岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了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,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏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。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。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问题进行了总结和分析,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了理论依据、方法和手段。     

岩石单轴压缩破坏声发射特性试验研究

通过5种岩石试样的单轴压缩破坏全过程的声发射试验,研究了不同岩石受力变形的声发射特性,应力、应变与声发射的关系,应力、声发射与时间的关系。通过试验发现,岩石在单轴受压破坏全过程中都会产生声发射事件,声发射事件的特性与岩石的强度、质密程度、构造面的发育程度等有关;岩石在峰值破坏前的声发射事件数、应力、应变和时间之间的相互关系呈3种典型的类型;部分岩石试样在临近破坏前,其声发射事件率出现明显下降,这种岩石破坏的前兆现象可以用来解释岩体声发射现场监测时,在冒顶、片帮和岩爆等发生前会出现声发射事件反常现象,这对岩体工程稳定性监测预报、提高预报的准确性具有重要的指导作用和应用价值。     

基于岩石声发射特征的路基边坡稳定性分析

路基边坡的稳定性对道路的施工以及运营安全至关重要。通过试验对比不同加载速率下岩石的声发射特性,总结出不同规律,从而建立红砂岩蠕变破坏的声发射判据。结果表明:不同应力条件下,岩石应变率与声发射振幅、事件率关系不同;不同应力条件下,岩石应变与事件率的关系不同;通过分析声发射振幅、事件率分别与岩石应变率、应变的关系,较容易辨别岩石的单轴压缩与蠕变状态。本研究可为声发射技术应用至实际现场路基边坡稳定性监测提供参考借鉴。     

红砂岩单轴压缩与短时蠕变破坏声发射试验

岩石在不同应力状态下,其声发射特征有所区别,研究对比单轴压缩和蠕变2种状态下岩石的声发射特征对预测岩石破坏具有重要意义。通过进行红砂岩单轴压缩声发射试验和分级加卸载短时蠕变破坏声发射试验,对比分析了2种状态下声发射事件率和振幅的变化规律。试验结果表明:声发射事件率在蠕变破坏和单轴压缩破坏过程中总体规律相近;在单轴压缩破坏过程中在加载早期振幅较大,之后有所减小,直至破坏前增大明显,然而在蠕变破坏过程中,振幅在进入蠕变破坏加速阶段和破坏前均有明显增大的趋势。可见,相对于声发射事件率,振幅在一定程度上可作为蠕变破坏与单轴压缩破坏的声发射判据。     

不同配比类岩石材料力学特性及声发射特性

为了模拟矿物颗粒大小组成对声发射的影响,采用两种粒径的石英砂(0.1~0.2 mm,0.63~1 mm),按不同配比(0.5∶1,1∶1,1∶0.5)混制成3组类岩石材料试件,并对试件进行了单轴压缩声发射试验。试验结果表明:3组不同配比试件的变形特征与天然岩石材料的比较一致,其变形破坏过程都经历了4个阶段,即:初始压密、弹性变形、塑性变形、裂纹加速扩展至试件破坏;随着细颗粒比例的增大,试件的单轴抗压强度逐渐增大。通过分析3组同配比试件的声发射试验参数,得到声发射事件率-时间与应力的关系,累计声发射事件率与时间、应力的关系,结果表明,类岩石材料的声发射特性与天然岩石材料的声发射特性比较相似。     

单轴压缩条件下岩石损伤过程的声发射实验研究

采用数字化声发射系统,开展了单轴压缩条件下不同岩石损伤过程声发射实验,研究了岩石在单轴压缩过程中声发射活动与时间、载荷的相关关系,微观损伤及其扩展的机理。实验结果表明,在岩石微裂隙压密、微观损伤产生、扩展和破坏4个不同阶段,声发射事件表现出不同的分布特征,岩石声发射活动特性与所受载荷有较好的相关关系。通过对声发射事件率、事件时空分布特征、声发射波形特征等参数的变化规律研究,能有效预测岩石的破坏,为现场岩体破坏提供可靠的预测预报依据。     

浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验

为研究不同浸水时间饱水岩石损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对天然及不同浸水时间的饱水闪长岩进行单轴压缩力学试验和声发射试验,研究单轴应力状态下其力学特性和声发射特征,结合累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于浸水时间的饱水岩石声发射损伤模型。结果表明:饱水岩石的单轴抗压强度和弹性模量随浸水时间的增加呈指数的变化规律逐渐减小,浸水60 d后其值均趋于稳定;在加载的各个阶段不同浸水时间的饱水岩样均有声发射事件产生,声发射事件率与岩样的应力-应变关系趋势均具有较好的一致性;声发射累积数的变化规律与岩样内部损伤演化规律具有一致性。     

