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。     

浸水次数影响下裂隙砂岩强度损伤及声发射特征

循环浸水能够造成工程岩体结构及其力学性质的弱化,对工程岩体的稳定性产生一定影响。为探讨在反复浸水影响下裂隙砂岩强度损伤特征,采用无损浸水试验装置制取浸水0,1,2和3次的标准砂岩岩样和预制裂隙砂岩岩样,研究了其强度损伤及声发射特征。研究结果表明:随着浸水次数增加,砂岩单轴抗压强度和弹性模量减小,而对其破坏形式无显著影响;不同浸水次数影响下的裂隙砂岩全应力-应变曲线均呈现裂隙压密、弹性变形、塑性变形和峰后4个阶段;声发射计数频率和范围随浸水次数增加而减小;标准砂岩起裂位置在试样中部,裂隙砂岩起裂位置在预制裂隙上下端附近;浸水次数越多,声发射定位数量越少,预制裂隙附近损伤越大,在荷载作用下周围产生次生裂隙。研究成果对岩土工程中涉及的反复浸水问题的研究提供了有益参考。     

基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究

为研究含水状态对岩石破裂失稳过程声发射事件动态演化的影响规律,进行了干燥、天然与饱水闪长岩单轴压缩过程的AE试验,采用基于最小二乘法组合定位算法对裂纹扩展过程中AE事件进行定位。结果表明:干燥、天然及饱水闪长岩的定位误差分别为3.46,4.44mm和2.44mm。天然、饱水岩样的AE事件数分别为干燥岩样的37.2%和17.6%;在低应力阶段,干燥岩样内部产生的AE事件多于天然与饱水岩样;在0.5~0.9σc应力区间内,各岩样内部均有一定数量的AE事件产生;在失稳破裂阶段,干燥、天然、饱水岩样内AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增。     

岩石微损伤过程的测试研究

对几种典型岩石进行了损伤与破坏过程的声测实验研究。实验表明 ,声测波形与频度揭示了岩石内部损伤的萌生与演化特征 ,并对不同岩石的损伤演化过程及特性作了对比实验 ,得到了有益的结果     

煤系岩石单轴压缩损伤破坏演化规律与表征北大核心

为了研究煤系岩石单轴压缩损伤破坏演化规律及其表征方法,以煤系岩层中普遍存在的3种不同岩性岩石为研究对象,重点讨论不同矿物组成以及不同微观结构等对其自身岩石力学性质的贡献关系,对比分析了声发射多维度特征参数的特殊表征意义,借助于计数与能量参数表征破坏尺度大小的关系,以及借助于声发射高灵敏定位效果来表征破坏位置的演化,通过两者的结合可进一步表征出承载体损伤演化全过程的可行性,基于理论分析,推导了响应的本构方程。结果表明:不同岩性煤系岩石微观形貌特征及矿物组成成分的差异直接影响其物理力学性质与受载损伤破坏特征;声发射特征振铃计数及声发射能量能有效表示岩石受载过程中损伤演化过程,声发射空间定位点分形维数D能在一定程度上反映岩石的损伤破坏过程,但受岩石孔隙率及致密程度的影响较大。基于岩石孔隙率特征及受载过程中的声发射累计振铃计数,建立了考虑初始损伤和累计损伤的本构模型,并分析了孔隙率对损伤张量Dn的影响规律。     

单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律

为了研究岩石相似材料的损伤特性和损伤时空演化规律,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及PCIE-8型声发射(AE)监测系统,监测了岩石相似材料试样在单轴压缩过程中的应力应变变化和AE事件活动,建立了基于AE事件累计数的单轴压缩岩石相似材料损伤模型,进一步分析了岩石相似材料在单轴压缩过程中的损伤发展阶段,研究了单轴压缩下岩石相似材料的损伤时空演化过程。结果表明：岩石相似材料试样在单轴压缩过程中,AE事件活动大致经历了初始压密少量段、弹性变形稳定增长段、塑性变形和破坏剧烈增长段3个阶段;损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段;损伤时空演化过程较好地反映了损伤特性,以1号试样为例：损伤由试样底部开始发展集中,而后中部和上部出现损伤并向底部和顶部稳定发展,随后中部和上部损伤迅速增多并与底部损伤区连通,最终试样发生破坏。研究成果可为相似材料模型损伤演化规律的研究提供一定的参考。     

冻融循环作用下岩石能量演化及损伤本构研究

针对冻融循环作用对岩石变形及强度影响等问题,研究冻融循环作用下岩石能量演化机制与本构模型,主要研究内容包括:冻融循环作用下岩石强度损伤特征,随着循环次数的增加,岩石抗压强度及弹性模量呈现指数函数降低,抗压强度、弹性模量的最大降低幅度分别为53.31%、36.33%;冻融循环作用下岩石能量演化机制,随着循环次数的增加,岩石总能量逐渐降低,岩石能量耗散速率整体呈现增大趋势,意味着冻融循环对岩石内部结构产生损伤;基于损伤等效原理与Weibull分布理论,建立岩石损伤本构模型,对比试验曲线得到损伤本构模型能够较好地描述岩石变形特征,为类似本构模型的建立提供了有益思路。     

