与炉底渣的1∶1混合物;响应面法得到粉煤灰及矸石对充填体试件的抗压强度影响较大;新生成的棒状结晶物及蜂窝棉絮状胶凝物质随龄期的增长逐渐增多,从而使充填体强度增高;试件3 d强度最小,3～14 d强度增加幅度最大,14～28 d强度增加幅度次之;塑性变形阶段,有少量能量释放,试件表面出现细微裂纹,并逐渐演变成贯通裂隙;屈服破坏阶段,声发射振铃计数陡然增大,试件内部集聚的能量突然释放,试件表面出现明显贯通式裂隙,并逐渐裂开、崩落;峰后阶段,试件依然具有一定的强度,声发射事件依然存在,并伴随能量释放,研究成果可为工程现场充填材料...     

砌体结构轴心受压和原位轴压试验声发射信号参数特征分析

根据声发射信号参数特征评估砌体结构损伤状态对于砌体结构的健康监测是一个创新的方法。进行了砖砌体试件的轴心受压试验和在役砌体砖墙的原位轴压试验，分析了在试验过程中声发射振铃计数、能量和峰值频率的特征。结果表明：声发射参数变化特征与砌体损伤的演变过程相对应，在砌体损伤的不同阶段，声发射参数呈现出了不同的变化特征；在试件的破坏阶段，声发射信号特点为高能量和低频率，这些特征可以为评估砌体结构状态和结构安全预警提供支撑和指导。     

拉伸应力状态下花岗岩声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射(AE)三维定位系统,对甘肃北山花岗岩在直接拉伸和间接拉伸试验条件下的强度、变形及其破坏全过程的声发射特征进行研究。试验结果表明：直接拉伸得到的抗拉强度的平均值、最大值和最小值均分别高于间接拉伸,且前者峰值应力时的应变量小于后者,约为后者的6.03%;直接拉伸试验加载开始至40%峰值应力阶段,声发射较为平静,此后声发射计数和能量均开始增加,接近峰值应力时,声发射事件数达到最大;间接拉伸试验整个破坏过程的声发射计数率基本持平,但40%峰值应力前的初期加载阶段的声发射能率高于40%峰值应力后;间接拉伸过程中,试件受压缩应力及加载接触部位屈服破坏的影响,能量释放量高于直接拉伸。     

变加载速率砂岩声发射特征及损伤本构模型

研究加载速率对岩石声发射特性的影响,可以推断加载过程中岩石内部的性态变化,有助于揭示岩体的失稳破坏机制。利用WAW-1000型试验机及PCI-2型声发射仪研究了受加载速率影响的砂岩单轴压缩声发射特性。结果表明:不同加载速率下,砂岩试件的破坏形式有单向剪切破坏、双向剪切破坏和轴向劈裂破坏3种破坏形态。加载速率对砂岩试件的声发射特征也有显著影响:加载速率较高时,砂岩声发射撞击幅值维持较高水平,撞击事件贯穿整个加载阶段,试件内部声发射数量少而集中;加载速率越高,砂岩累计声发射计数增长越快。以时间为中间变量,拟合出考虑加载速率情况下,砂岩应变与累计声发射计数的关系,推导出基于加载速率、声发射累计振铃计数的砂岩损伤本构模型。     

混凝土轴压受载声发射特征及失稳演化过程研究

桥梁桩基混凝土承受轴向压载过大,其内部破坏开裂过程会释放弹性波,为量化压载失稳演化过程特征,通过现场原位钻取桥梁桩基结构芯样,采用轴向压载与声发射同步监测试验,研究混凝土试件加载全过程声发射时空演化特征,分析混凝土材料压载失稳破坏全过程与声发射振铃计数、能量释放、震源定位等表征参数的演化关系,获得加载过程与声发射特征关联性的定量描述,分析其失稳演化过程。研究结果表明：轴向压载条件下混凝土试件的应力与声发射振铃计数、能量释放随时间的变化规律具有一致性,声发射定位点主要在剪应力集中区形成宏观“定位带”与混凝土裂缝发展及破坏表现一致,可根据声发射事件活跃度量化判断混凝土受载阶段,反映混凝土失稳临界特征,对桩基混凝土服役监测具有重要意义。     

结构性煤体间歇性破坏行为的实验及数值模拟研究

不连续结构弱面广泛分布于煤岩材料内部,导致其在单轴压缩条件下获得的应力–应变曲线在峰前阶段反复出现应力突降现象。为探究富含不连续结构弱面煤岩材料受载后产生间歇性破坏行为的内在机制,自大同塔山煤矿选取层理裂隙较密集煤块,加工标准煤样,进行单轴加载测试,并实时监测单轴加载过程中煤样声发射信号,从应力及能量演化、声发射特征、宏观破坏形态等角度分析煤样间歇性破坏行为;依据煤样结构性特征建立颗粒流数值模型,探究煤样在间歇性破坏过程中的内部破裂行为及裂隙演化规律,并将数值模型与实验室煤样破坏形态进行对比分析。研究表明:(1)弹性变形能演化趋势与应力–应变曲线形态相似,在峰值强度时达到最大,试件破坏后完全释放;能量耗散量在应力突降时激增,试件破坏后增长至与输入总能量相等。(2)声发射事件振铃计数及能量演化规律与应力–应变曲线具有良好对应关系,应力平稳上升时,声发射事件较少,且多为低能级事件;应力突降时,大量高能级声发射事件丛集。(3)声发射b值及分形维数D反映微破裂尺度分布及其有序性,临近破坏前二者剧烈震荡,表明煤样内部不同尺度裂隙交替出现,由无序向有序反复调整,完全丧失承载能力前存在多次间歇性局部破坏。(4)数值计算发现,原生裂隙尖端最先产生张拉破裂,当应力突降时,颗粒间黏结及裂隙数量激增,微破裂相互沟通形成大尺度裂纹,或裂纹向试件表面迅速扩展。不同空间位置的局部破坏造成峰前应力–应变曲线锯齿张爬升,大尺度裂纹的产生将试件切割成为独立承载的结构单元,破坏试件承载整体结构,是试件强度劣化的内在原因。