花岗岩剪切破坏过程声发射横、纵波特征试验研究

开展花岗岩剪切声发射监测试验,利用横、纵波2种传感器接收花岗岩剪切破坏过程的声发射信号,分析声发射横、纵波信号的变化规律及其异同点,探讨两类信号变化规律差异性的原因。研究结果表明：剪切破坏过程中声发射横、纵波事件率变化趋势不一致,纵波事件率在弹性阶段达到最大值后降低,峰值应力前出现“平静期”,累计计数呈“S”型变化;横波事件率在临近峰值应力时出现最大值,累计计数呈“指数”型变化。剪切破坏过程声发射横、纵波事件能量变化趋势一致,破坏过程能量不断增大,临近峰值应力能率达到最大值,累计能量陡增。声发射横、纵波信号频率演化和分布差异性明显,纵波主频在6个固定的频率,近似呈条带状演化,而横波频率成分复杂,主频条带状演化不明显;纵波主频集中分布在90～110 kHz,而横波主频离散分布在0～500k Hz。由于横、纵传感器类型的差异,对岩石破裂过程不同频率声发射信号响应机制不同,是二者声发射事件数量变化趋势不一致的原因;横、纵波声发射事件能量变化趋势一致,这可能与二者高能量的信号均呈现低频特征有关。研究成果进一步丰富和完善了对岩石破裂过程声发射信号特征认识,有助于深入揭示岩石破裂灾变机制。     

拉伸应力状态下花岗岩声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射(AE)三维定位系统,对甘肃北山花岗岩在直接拉伸和间接拉伸试验条件下的强度、变形及其破坏全过程的声发射特征进行研究。试验结果表明：直接拉伸得到的抗拉强度的平均值、最大值和最小值均分别高于间接拉伸,且前者峰值应力时的应变量小于后者,约为后者的6.03%;直接拉伸试验加载开始至40%峰值应力阶段,声发射较为平静,此后声发射计数和能量均开始增加,接近峰值应力时,声发射事件数达到最大;间接拉伸试验整个破坏过程的声发射计数率基本持平,但40%峰值应力前的初期加载阶段的声发射能率高于40%峰值应力后;间接拉伸过程中,试件受压缩应力及加载接触部位屈服破坏的影响,能量释放量高于直接拉伸。     

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。     

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。     

岩石破裂失稳声发射监测频段信息识别研究

首先对声发射信号进行分频处理,分析岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律。根据岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系,证明了岩石破裂监测中声发射前兆优势频段的存在,进一步构建前兆优势频段的计算方法,确定声发射监测岩石破裂的最优短临预报参数。通过开展花岗岩圆形隧洞模型水平卸荷试验,分析整个过程的声发射信号,寻找前兆优势频段,以此验证方法的可靠性。研究结果表明,水平方向卸荷瞬间,隧洞两壁发生劈裂破坏,频段(31.25~62 k Hz)的小波能量占比达73%以上。临近最终破裂,频段(7.8125~15.625 k Hz)变能系数CD6?由前一刻的0.5突增到15,具有典型的灾变响应特征,可以确定该频段为声发射前兆优势频段。选择CD6??作为宏观破裂的短临预报参数,再结合临近最终破裂前声发射主频在频段(90~105 k Hz)和(13~20 k Hz)所出现的响应突现规律,可以为预测花岗岩圆形隧洞模型的失稳破坏提供预警参量。     

