单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究

 采用声波、声发射一体化装置,研究单轴压缩下花岗岩波速与声发射演化规律,通过宏细观方法确定各应力门槛值,研究裂纹扩展不同阶段声发射演化及波传播规律。结果表明：细观裂纹的演化与宏观变形直接对应,由于微裂纹主要沿轴向扩展,导致轴向刚度对裂纹起裂及贯通的敏感度弱于非线性增长的侧向变形,瞬时泊松比曲线斜率变化点与应力门槛值对应,声发射测试确定的起裂应力比宏观应变法偏小,但反映了微裂纹的初始萌生;采用实测波速变化分析声发射震源的时空及幅值演化分布,较好地描绘了裂纹的扩展过程,由于不同阶段声发射信号的幅值及能量存在差异,导致声发射特征参数演化规律差异较大(尤其在损伤应力之后),AE能量在破坏前呈突发性增长,可作为灾害性破坏的前兆;加载初始阶段,由于微裂隙的闭合,波速及波幅均随应力逐渐增大,但增加速率逐渐下降,侧向波速在闭合应力附近基本达到峰值,此后一定阶段基本保持不变,但其他方向波速则继续增大,随着波传播方向与径向夹角的增大,波速增加幅度及波速下降点对应的应力(损伤应力前、后)逐渐增大,峰值应力附近对应波速下降幅度减小;波速受损伤演化的影响要滞后于声发射事件。     

单裂隙花岗岩破坏强度及裂纹扩展特征研究

为了研究裂隙花岗岩强度特征及破坏过程,对裂隙花岗岩进行单轴压缩下的声发射测试,基于应力–应变数据、声发射多参量特征、摄像记录综合分析裂纹扩展特征及其相互变化关系。研究结果表明:裂隙倾角?对起裂应力和破坏强度影响较大,弹性模量和起裂应力随?单调增大;裂隙花岗岩应力–应变曲线在峰前呈阶梯状上升,尤其当?较小时,发生多次应力突降,应力降对应模量的快速弱化、AE事件率和能量率的剧烈凸起;AE事件率表现出明显的三阶段特征,随着?的增大,三阶段特征逐渐弱化,岩石的脆性破坏程度增大,应力降和AE凸起数量逐渐减小,AE事件率和能量率最大值对应的应力逐渐增大;相比AE事件,能量率最大值的发生更靠近峰值强度,且变化更剧烈;AE震源时空演化很好地描绘了裂纹的三维扩展区域和分布规律,稳定增长期震源数量和幅值均较小,高速增长期大幅值震源数量快速增加,尤其是在临近破坏前。     

花岗岩单轴压缩的声发射特征及热力耦合模型

通过高温后花岗岩的单轴压缩及声发射试验,研究了各温度水平下试件纵波波速的变化及应力-应变曲线与声发射曲线的关联,并提出由累积声发射频数表征的损伤变量,然后依此损伤变量导出温度-应力耦合模型。研究表明:试件的纵波波速随温度的升高而降低,而且降低的幅度逐渐增大;应力-应变曲线与声发射曲线吻合得较好,主要分为六个阶段,声发射总是发生在加载曲线的转折点,意味着能量的突变;耦合模型理论曲线与试验曲线总体形状相类似,较好地反映了花岗岩的脆性。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

三轴多级荷载下盐岩声波声发射特征与损伤演化规律研究

 采用岩石声波、声发射一体化监测装置,系统地研究三轴多级循环荷载作用下盐岩超声波波速与声发射变化特征。结果表明：(1) 岩石的超声波波速和声发射活动与应力状态呈现出良好的一致性。加载阶段,超声波波速上升,声发射活跃,卸载阶段,超声波波速下降,声发射平静,应力级数越高,这一特征越显著。(2) 盐岩的声波、声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,应力循环试验中岩石波速变化率越大,声发射事件数量越多;围压水平越高,岩石超声波波速变化率越小,声发射事件数量越少。五级应力荷载试验中,围压条件为5,10,15,20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为1 026,703,361和206个,显示了“围压致密效应”。(3) 分别应用卸载模量、裂隙密度和Felicity比表征盐岩的损伤演化。结论认为：盐岩的裂隙密度和Felicity比变化与岩体承载破坏特征较为一致,可以较好地反映盐岩的损伤破裂过程,而利用卸载模量表征盐岩损伤误差较大,这是由于盐岩特殊的黏塑性变形特征造成的。     

