2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

饱和大理岩特征强度试验研究

为了研究水对岩石裂纹扩展活动的影响规律和机制,通过单轴压缩声发射试验,采用声发射法和体应变(含裂纹体应变)法确定干燥和饱和大理岩的特征强度,探讨声发射法确定大理岩特征强度的适用性和水对特征强度值变化的影响规律。结合特征强度附近声发射波形信号的主频统计结果,分析讨论水影响特征强度值的内在机制。结果表明:声发射法确定的大理岩起裂强度均小于宏观体应变法,其用于确定饱和岩样起裂强度有较强的适用性,但不适用于损伤强度的确定。岩样饱和后,其归一化起裂强度减小,归一化损伤强度增大。影响机制主要是孔隙水压力作用的强弱和裂纹扩展"阻碍力"。起裂点附近,孔隙水压力作用明显,岩石内部产生较多微观拉破坏,使裂纹在较低应力水平发生稳定扩展。扩容点附近,孔隙水压力作用弱化,产生裂纹扩展"阻碍力",裂纹在较高应力水平发生非稳定性扩展。     

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。     

不同岩性的裂隙岩石破裂热–声敏感性分析

岩石破裂过程存在热红外和声发射信号变化,因此研究含裂隙岩石破裂过程热–声信号具有重要意义。为研究不同岩性裂隙岩石破坏过程的热–声敏感强度,对花岗岩、玄武岩、红砂岩、灰岩及大理岩试样开展了单轴压缩试验,对试样加载过程临空面温度和内部声学信号进行了监测,提出了热–声敏感性联合分析指标。研究结果表明：热–声联合指标时序敏感性依次为：红砂岩、灰岩、大理岩、花岗岩、玄武岩;热–声联合指标峰值敏感性依次为：玄武岩、花岗岩、大理岩、灰岩、红砂岩;热红外温度信号早于声发射信号;联合指标能够避免声发射信号的滞后性和热红外的空间局限性;各岩性岩石破裂过程中热–声信号和应力有很好的对应关系。相关研究可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

大理岩循环冻融试验研究

岩石作为天然的建筑材料,通常承受着自然界的风化作用,因此,研究风化对岩石物理力学特性的影响是十分必要的。温度和水分的变化是引起岩石风化的主要原因之一,尤其是循环冻融更易使岩石风化。将采自焦作的大理岩分成饱水、干燥和对比3组岩样,通过对饱水组和干燥组岩样进行60次循环冻融(每个循环24h,即冻18h,融6h)试验研究,以模拟大理岩的风化过程。在冻融前、每10次循环冻融后,量测岩样的质量、体积,利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵、横波探测;利用RMT–150B岩石力学试验系统对上述3组大理岩岩样进行单轴压缩试验,同时采用LOCAN320声发射仪对岩样的变形破坏过程进行监测。通过试验研究,得到冻融前后焦作大理岩的质量、体积变化及超声波速、大理岩的单轴应力–应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数、风化程度系数、动弹性模量以及声发射参数,从而归纳出循环冻融下大理岩的主要物理力学特性。     

考虑含缺陷岩石的声发射数值模拟研究

岩石为非均质材料,内部由不同强度的颗粒组成。研究表明,不同均质性岩石材料在单轴压缩过程的声发射表现出不同的特征,深入研究这些特征对预测岩石破裂有重要的作用。通过编制Fish函数实现随机赋予模型缺陷材料和声发射事件数记录,并内嵌到FLAC3D中模拟均质材料和不同随机缺陷单元数的单轴压缩声发射现象,探讨均质模型和含缺陷模型的声发射差异,以及缺陷数对声发射的影响,研究结果对分析岩石声发射特征具有重要意义。     

基于声发射信号主频和熵值的岩石破裂前兆试验研究

对干燥和饱水煤矸石进行单轴压缩声发射试验,基于频谱分析和信息熵理论,分析其破裂全过程声发射信号的主频和熵值变化,研究煤矸石变形破坏声发射前兆规律。研究结果表明:干燥和饱水煤矸石声发射信号均有2个主频带,分别为20 k Hz左右和30~60 k Hz,主频在破裂前均发生突变,出现接近0和100 k Hz的主频值;干燥煤矸石熵值集中在0.5~2.0,无突变性,饱水煤矸石熵值集中在0.0~0.5,具有突变性。利用声发射信号熵值对煤矸石系统进行稳定性评价,出现大于1的熵值预示着煤矸石失稳的危险性增强;以密集出现接近0和100 k Hz的突变主频值作为煤矸石破裂的前兆特征;由于实际矿山岩体的饱水特性,以及其变形破坏的复杂性,实际应用时,可将声发射信号主频和熵值2个参数相结合。利用饱水煤矸石声发射信号主频和熵值的突变特征,得到基于声发射场的煤岩动力灾害综合预警信息。试验结果为岩石损伤演化机制及破裂预测研究提供新的手段和依据,对于实际矿山煤岩动力灾害的声发射监测预警具有重要理论研究意义。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。     

