基于PZT传感器的混凝土结构多功能监测研究

针对PZT传感器频率响应范围宽广的特性,提出了一种将PZT传感器同时用于应变测量和声发射监测的多功能监测方法。通过小波Mallat分解将PZT传感器信号中的应变信号和声发射信号分离,利用PZT传感器的低频应变响应监测结构的应变状态,同时通过声发射的b值理论,对结构的损伤状况评估预警。进行了钢筋混凝土梁的动态破坏监测试验,验证了该方法的可行性。结果表明,PZT传感器的低频电压信号和应变传感器的应变信号一致,且声发射信号能准确反映结构的损伤状况。     

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。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

大理岩热损伤声发射力学特性试验研究

为研究经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程,对25℃,200℃,400℃和600℃后的大理岩进行单轴压缩试验,并监测其全变形过程的声发射现象,对其声发射特性、破裂模式、启裂应力和损伤应力取值范围、损伤演化规律及应力–应变模型进行研究。研究表明,随着大理岩经历温度的升高,岩石峰值强度逐渐降低,峰值应变增大,岩样延性增强;高温后大理岩的声发射特性与常温有明显区别,热损伤导致岩样加载初期声发射信号比较活跃,而进入弹性阶段后,声发射活动性不如常温下剧烈;用声发射法求出归一化启裂应力和归一化损伤应力的范围分别为0.33~0.46和0.71~0.82,随着温度升高,二者有增大的趋势;600℃以内,岩样破坏模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏转变,最后变为单剪破坏,试验表明声发射定位与岩样宏观破裂规律对应较好。同时,建立基于累计振铃计数的损伤变量,25℃下岩样损伤演化过程分为4个阶段,高温后岩样初始损伤变大,损伤变量随应变演化变得缓慢。根据裂纹轴向应变规律和声发射参数推导大理岩变形全过程应力–应变本构模型,模型计算结果与试验曲线吻合较好,且温度越高,模型适用性越好。     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

莱州花岗岩应变岩爆实验声发射频谱特征分析

深部岩爆的发生对应着岩石的猛烈破坏,同时产生弹性应力波,相应的就会有声发射现象发生。声发射频谱特征的变化能够反映岩爆发生的本质信息,因此开展此方面的研究有着重要的理论与应用价值。利用自主研发的深部岩爆过程模拟实验系统,进行了花岗岩循环加卸载条件下的岩爆声发射模拟实验。首先对花岗岩的应变岩爆实验过程进行划分,分析其声发射释能特征;其次,选取实验过程中的关键特征点声发射波形信息并对其进行傅里叶变换,观察各关键特征点的原始波形特征、二维频谱特征,寻求岩爆时刻的本征频谱;从其二维频谱功率谱图上,获取各个关键特征点的频谱响应特征和其对应的幅值特征,研究其频谱响应规律。研究结果表明:岩爆时刻区别于其他阶段最明显的特点就是声发射表现为连续型波形,低频高幅值特征。     

基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地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。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

钻孔卸压防治岩爆实验及破坏特征研究

应变岩爆是在巷道开挖过程中,由于开挖引起围岩应力重分布从而诱发岩爆的现象,对采矿和隧道施工中的人员及设备安全构成重大威胁。利用自主研发的应变岩爆实验系统,开展完整及含不同钻孔数量砂岩试样的应变岩爆实验,运用高速摄影采集岩爆全过程图像,采用声发射、数字散斑等监测手段采集相关数据,以此研究不同钻孔数量条件下砂岩应变岩爆的破坏特征,探讨了在本实验条件下钻孔数量对应变岩爆的影响。结果表明：随着钻孔数量的增加,岩爆剧烈程度降低;声发射累计计数和累计能量值均减少,声发射活动程度降低,表明岩体内微破裂减少;岩爆弹射碎屑的速度及动能下降,岩爆风险等级由强烈岩爆降低,弹射碎屑破碎程度降低;岩爆时刻岩样竖直向和水平最大位移增加,变形能力提高。通过实验证明钻孔卸压措施对岩爆灾害具有良好的防治效果。     

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。     

不同围压下岩石破坏过程的声发射频率及b值特征

开展大理岩岩样常规三轴加荷破坏试验研究,分析大理岩变形破坏过程各阶段声发射及其频率、b值变化特征,探索不同围压下岩石破坏前兆信息。结合极点对称模态分解方法(ESMD方法)对声发射数据进行去噪处理后的试验结果表明:三轴压缩破坏岩样声发射水平在压密阶段和弹性阶段较小,塑性阶段逐渐活跃,扩容应力后声发射水平显著提高,在峰前塑性阶段存在声发射平静期。岩样变形破坏过程中的声发射频率与b值整体表现为上下波动态势,加载初期声发射频率与b值波动较大,并保持在较高水平,塑性变形阶段声发射频率与b值变化幅度减小。与声发射平静期相对应,塑性阶段存在声发射频率与b值变化相对稳定阶段。低围压下岩石破坏前声发射频率与b值均出现骤降特征,岩石发生脆性断裂,高围压下岩石破坏前声发射频率与b值变化相对平稳,岩石发生渐进式破坏。     