单轴荷载作用下盐岩声波与声发射特征试验研究

利用自主研发的声波与声发射一体化测试装置,通过单轴加载及循环荷载试验,对盐岩变形破坏特征及声波、声发射活动规律进行深入研究.研究结果表明:(1)加载初期,盐岩裂纹体积减少,超声波波速显著增加,声发射事件极少,约占声发射事件总量的0.04％;弹性压缩阶段时,盐岩体积应变增大,而裂纹体积应变恒定,纵横波波速保持稳定,声发射活动较弱,约占声发射事件总量的2.49％;裂纹稳定增长阶段时,横波波速缓慢下降,盐岩声发射开始活跃,约占声发射事件总量的17.3％;裂纹加速增长阶段时,纵横波波速均开始显著降低,声发射活动最为激烈,并呈现震群型特征,数量约占声发射事件总量的76.5％;峰值应力后,岩体波速降至最低,有少量声发射事件产生.(2)循环加卸载条件下,盐岩的波速特征、声发射活动与应力状态表现出良好的一致性.加载过程中,纵横波波速上升,声发射活跃;卸载过程中,纵横波波速下降,声发射平静.统计应力与声发射事件的数量规律,论证盐岩的Felicity效应;比较分析Felicity比的变化,验证盐岩的累计损伤.     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

花岗岩破裂全过程的声发射特性研究

声发射是许多材料发生脆性破坏(包括其微裂纹的初始、扩展)过程中伴随的很普遍的现象。应用两套声发射系统,研究在单轴压缩荷载条件下10个花岗岩样(70mm×70mm×150mm)破裂过程中,随加载时间、应力变化其声发射活动的特性;通过应用单纯形算法对声发射事件定位,分析岩样破裂过程中其内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式。试验结果表明:(1)在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;(2)在初始加载阶段直至初始裂纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点处声发射事件明显增多;(3)在裂纹初始形成之后到微裂纹扩展之前,声发射活动处于一段平静期,裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏,声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非稳定阶段,声发射事件随加载时间及应力变化率非常显著。对于岩样内部初始裂纹形成之后的“平静区”而言,初始裂纹形成之后,并非裂纹随着荷载或者应变的变化而直接扩展,而需要蓄积一定的加载能量,在能量蓄积一定程度之后再进行扩展,即岩石初始破裂之后,其内部应力场需要寻求新的平衡,新应力平衡达到之后裂纹才开始进一步扩展;同样,当岩石完全破坏之后,应力也没有立即完全释放,亦是达到新的应力平衡之后,才完全失去其强度。声发射事件定位结果直观的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。     

基于围压因素的分级应力扰动下砂岩损伤破裂特性试验研究

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力学分析、声发射分阶段定位及损伤评价指标演化特征,确定分级应力扰动下岩石力学的损伤劣化规律及细观裂纹发育特征,建立岩石损伤状态—微观裂纹发育特征—损伤评价指标变化三者之间的关联。结果表明：(1)分级应力扰动下,岩石峰值强度和峰值轴向应变随围压升高逐渐增大。应力扰动各阶段轴向应变增量均呈现初期小幅波动,中期缓慢增加,后期快速增加的趋势;平均弹性模量呈现初期小幅波动后快速降低的趋势。(2)围压通过限制裂纹扩展降低岩石损伤累积速率,高围压下岩石能承受更多级应力扰动,且恒压阶段蠕变特征更明显。(3)加载前期,岩石内部裂纹发育仅在既有损伤区域的重复压密破坏和临近区域少量微裂纹的发育,扰动后期随着轴力的升高会使得围压限制作用减弱造成裂纹快速扩展。(4)岩石内部在加载不同阶段微裂纹发育的数量、尺度的变化能有效的体现在声发射b值和ΔF值,与岩石损伤程度耦合度较高,可用来定量评估岩石损伤...     

Crack initiation of granite under uniaxial compression tests: A comparison study

In this study, a combination of acoustic emission (AE) method (AEM) and wave transmission method (WTM) is used to investigate the behaviors of AE and ultrasonic properties corresponding to initial fracturing in granitic rocks. The relationships of AE characteristics, frequency spectra, and spatial locations with crack initiation (CI) are studied. The anisotropic ultrasonic characteristics, velocity distributions in different ray paths, wave amplitudes, and spectral characters of transmitted waves are investigated. To identify CI stress, damage initiations characterized by strain-based method (SBM), AEM and WTM are compared. For granite samples, it shows that the ratio of CI stress to peak strength estimated by SBM ranges from 0.4 to 0.55, and 0.49–0.6 by WTM, which are higher than that of AEM (0.38–0.46). The CI stress identified by AEM indicates the onset of microcracking, and the combination of AEM and WTM provides an insight into the detection of rock damage initiation and anisotropy.     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

香港花岗岩单轴压缩时的操作演化

An investigation is reported on the characteristics of progressive failure of Hong Kong granite. Uniaxial compression tests are performed on a number of Hong Kong granite specimens with the MTS 815.04 testing machine.Acoustic emission signals are recorded to trace the evolution of damages. Parametric studies on the effect of grain size are attempted. The results show that the increase in grain size will reduce the brittleness during failure. In addition, discussion is extended to the grain size effect on the stress thresholds of crack closure, crack initiation and crack damage. The RFPA^2D code is also used to observe the failure characteristics of brittle rocks such as granite. Microscopic tensile failure is dominant in the ultimate failure of all the uniaxially compressed models. The crack initiation threshold is also determined by the numerical approach. The failure of coarse-grained models seems more ductile.     