岩盐储库建腔期难溶夹层的软化规律研究

 为揭示盐岩水溶造腔过程中难溶夹层力学特性与卤水浸泡时间的关系,更好地了解夹层的软化规律和范围,为预测和控制夹层的破坏垮塌提供理论支持,以云应盐矿中的泥质硬石膏夹层为研究对象,进行不同浸泡时间下的单轴压缩和巴西劈裂软化试验研究,发现其力学强度随卤水浸泡时间劣化明显,其中,单轴抗压强度、弹性模量、泊松比与卤水浸泡时间呈显著的DoseResp函数关系,抗拉强度与浸泡时间呈显著的Slogistic1函数关系,且试件的单轴压缩及巴西劈裂试验的破坏形式随浸泡时间的增加有从张拉破坏向剪切破坏的渐变趋势。通过分析试验结果发现,卤水对夹层力学强度的软化作用与夹层可溶物含量、夹层成分遇水膨胀的不均性、卤水的润滑作用和矿物晶键的软化作用均存在密切相关。推导了基于浸泡时间的夹层损伤演化方程,建立夹层轴向和径向的软化深度模型,并将其应用于水溶造腔过程中难溶夹层软化范围的划定。此外,基于夹层抗拉强度与卤水浸泡时间的关系,给出判定和预测夹层局部软化破坏的最大拉应力强度准则。     

富水板岩隧道围岩力学参数劣化时效性研究

针对板岩内部特殊的构造及其遇水软化的特点,以沪昆客运专线长昆湖南段CKTJ-IX标段姚家隧道DK384+080附近的板岩岩样为研究对象,进行吸水性和不同吸水率条件下的三轴压缩试验,研究水岩作用下板岩力学参数的劣化规律,构建板岩三轴压缩强度、弹性模量和泊松比与吸水率之间函数关系,考虑时效性,建立板岩力学参数和吸水时间的关系,并提出以劣化损伤速率来表征水岩作用的时间相依性的观点。结果表明:随着吸水率的增加,三轴压缩强度呈线性函数降低,弹性模量呈负对数降低,泊松比的规律性不明显,只能近似用三次函数关系式来模拟;板岩吸水率和力学参数与水岩作用时间之间具有高度相关性,吸水率和与水岩作用时间之间呈负指数函数关系,力学参数在水岩作用下表现出不同程度的劣化;对板岩力学参数随水岩作用时间变化的函数求导获取劣化损伤速率,以此说明相应时间区域板岩力学参数劣化的时间效应。     

岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

岩石声发射Kaiser点信号的小波分析及其应用初步研究

针对目前岩石声发射采用参数法确定Kaiser点所存在的问题,提出基于波形分析的确定Kaiser点的小波分析研究方法。利用RMT-150C岩石力学试验系统与WAE2002型全波形多通道声发射检测仪,进行单轴加载岩石破坏全过程声发射试验。首先,对砂岩声发射Kaiser点信号进行了频谱分析,确定了Kaiser点信号的频率范围,提出基于小波变换的Kaiser点信号的信噪分离方法;其次,进行现场套孔砂岩岩芯的单轴加载声发射试验,结合Kaiser效应原理和现场实测结果确定了Kaiser点,提取相应的波形信号,并进行小波降噪处理。研究结果表明,小波分析是处理岩石声发射Kaiser点信号的一种有效的方法,从而为通过波形分析方法确定岩石声发射Kaiser点及声发射机制研究奠定了一定的试验基础。     

