基于声发射多参量分析的岩桥裂纹扩展研究

为研究开放性岩桥裂纹扩展特征及破裂机制,通过对花岗岩岩桥试样进行单轴压缩试验和声发射监测,基于应力–应变曲线、声发射参数和频谱特征分析其裂纹扩展过程。研究结果表明:裂纹由倾斜预制裂纹尖端起裂,扩展方向受应力方向控制;应力–应变曲线出现"峰前波动上升"和"峰后阶梯式下降"特征;声发射振铃计数率和能率"突增点"与"相对平静期"间隔出现,累计计数和累计能量曲线"台阶式上升","突增点"对应宏观裂纹的形成,而"相对平静期"则是为宏观裂纹增长积蓄能量;声发射频谱对裂纹扩展更灵敏,高频低幅值和低频低幅值信号对应沿晶或穿晶微裂纹,高频高幅值信号对应中尺度或穿晶小尺度裂纹,低频高幅值信号对应宏观大尺度裂纹,中频低幅值信号与已有断面的摩擦有关。本文研究获得的裂纹扩展的声发射特征为岩桥破坏机制和监测提供了依据。     

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。     

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。     

双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性研究

为深入研究双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性,利用自主研发的煤岩双面剪切试验装置及PCI–2型声发射系统,分析砂岩声发射特性随含水率增高声发射特性曲线变化趋势。试验结果表明:砂岩试件在不同含水率条件下,其剪应力随时间变化趋势一致,剪应力达到峰值所需时间随含水率增加呈减少趋势;双面剪切荷载作用下,砂岩的Hit率–时间曲线、累计Hit数–时间曲线均可分为3个阶段,且Hit率峰值滞后于剪应力峰值;砂岩在双面剪切荷载作用下,内部微裂纹萌生、扩展主要始发生于剪应力达到抗剪强度的1/2时,此时砂岩试件处于微破裂稳定发展阶段;砂岩声发射事件幅值由低到高随剪应力增加呈阶梯状分布;砂岩内部微裂纹扩展方式以绕晶而过为主,穿晶破裂为辅。     

钢管混凝土界面黏结破坏的声发射特征及时空演化机制

为研究钢管混凝土界面黏结 滑移的破坏机制,采用声发射(AE)监测系统对9个钢管混凝土试件的推出试验进行了声发射测试,获得了撞击计数、能量释放和频谱特征等AE信号特性。结果表明：荷载 滑移曲线可分为胶结段、非线性滑移段和滑移段。AE撞击计数率、能量释放率与黏结 滑移演化过程形成良好的对应关系。AE频谱特征中,胶结段的AE信号较少,其峰频和幅值分布带在0~80kHz和0~55dB区间;非线性初滑移段的AE信号不断增多,主要来自黏结界面中不断拓展的破坏裂纹,出现高频高幅值AE信号,其分布带集中于150～400kHz和60~90dB区间,非线性初滑移段中高频高幅值信号可作为界面发生黏结破坏的前兆信息;滑移段的AE信号较多,主要来自界面滑移摩擦,以低频低幅值信号为主,其峰频和幅值分布带集中于0～150kHz和0~60dB区间。AE信号源柱面定位结果揭示了推出试验下钢管混凝土界面黏结破坏裂纹从两端开始形成、逐渐向中部拓展的时空演化机制。     

传感器放置位置对花岗岩岩爆声发射频谱特征的影响

为了验证岩爆试验过程中声发射传感器安装位置对采集的声发射信号的影响,以期通过声发射信号的分析得到正确的岩爆信息,采集花岗岩试样,开展传感器直接安装在岩样上和安装在岩样夹持垫块上的真三轴卸载岩爆试验研究。基于应变岩爆试验加载路径,将应变岩爆试验过程分为3个典型阶段,从3个阶段中选取每例应变岩爆试验中声发射信号的6个典型关键区段进行分析。结果表明:岩样夹持垫块相当于一个高通滤波器,即传感器在夹持垫块上的声发射信号只有高频带信号,不能反映岩样的破坏阶段形成的低频振动信息;而传感器直接在岩样上的声发射信号同时具有高频与低频带的信息,能够全面反映岩样加载过程中微裂纹扩展、汇合直至宏观破坏的全频段信息;同时,垫块对声发射信号的辐值具有衰减作用,即降低了信噪比,有可能使得一些主辐值信息难以识别。     

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。     

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。     

岩爆过程的声音信号特征研究

 为探究岩爆过程的声音信号特征,采用自主研发的真三轴岩爆试验机系统,在室内实现花岗岩岩样的岩爆过程模拟,并对试验过程中的声音信号进行全程监测,分析岩爆过程声音信号的波形特征、分形特征以及频谱特征。研究结果表明,岩爆的声音信号波形变化特征能够反映岩爆所经历的主要破坏过程,临近岩爆弹射破坏前,存在一段声音信号波形幅值较小的“相对平静期”;岩爆过程的声音信号幅值具有时间分形特性,声音信号幅值分形维数持续增加至峰值后在一段时间内持续下降至最低值可作为岩爆发生的前兆信息;岩爆过程中,不同破坏现象具有不同的声音频谱特征,声音信号主频总体呈“高频向低频迁移”的演化趋势,频谱形状经历“多峰–单峰”的交替变化过程。岩爆过程的声音信号在波形、幅值的时间分形维数、频谱3个方面具有显著特征与内在演化规律,声音信号的变化特征可作为岩爆预测的前兆信息。     