砂岩单轴压缩破坏全过程声发射主频特征分析

通过单轴压缩声发射实验获得红砂岩受压破坏全过程的声发射低频、高频信号及力学特征,对获得的信号波形采取小波阈值去噪后提取其主频,基于频谱分析理论,分析了砂岩破坏全过程的主频变化特征和频带能量占比规律。研究结果表明:声发射信号主频值分为10~25 kHz、45~60 kHz、120~135 kHz、140~155 kHz、160~175 kHz密集度明显的5个特征频段,其中45~60 kHz的频段对应着岩石试样发生破坏时的主要破坏模式,高于45~60 kHz的频段和低于45~60 kHz的频段分别对应着微小裂纹的萌生和较大裂隙的形成;主频频率变化特征在岩石变形破坏各阶段表现不同,压密至弹性变形阶段内,较为集中,主要存在于特征频段内,进入微裂隙稳定发展阶段后,分布范围由较为集中朝复杂离散方向转变,裂隙扩展至破坏阶段,在更加离散化的同时又相对集中;岩石临近破裂时,声发射信号主频段更加离散化;声发射信号频带能量主要集中在0~250 kHz,其中46.875~62.5 kHz和234.375~250 kHz频带的能量占比随荷载的增加,分别减小与增大。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到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,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显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;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,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实际问题进行总结和分析,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理论依据、方法和手段。     

常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究

 通过岩石力学室内加载试验,对花岗岩在不同围压下的破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破裂全过程中的力学参数和声发射低频、高频信号特征,研究了低频、高频声发射信号的振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系,探求了声发射信号峰值频率在岩石主破裂前期的分布情况。研究表明：低频与高频通道接收的声发射信号基本特征--振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同,与岩石力学过程形成良好的对应;两通道的信号基本特征主要区别在于数值大小。在声发射频谱特征方面,岩石破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征,表现为信号峰频分布由岩石加载初期的1～2个主频段(40～50 kHz和150～170 kHz频段)在岩石临界主破裂时增多到最多5个主频段(25～30 kHz、40～50 kHz、60～70 kHz、90～100 kHz及150～160 kHz频段)。     

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。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

基于声发射技术的再生混凝土破坏机理细观研究

为了从细观层面了解再生混凝土的破坏机理,分别制作了4种常用强度等级的砂浆试块、普通混凝土试块、再生混凝土试块以及强化再生骨料混凝土试块,并对试块进行了简单加载条件下的声发射试验,对声发射能量-峰值频率关联图进行了对比分析。结果显示:声发射信号峰值频率主要集中在25~40 k Hz和85~105 k Hz 2个区段内,并且随着等级的提高,高频信号增加,从而得出了进行骨料强化及提高砂浆强度等级可以有效提高再生混凝土强度的结论。     

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。     

单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频段声发射耦合判据和前兆识别特征

为寻求岩石临界破坏判据和前兆特征,在粗砂岩单轴压缩声发射(AE)试验的基础上,研究了岩石破坏过程中AE信号频段占比随应力变化特征,重点分析高、低两个特征频段占比随应力变化规律,同时对两个特征频段中不同应力水平下AE幅值关联维数进行计算与分析,并建立了基于频段占比与应力间关系的多频段AE信号主频识别判据模型。研究表明:AE信号频段占比的分布特征能较好地诠释岩石破坏所经历的主要过程;岩石破坏过程中,较低频段AE信号(31.25~46.875 k Hz)占比先减小后增大,较高频段AE信号(140.625~156.25 k Hz)占比先增大后减小。在临界破坏状态下,高、低两个特征频段占比分别出现最大值和最小值,且二者中AE幅值关联维数都下降到最低。通过对特征频段占比与应力之间的耦合分析,利用特征频段占比、AE幅值关联维数的变化可更准确地对岩石临界破坏前兆进行判别和预测。     