基于Logistic分布的岩石损伤统计模型

岩石材料内部损伤对于其自身承载力有着直接的影响,其损伤包含内部随机分布的裂纹、空洞等。现有的岩石损伤统计模型难以准确地描述岩石峰后力学特性,以及高围压条件下岩石的应变软化现象。对此,假定岩石微元强度服从Logistic分布,并采用Drucker-Prager破坏准则来描述岩石微元强度的随机分布变量。同时考虑到在高围压条件下,岩石峰值强度后的应变软化特征明显,采取引入损伤修正系数λ,从而建立出了基于Logistic分布的岩石损伤统计模型。通过常规三轴试验结果论证分析,结果表明：1）理论结果能较好的与试验结果吻合,该模型能够更好地反映岩石在加载过程中的力学特性;2）该模型充分的体现出了随着围压的增大,能有效地抑制岩石内部损伤的扩展,并解释了岩石整体失效后,其残余强度与围压的内在联系,对研究岩石软化和岩体工程加固措施有着重要意义。     

基于岩石损伤破坏和声发射理论的岩爆发生机理

岩石等脆性材料在加载过程中，随着载荷的增加，材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，它能连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展，这是其他任何方法都不具有的优势。采用岩石声发射测试技术，对不同孔隙率的岩石的岩爆机理进行了系统的试验研究；利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式；用不同孔隙率的大理岩进行了双轴压缩试验。试验模拟了双向受力状态下的岩爆，研究了其破坏过程中的声发射特征，并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。研究表明，采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程，是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

岩石材料初始缺陷的分维数与损伤演化的关系

根据分形理论中分维的概念,建立了基于岩石材料中微元强度分布函数满足Ｗｅｉｂｕｌｌ分布假设的岩石材料初始缺陷的分维数与损伤演化的关系,分析了分维数Ｄｆ的物理含义,并根据实例探讨了基于这一关系的岩石材料的本构关系。     

自然和饱水煤样受载破坏声发射特征实验研究

开展了单轴压缩自然和饱水煤样受载破坏实验,测试了煤样在整个加载过程中声发射信号脉冲、能量及主频等各参数的变化规律,对比分析了这2种煤样破坏声发射各参数随加载应力变化的差异性,总结了煤样失稳过程中声发射信号的前兆特征。结果表明:在压密阶段,2种煤样脉冲数和能量值较小,频带范围较宽,主频不突出;在线弹性阶段,自然煤样声发射脉冲数、能量值及主频波动上升,而饱水煤样在该阶段中后期声发射现象才开始明显出现;随着加载的进行,2种煤样声发射都出现了平静期,饱水煤样平静期出现较晚,持续时间也较短;煤样主频逐渐向低频移动,主频振幅却呈现出快速增高后下降趋势。     

加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响分析

借助细观颗粒流PFC2D软件平台建立煤岩单轴压缩模型,模拟了不同加载速度对煤岩损伤演化声发射特征的影响。分析结果表明:加载速度对煤岩损伤破裂声发射特征规律的影响不大,但伴随加载速度的增大,产生明显声发射的时间将提前;加载速率的提高对煤岩初始发射起裂应变没有影响,但使产生强烈声发射的应变范围增加;加载速度越大,煤岩破坏前积聚的变形能越多,煤岩破坏损伤程度越高,产生的声发射总数越多。     

地下水库人工坝体强度损伤演化特征试验研究

在我国西部生态脆弱矿区,地下水库储水技术已成为煤水资源共采技术的重要组成部分,其中人工坝体的稳定性是评价地下水库能否构建并长期安全使用的关键因素之一。为研究地下水库人工坝体在吸水-失水、采动及矿震等循环作用下强度变化规律,以大柳塔矿地下水库人工坝体所使用的C30混凝土试样为例,开展了超声-回弹综合测强、循环加载和单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:超声-回弹综合测强公式可以对水作用下混凝土试样强度进行预测;循环加载影响下试样强度最大下降比例约17%,而水作用下的循环加载试样强度最小下降比例达26%;并结合声发射振铃计数研究了混凝土试样受载下的损伤演化特征。由此可知,循环加载(采动及矿震)和水(吸水-失水)共同作用下,对地下水库人工坝体稳定性影响较大。     

砂岩单轴破坏损伤时空演化规律及前兆特征声发射试验研究

研究岩体损伤时空演化规律及破坏前兆特征对围岩灾害识别预警与防治具有重要意义,通过声发射试验,研究单轴加载下砂岩损伤时空演进过程。研究发现:砂岩损伤在时间-空间域有连续演进的行为特征,损伤发育速度在关键时刻有突变,主裂隙由"成核"区域发生并向四周扩散,最终贯通试件轴向与径向;高能声发射事件,空间上多分布在砂岩内部损伤集中的区域,时间上多发生于损伤快速扩展的时期,可作为损伤传导和加剧的重要参照;高频率出现的高能声发射信号可以作为砂岩破坏失稳时间域的前兆信息,高能声发射信号的空间密度可作为判断砂岩破坏起始区域的判定信息。     