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。     

不同围压下岩石破坏过程的声发射频率及b值特征EI北大核心CSCD

开展大理岩岩样常规三轴加荷破坏试验研究,分析大理岩变形破坏过程各阶段声发射及其频率、b值变化特征,探索不同围压下岩石破坏前兆信息。结合极点对称模态分解方法(ESMD方法)对声发射数据进行去噪处理后的试验结果表明:三轴压缩破坏岩样声发射水平在压密阶段和弹性阶段较小,塑性阶段逐渐活跃,扩容应力后声发射水平显著提高,在峰前塑性阶段存在声发射平静期。岩样变形破坏过程中的声发射频率与b值整体表现为上下波动态势,加载初期声发射频率与b值波动较大,并保持在较高水平,塑性变形阶段声发射频率与b值变化幅度减小。与声发射平静期相对应,塑性阶段存在声发射频率与b值变化相对稳定阶段。低围压下岩石破坏前声发射频率与b值均出现骤降特征,岩石发生脆性断裂,高围压下岩石破坏前声发射频率与b值变化相对平稳,岩石发生渐进式破坏。     

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置,对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。试验结果表明,2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下,加载早期的声发射活动较为活跃,随着荷载的增加,许多试样的声发射率较加载初期有所下降,这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致,所不同的是：在劈裂试验条件下,声发射活动在整个加载过程中持续不断,直至临近破坏时,声发射活动大量增加,即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象,也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时,声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下,试样的声发射活动又有很大不同,在破坏发生前的整个加载过程中,观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到。     

岩石声发射定位技术及其实验验证

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等),在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。对含不同预制裂纹及完整岩样进行单轴压缩实验,应用声发射仪器及其盖格尔(Geiger)定位算法对岩样破裂过程的裂纹扩展过程进行实验验证。实验结果表明:在单轴压缩加载条件下,含预制裂纹的岩样发生剪切破坏;完整岩样发生劈裂破坏。声发射事件的定位达到较高的精度,很好地反映了岩样内部微裂纹孕育、萌生、繁衍和扩展的三维空间演化模式,不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果与实际破坏模式非常吻合,这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。     

花岗岩单轴受压条件下声发射信号频率特征试验研究

研究分析破裂过程不同阶段的声发射信号频率特性,对于选出相应谐振频率的声发射传感器具有重要意义。通过单轴压缩试验,结果表明:花岗岩受压过程中主要经历3个受力阶段,声发射振铃计数率随相对应力的增加呈现出阶段性的变化规律,声发射信号优势频率主要发生在岩石破裂前塑性破坏和主破裂阶段,且集中在41～85kHz。在相对应力较低时,花岗岩声发射信号频率以低频为主,随着相对应力的增加,其高频、低频信号密集且幅值很大,因此高频高幅值声发射信号的突然增多预示花岗岩有破坏危险。     

岩爆弹射破坏过程的试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆刚性试验机,对粗晶粒花岗岩试件开展应变型岩爆弹射破坏过程试验研究。设计不同的加载与卸载路径,模拟能量集聚驱动型与应力集中驱动型2类岩爆的弹射破坏过程,在借助高速摄像系统对岩石碎块弹射过程进行影像记录与速度测量的基础上,分析岩爆弹射破坏过程的特征与规律。研究结果表明：(1) 岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、板折弹射4个阶段;(2) 弹射破坏后的岩样母体具有二元破坏形态,即临空面出现V形或台阶状的岩爆坑,而岩身内侧出现贯穿性剪切裂缝;(3) 加载速率对应力集中驱动型岩爆具有重要影响,在0.05～2 MPa/s加载速率范围内,弹射动能随加载速率增大而增大;(4) 峰前集聚的弹性应变能足够大且能量输入速率足够大是岩样发生应力集中驱动型岩爆的基本条件;(5) 无论是能量集聚驱动型岩爆,还是应力集中驱动型岩爆,弹射动能占岩样峰前可释放弹性应变能的比例不足1%。     

断裂岩石在蠕剪过程中的声发射特征

断裂岩石在长期地质力学作用下发生蠕变,并伴有声发射,此声发射规律可为岩石稳定性监测和预警提供有益借鉴。为了研究断裂岩石蠕剪过程的声发射特征,在法向力恒定的条件下,对巴西拉破坏和压剪破坏2种不同形式的断裂砂岩进行蠕变分级剪切试验,并运用全信息声发射信号分析仪进行实时监测,得到2种不同破坏形式的断裂岩石在不同蠕剪阶段声发射能量和蠕变剪切位移关系。同时,利用声发射定位系统对蠕剪过程中断裂岩石的双翼啮合和磨损进行定位,结合断裂面等高线图,预测断裂岩石在长期蠕剪中的破坏位置和破坏形式。试验结果表明:断裂岩石蠕剪失稳前声发射信号缺失;巴西拉破坏岩样蠕剪中后期声发射能量出现波峰,每段剪切位移加载前期能量达到局部最大值,之后呈现下降趋势;压剪破坏岩样蠕剪中期声发射能量出现低谷,每段剪切位移加载中期声发射能量出现局部波峰。同时,由声发射定位可知,2类断裂岩石啮合面中心部位都最先发生破坏,断裂面蠕变剪切的初期破坏具有方向性,破坏初期沿断裂面呈现带状分布并与剪切方向垂直。     

基于多重分形的岩石声发射信号特征解构分析

岩石受压会产生局部能量快速释放现象并引起声发射。由于声发射信号是岩石体积效应的综合体现,因此其蕴含着复杂且能体现岩石内部形态结构变化的信息。采用多重分形对声发射信号特征进行解构分析,发现不同加载阶段声发射信号多重分形谱形态均呈现小概率事件的特征,这说明岩石破坏过程的复杂性;进一步研究表明,岩石濒临破坏时声发射信号特征参数与加载初期存有显著差异:加载初期,信号多重分形谱谱宽较大,而濒于破坏时声发射信号标度区间显著增加,不同加载阶段声发射信号结构已经发生变化;不同种类岩石试验的声发射信号都给出类似的提示。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。