基于声发射时空演化的岩石全应力–应变曲线阶段特征分析

岩石单轴压缩变形破坏全过程的应力阶段划分及其声发射特征,有助于预测加载岩石所处的应力状态。本文以粉砂岩为例,从声发射事件累积曲线、频率时间散点图、空间分布特征3个方面,确定岩石全应力–应变曲线七个阶段的声发射特征。首先,对声发射事件上述3个方面的各种几何特征进行初步归纳,定义了AE平台、AE阶梯、主频带、贯频、加密集聚等特征,可更细致地表现声发射的演化规律。其次,通过粉砂岩FSA单轴压缩实验的声发射定位,得到全应力–应变过程7个阶段声发射的时空演化特征,发现声发射事件累积曲线、频率时间散点分布、AE事件空间分布的组合特征可以独立地识别七个阶段。细观机制分析表明,来自于应力的裂隙机制和原始裂隙构形的尺度、方位,对各应力阶段声发射综合演化特征有重大影响。类似于地震弹性回跳理论,岩样峰前软化段(第四阶段)的构造集聚形成剪切局部化,导致了峰后应力跌落主破裂的发生,更多声发射由弹性能释放造成的裂隙损伤过程激发,峰前软化段的声发射特征(AE大平台、AE阶梯,纵向AE主频线变稀疏、变贯通,多区加密集聚型)可以作为岩石破坏前兆。最后,进行不同岩性声发射时空演化特征的比较,发现声发射特征受细观裂隙激发超声振动这一物理过程的控制,粗硬的矿物颗粒、较强的颗粒胶结强度、分布均匀的微构造,容易被激发出更多的声发射事件、更多的频带和贯频。因此,应用声发射时空演化特征监测识别岩石的应力加载状态时,必须系统地考虑岩石结构构造对细观裂隙过程的影响。     

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。     

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

采动过程金属矿山空区覆岩材料细观破裂特征

采空区覆岩材料的破裂与其应力变化关系密切,采用仿真试验方法,研究了在开采过程中金属矿山采空区覆岩材料在拉应力和剪应力作用下细观破裂特征。声发射是覆岩材料受外力作用发生破裂时释放的能量,其出现的位置和能量的大小间接反映了覆岩材料发生破裂的位置和严重程度。岩石材料发生破裂的主要原因是拉应力和剪应力,剪应力主要集中在采空区四周边角区域,拉应力主要集中在采空区顶板区域。剪应力和拉应力对覆岩材料的细观破裂都造成影响;最大剪应力值为11.4 MPa远比最大拉应力值7.77 MPa大,但拉应力的破坏效果更显著。剪应力是造成覆岩塑性破坏的重要因素,拉应力是覆岩垮落的主导因素。研究结果可为金属矿山安全开采提供一定参考依据。     

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。     

基于HHT和AE主频统计的岩石破坏进程分析

岩石的AE波形主频已被证明与内部微破裂模式有着紧密的联系。目前对于岩石声发射波形的主要频谱分析方法以快速傅里叶变换(FFT)和小波变换为主,两者都存在时-频测不准和针对非平稳信号的自适应性不强的问题。目前对于岩石内部破坏过程的研究缺乏宏观定量化的分析工具。本文以自适应性强,可以直接求得时-频分布的希尔伯特-黄变换(HHT)及其边际谱为基础,提出了一套新的波形频谱处理和主频统计方法。利用岩石直接拉伸试验的声发射信号验证,本文方法的统计结果与FFT方法统计得到的主频成分分布特征基本相同,但更加稳定。结合主频统计结果,本文对试件全试验过程的微破裂成分与岩石破坏进程的快慢之间的关系进行了定量的统计分析。通过对定量分析结果的讨论,笔者认为直接拉伸加载模式下微观剪破坏对受力方向上摩擦阻力的破坏效应不可忽略,其会造成强度的大幅下降。     

预制雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程的数值模拟研究

本文采用真实破坏过程分析软件(RFPA)针对预制两条雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程进行了数值模拟,分析结果表明:(1)最大剪应力主要集中在试件与加载板接触位置及雁型裂纹尖端位置附近,岩石的宏观裂纹亦是从该区域开始并不断贯通的,雁型裂纹对岩石试件的宏观破裂起到了引导作用。(2)岩石试件在加载过程中声发射的位置与最大剪应力出现的位置大体上是一致的。加载初期和加载末期声发射事件个数和所释放的能量均较小,而加载中期声发射事件个数较多且能量释放相对较大,预制雁型裂纹的岩石巴西盘在受荷过程中期胶结物发生断裂最为集中。