基于煌斑岩遇水软化的声发射特性研究

为研究煌斑岩遇水前后在破裂过程中的声发射特征,设计了干燥和饱水2种状态的煌斑岩,利用YAW-1000型压力机和PCI-2声发射信号采集系统对其进行单轴加载作用下的声发射试验,分析煌斑岩的声发射特征。结果表明:2种含水状态煌斑岩的声发射特性明显不同,饱水状态煌斑岩的最大振铃计数率为干燥状态的69.2%,饱水状态煌斑岩的最大能率为干燥状态的68.2%。     

循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律

对原煤试样分别进行了常规加载和循环荷载条件下的单轴和三轴力学强度试验,借助声发射技术,系统研究了单轴循环荷载及三轴循环荷载条件下原煤的损伤演化规律并对比分析。常规循环荷载试验结果显示:从循环初始至结束,煤岩内部损伤过程具有明显的3阶段,即初始损伤阶段,微裂纹扩展萌生稳定增长阶段,裂纹贯通破坏阶段;定量分析了应变峰值、卸载刚度及损伤变量在循环荷载过程中的变化规律,单轴循环试验初始损伤阶段的损伤程度较大,第3阶段损伤变量变化显著;三轴循环试验损伤过程中第1阶段最显著,而在损伤第3阶段,煤样临近破坏时损伤变量略微升高,与单轴试验损伤变量显著增加的情况不同;循环应力上限处声发射现象最强烈,说明循环过程中应力上限时的内部损伤程度最大。分级循环荷载试验结果显示:分级荷载增加初期应变回滞环较密集,声发射现象显著,试样破坏时声发射计数最大;各级循环也具有损伤不同阶段特征,达到损伤稳定阶段的损伤变量近似值与均值压力呈指数型变化关系。     

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。     

水岩作用下煤岩组合体力学特性与损伤特征

水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制，对不同浸水时间下的细砂岩-煤(FM)、粗砂岩-煤(GM)、细砂岩-煤-粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明：(1)组合体含水率随浸水时间增加而增大，浸水20 d以后达到饱水状态；5～15 d为组合体的吸水区，15～20 d为组合体近饱和区，20～25 d为组合体的饱和区。(2)水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应，其参数值均随浸水时间增加而减小；浸水5～15 d阶段为峰前能量陡降区，浸水15～25 d阶段为峰前能量缓降区；浸水时间5～15 d，组合体冲击能量指数劣化明显，15 d之后，劣化效应较弱；浸水5～10 d组合体为弱冲击倾向性，浸水15～25 d组合体无冲击倾向性。(3)随着浸水时间增加，组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型，该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系，反映了随着浸水时间增加，组合体的损伤程度增大的规律。(4)推导了类孔隙比计算公式，组合体的类孔隙比为：FM组...     

含层理岩石单轴损伤破坏声发射参数及能量耗散规律

层理构造普遍存在于煤矿地下矿柱岩体中,对其稳定性造成一定的威胁。通过含层理及均质岩石试件单轴压缩实验和CT层析扫描测试,分析了含层理岩石破坏特征,损伤演化过程中的声发射参数特征、能量耗散与传递规律,根据改进后的Duncan模型建立基于声发射、能量耗散参数的单轴损伤破坏模型。结果表明:均质岩石试件整体失稳的主要原因为纵向拉伸破坏,含层理试件宏观主裂纹为单一剪切破坏形式,具有明显的剪切破碎带,层理的软弱结构面会在一定程度上削弱矿柱的承载能力;含层理构造岩石试件失稳破坏主要发生在塑性变形阶段(cd),对应于AE剧烈期,耗散应变能出现明显的起伏波动,轴向荷载60%σ_c~σ_c区间内,63%t_c~t_c时间阶段内;而均质岩石试件的失稳性破坏预测的重点在屈服点前后时间区间内,该区间内耗散应变能的趋势为缓慢下降(屈服点c前)→上升(屈服点c后)→骤增(破坏点d)。建立基于声发射和能量耗散参数的单轴损伤破坏模型,对于含层理试件理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为8.2%和9.5%;均质试件的理论计算结果与试验结果平均偏差率分别为18.4%和19.3%。     

单轴压缩下的岩石声发射及其分维特征

通过对几种岩样破裂时声发射数据的分析,研究了声发射参数之间的相互关系,发现岩石本构关系与岩石的声发射之间存在的一种必然联系。通过多种试验参数的图形拟合,分析了声发射活动的规律。将求得的分维和声发射参数随时间的变化曲线进行了对照,结果表明,分维和声发射参数随时间的变化趋势存在相关性。分形维数不仅可以表征声发射的频度,而且分维最小值往往预示着一个大破裂的发生。