花岗岩灾变声发射信号多参量耦合分析及主破裂前兆特征试验研究

 通过开展花岗岩单轴压缩声发射试验,提取花岗岩破裂过程声发射信号的能量、主频和主频幅值,分析花岗岩破裂过程中3种耦合关系：破裂尺度和能量、能量和主频幅值、能量和主频的关系。以能量为媒介,探讨破裂尺度和声发射信号特征(能量、幅值和主频)之间的对应关系,研究花岗岩破裂过程中不同破裂尺度对应声发射信号的演化规律,探索岩石破裂的声发射前兆规律。研究结果表明：花岗岩破裂过程中存在4种模式声发射信号：低频高幅值、低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值。花岗岩破裂过程中大尺度破裂声发射表现为低主频、高幅值和高能量的特征,对应低频高幅值声发射信号;小尺度破裂表现为低幅值和低能量,低、中和高主频共存的声发射特征,对应低频低幅值、中频低幅值和高频低幅值3种模式声发射信号。中、高频低幅值和低频高幅值3种模式声发射信号,适合作为花岗岩破裂预测的主要信号源,前兆特征表现为：中、高频低幅值信号逐渐消失,低频高幅值信号出现,即出现中、高频低幅值信号平静,而低频高幅值信号不平静的现象。高频低幅值和低频高幅值信号的前兆响应系数为0.2,中频低幅值信号前兆响应系数为0.14,相比中频低幅值信号,高频低幅值和低频高幅值信号的前兆响应时间早,前兆响应能力较强。     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。     

不同含水率泥质粉砂岩破裂声发射特性试验研究

以干燥、自然和饱和含水3种典型状态的泥质粉砂岩为研究对象,进行单轴压缩破坏全程声发射检测试验,研究了3种状态下岩石破裂的力学和声发射特性的不同。研究结果表明:含水使得泥质粉砂岩软化,且峰值应力和弹性模量均随含水率的增加而减小,变形特征由脆性逐渐向延性转化;声发射累计事件数、声发射事件率峰值、声发射累计绝对能量、声发射绝对能率峰值等声发射参数均随含水率的增加而减少,即含水使得泥质粉砂岩损伤破裂程度减小,破裂全程能量释放水平降低;根据试验所得声发射累计事件数和累计绝对能量随时间变化曲线,得出含水率使得泥质粉砂岩由“突发型”的脆性破坏向“平稳型”的延性破坏过渡。     

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为l0^-5～l0^-2/s的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应．对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。     

岩石切削中的声发射研究

在牛头刨床上通过对１０种岩石的切削试验，得到了在单粒金刚石钻头切削作用下岩石声发射活动与切向力、轴向力及破碎体积之间的一些规律。结果表明：岩石声发射波形与力的波形有较好的相似性，特别是与轴向力的波形相似性较好。不同的岩石有不同的声发射频率。一般，岩石的塑性系数越大，其主频越低；塑性系数越小，其主频越高。同时，岩石声发射波形也随压入硬度的升高而升高。岩石声发射波形和频谱对切削中的非正常工况也较为敏感，且有相应的反应。     

高应力硐室围岩三轴蠕变及声发射特征研究

针对高应力岩体工程开挖后硐壁附近围岩长期变形问题,利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统和PCI–Ⅱ声发射三维监测系统,针对高应力硐室围岩,开展大理岩试件三轴蠕变试验及声发射实时监测,探讨硐室开挖后围岩在较小侧向压力下的蠕变力学特性和声发射特征。结果表明：大理岩的多级蠕变全过程应力–应变曲线具有5个阶段,岩样具有脆性破坏特征,横向变形较轴向变形具有更显著的蠕变特征;声发射特征表现出明显的应力响应和时效特征,且与典型蠕变3个阶段相匹配,在减速和稳态蠕变阶段,声发射振铃计数率和能量率呈线性增长趋势,加速阶段声发射振铃计数率和能量率呈现指数型增长,且声发射变化对应的时间点提前于应变加速点,可作为大理岩蠕变破坏的前兆特征;基于AF和RA值表征的大理岩内部微裂纹发展特征,大理岩蠕变破坏是张拉破坏和剪切破坏共同作用的结果。     

单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化

 为了全面、客观地描述单轴压缩条件下砂岩损伤破坏过程和状态,提出利用电阻率和声发射技术对砂岩岩样单轴压缩全过程进行联合测试的试验方法。针对30个砂岩岩样单轴压缩全过程中的电阻率和声发射响应特征进行试验研究。研究表明,电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性：在压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,电阻率信息对岩样内部裂隙萌生和发展活动的响应更为敏感,而声发射信号较微弱;岩样破裂瞬间,电阻率和声发射都突然升高,二者相比,声发射的同步性更好,敏感程度更高;岩样破坏完成后,电阻率仍有不同程度的变化,最终趋于稳定,而声发射又恢复到较低的水平。同时,推导基于电阻率表征的岩样损伤变量的解析表达,并根据其与声发射表征的损伤变量之间的互补性,定义一综合损伤变量,得到典型岩样的损伤演化方程,提出岩样损伤破坏状态的判别标准和破坏前兆特征。通过理论与实际试验全应力–应变曲线的对比发现,综合损伤变量能够更全面、客观地反映和描述受载岩样的损伤演化过程。