岩石的声发射对比试验研究

通过单轴压缩条件下四种岩石的声发射的对比研究，分析了不同岩石破坏的声发射机理和规律。研究表明，岩石的声发射特性主要取决于岩石本身，且岩石的声发射事件率与其能量率规律并不完全一致。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究

通过试验监测岩石受力过程的声发射参数特征和时间过程特征等,探索岩石受力变形直至破坏全过程的时间特性,得到岩石破裂过程中岩石应力应变、声发射参数与应力和时间的关系。对比研究表明,不同岩样在加载过程中的声发射率与声发射能量参数成正比关系,而应力大小与声发射率和声发射的能量参数不成正比关系。最后通过岩样的压缩试验得出了不同岩样的岩石应力、应变曲线与声发射特性之间的变化规律。     

红砂岩变形演化及声发射主频特征实验研究

以声发射系统和数字散斑相关方法作为实验观测手段,开展红砂岩试件变形场演化及声发射主频特征实验研究。通过单轴加载方式,对一种红砂岩试件加载全过程中的变形场演化、声发射主频信息进行分析,研究红砂岩试件变形场演化与声发射主频分布范围、事件率对应关系以及声发射主频的能量特征。研究结果表明:低主频声发射事件在变形局部化启动时刻开始出现且数量不断增加,随着变形局部化带错动速率增大,声发射主频分布范围显著增加;在红砂岩试件变形局部化阶段,低主频声发射事件率与高主频声发射事件率的量值接近,但量值较小;在应力峰值点处,低主频声发射事件率远大于高主频声发射事件率;在界面滑动阶段,高、低主频声发射事件率量值均较大;红砂岩试件变形破坏过程中,高能量声发射事件主要分布在低主频范围内,低能量声发射事件在高、低主频范围内均有分布。     

不同硬岩破裂失稳声发射及b值动态特征实验研究

为了研究不同硬岩破坏过程中声发射及b值演化特征差异,在单轴加载条件下对不同种类硬岩进行声发射实验,得到不同种类硬岩破裂失稳过程中的力学特征,分析了不同种类的硬岩声发射能量率变化特征。并基于振幅与震级之间幂律关系定义声发射b值,对比了不同硬岩破裂失稳过程声发射b值演化特征,并分析了应力水平与声发射b值演化关系。研究表明:高强度、高脆性系数的岩石,从本构关系来看,没有明显屈服点,声发射能量率量级也越大;各试件在临近破坏时的声发射b值均大幅度下降,但花岗岩下降幅度最大。     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

采用SDAES型数字声发射仪和岩石参数动态测试系统,对云南大红山铜矿2组岩石进行了单轴压缩条件下的声发射实验,研究岩石在单轴加载过程中声发射活动随时间和应力、变形等内在规律,比较2组岩石声发射规律的异同,在此基础上分析了岩石的破坏机理。实验结果表明：2组岩石声发射活动规律大体相同。除加载初期外,岩石声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与试样体积变形的主要原因。岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率不完全一致,声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感,更适合用来预测岩石的破坏。     

Theoretical analysis of characteristics of acoustic emission in rock failure based on statistical damage mechanics

Based on statistical damage mechanics, the constitutive model of a rock under three-dimensional stress was established by the law that the statistical strength of rock micro-element obeys Weibull distribution. The acoustic emission (AE) evolution model of rock failure was put forward according to the view that rock damage and AE were consistent. Moreover, in the failure process of rock under three-dimensional stress, the change in relationship between stress condition parameter and the characteristic parameters of AE, such as the event number and its change rate, were studied. Also, the rock AE characteristic under uniaxial compression was analyzed in theory and verified with examples. The results indicate that the cumulative event number and change rate of AE in rock failure are determined by stress state parameter F. Along with the gradual increase of F, first the cumulative event number increases gradually, then rapidly, and then slowly after the stress peak. The form of change rate of an event by increasing F is consistent with the distribution form of rock micro-element strength. The model explained the phenomenon that a relatively quiet period of AE appears before rock rupture that is observed by many researchers in experiments. Verification examples indicate that the AE evolution model is consistent with the test results, so the model is reasonable and correct. Supported by the Key Program of National Basic Research Program(973) of China (2005CB221505); the National Natural Science Foundation of China (2005E041503)     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究

为研究岩石岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的关联,建立了不同岩爆倾向岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系,并对3种不同岩爆倾向性岩石单轴加载下的声发射特征进行了实验室试验,验证了其正确性。当岩石岩爆倾向性较强时,随着应变量的增加,主破裂之前只有零星的声发射出现,并且能量非常小,主破裂之后的声发射几乎没有,而主破裂时的声发射数目和能量都非常显著。当岩石岩爆倾向性较弱时,加载不久就有少量声发射出现,在时间上呈现无规则型、没有声发射率显著变化的阶段出现。