大理岩损伤强度的识别及基于损伤控制的参数演化规律

为获取脆性岩石特征强度及破坏过程中损伤演化规律,设计能同步测试应力–应变曲线、AE声发射及岩样径向纵波波速的试验方案,并对3种不同方法确定的损伤强度值进行对比。结果表明,除AE及波速测试方法外,采用体应变(含裂纹体应变)方法可以较为准确地获取试件的特征强度值。通过定义岩石循环加卸载试验获取的不可逆裂纹应变累计值作为岩石损伤的度量,基于损伤控制试验得到锦屏大理岩破坏过程中强度和变形特性随损伤的演化规律。研究表明,随损伤变量的增加,岩石弹性模量、损伤强度和峰值强度均会下降,但随着损伤变量达到至某值后,损伤强度会发生迅速降低,而峰值强度随着损伤累积仍会保持增加然后缓慢降低;进一步分析得到内摩擦角和黏聚力随损伤变量变化规律：随着损伤的发展,黏聚力从峰值迅速下降,并很快到达残余门限值;而内摩擦角随着损伤的发展经历了先上升再降低2个过程,其中上升段是在大部分黏聚力损失后逐渐升高至峰值。研究成果对于揭示脆性岩石强度破坏机制具有重要的理论意义。     

用单轴抗压强度试验分析瑞典Äspö 废物 罐回取试验中的岩石损伤

 废物回取试验是一个在瑞典Äspö 地下实验室完成的,历时近5 a,为全尺寸处置库模拟加热试验。试验在一个直径f 1.75 m、深度8.5 m的钻孔中进行。开挖和加热后周边岩石中的温度升高、应力改变,因此,试验中岩石中可能产生的损伤是工程设计中关心的课题之一。为此,试验结束后,在试验孔3个不同深度处沿垂直和平行于最大主应力方向施打6个深度约1.5 m的近水平取样孔,并采集了12组岩样。对这12组岩样用MTS 815 岩石力学试验系统进行了单轴抗压强度试验。从单轴抗压强度、裂隙起始应力、裂隙损伤应力、最大裂隙体积应变和最大总体变进行了对比和分析,试验结果分析表明：从最大裂隙体积应变分析,在垂直于最大主应力方向的处置孔孔壁的岩石上可能存在一些轻微的微破裂为特征的损伤。从宏观力学特性来说,岩石没有任何可测的损伤。     

Quantifying progressive pre-peak brittle fracture damage in rock during uniaxial compression

This paper presents the findings of an extensive laboratory investigation into the identification and quantification of stress-induced brittle fracture damage in rock. By integrating the use of strain gauge measurements and acoustic emission monitoring, a rigorous methodology has been developed to aid in the identification and characterization of brittle fracture processes induced through uniaxial compressive loading. Results derived from monocyclic loading tests demonstrate that damage and the subsequent deformation characteristics of the damaged rock can be easily quantified by normalizing the stresses and strains observed in progression from one stage of crack development to another. Results of this analysis show that the crack initiation, σ_ci, and crack damage, σ_cd, thresholds for pink Lac du Bonnet granite occur at 0.39σ_UCS and 0.75σ_UCS, respectively. Acoustic emissions from these tests were found to provide a direct measure of the rapid release of energy associated with damage-related mechanisms. Simplified models describing the loss of cohesion and the subsequent development of microfractures leading up to unstable crack propagation were derived using normalized acoustic emission rates. Damage-controlled cyclic loading tests were subsequently used to examine the effects of accumulating fracture damage and its influence on altering the deformation characteristics of the rock. These tests revealed that two distinct failure processes involving the progressive development of the microfracture network, may occur depending on whether the applied cyclic loads exceed or are restrained by the crack damage stress threshold.     

Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission

In highly stressed conditions, the excavation damaged zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the deformation and fracture characteristics of rock must be investigated. In this study, the fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by moment tensor analysis, as well as by the moving point regression technique, both of which were applied to acoustic emission (AE) and strain data obtained from triaxial compression tests. Damage thresholds before the peak strength of rock under triaxial compression were determined by the moving point regression technique using acoustic emission data. The results showed that damage thresholds, except the crack closure stress, increased linearly with confining pressure. The results of the moment tensor analysis showed that shear failure was a major microscopic failure mechanism of rock under triaxial compression. In addition, shear failure became more dominant as the confining pressure increased. In this analysis, the expression of the damage magnitudes in each AE source as relative crack volumes leads to accurate prediction of macroscopic failure mechanisms, as well as major failure planes in the rock. In addition, the orientation of the macroscopic failure plane could be estimated by the orientational distribution of microcracks.