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。     

岩石节理剪切力学行为的颗粒流数值模拟

 利用颗粒流程序生成岩石节理直剪试验数值模型,进行不同法向应力作用下节理直剪试验的颗粒流数值模拟,研究节理的宏细观剪切力学行为,以及不同法向应力作用下微裂纹的发育及演化规律。结果表明：模型试件在直接剪切过程中表现出类似于真实节理的宏观力学行为,试件的抗剪强度和剪切峰值剪胀角对法向应力的依存关系体现出与JRC-JCS模型预测结果良好的一致性;模型试件主要在节理面两侧的微凸体附近产生接触压力集中现象。法向应力越大,接触压力集中区越多,集中程度越高;随法向应力不断增大,试件内微裂纹的发育速度逐步提高,剪切裂纹发育数目在微裂纹总数中所占的比例逐步增大,但仍远少于张性裂纹;节理面上接触压力的分布特征与模型试件内微裂纹的发育规律一致;节理在外荷载作用下的剪切破坏是节理面上微裂纹汇集贯通的结果,“压致拉”效应在此过程中起主导作用。     

单轴压缩砂岩细观裂纹动态演化特征试验研究

岩石细观裂纹的动态演化特征作为岩石破坏的重要信息,其研究对于分析岩爆的孕育过程及预测岩石动力灾害发生有着重要意义。采用应力分析和声发射参数方法,研究了砂岩在单轴压缩条件下的细观裂纹的强度动态演化特征。试验结果表明,应力与砂岩细观裂纹扩展诱发声发射（AE）事件的强度特征有较好的阶段性变化规律,将峰前裂纹动态演化划分为三个阶段。进一步分析裂纹的类型特征,提出三阶段四维演化过程分析方法。细观裂纹多为张拉型,随着时间的增加,细观裂纹向剪切型裂纹转变,裂纹数量迅速增加,裂纹强度逐渐增大。提出将第三阶段AE事件出现的高强度、高RA、低AF特征作为砂岩破裂失稳的定性预警条件。通过矩张量反演对比分析了的细观裂纹数量和类型的动态演化。     

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。     

Numerical study on static and dynamic fracture evolution around rock cavities

In this paper, a numerical code, RFPA^2D (rock failure process analysis), was used to simulate the initiation and propagation of fractures around a pre-existing single cavity and multiple cavities in brittle rocks. Both static and dynamic loads were applied to the rock specimens to investigate the mechanism of fracture evolution around the cavities for different lateral pressure coefficients. In addition, characteristics of acoustic emission (AE) associated with fracture evolution were simulated. Finally, the evolution and interaction of fractures between multiple cavities were investigated with consideration of stress redistribution and transference in compressive and tensile stress fields. The numerically simulated results reproduced primary tensile, remote, and shear crack fractures, which are in agreement with the experimental results. Moreover, numerical results suggested that both compressive and tensile waves could influence the propagation of tensile cracks; in particular, the reflected tensile wave accelerated the propagation of tensile cracks.     

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。     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。     

单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究

在单轴多级加载条件下，进行花岗岩破坏全过程的声发射试验研究，得到应力-应变、声发射参数与应力和时间的关系。研究结果表明：每级荷载稳压时AE事件率、能率降低，而AE事件数基本稳定或增加平缓，表明稳压阶段试样内原有裂纹未发展、新生裂纹少、声发射水平低。随时间的延长和轴向荷载的增加，AE事件率增加，表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。室内单轴多级加载试验在一定程度上反映出地下厂房分级开挖时应力调整前后声发射的趋势变化，建议在高地应力区进行水电地下厂房岩爆等地质灾害的现场声发射监测时，应选取合适的监测时机，特别要在上下台阶贯通时加强监测。整个加载过程中存在初始区、剧烈区和下降区，多数试样临近峰值强度时声发射活动活跃，尔后AE事件数趋于平缓，AE事件率下降，出现声发射平静期现象。与其他学者的室内和现场试验研究成果作一对比，认为岩体破坏发生前多出现声发射的突然下降或相对平静期现象，并在物理过程上对此作一探讨，为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路。     

应力波作用下三点弯曲梁破坏过程数值模拟

岩石类准脆性材料三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏受应力波加载速率以及应力波峰值的影响。使用新发展的并行RFPA2D-Dynamic数值模拟工具对三点弯曲梁冲击荷载作用下的破坏过程进行了数值模拟,研究了不同加载速率和加载峰值的破坏规律。数值模拟结果与物理实验结果具有较好的一致性。在低加载速率下,三点弯曲梁发生拉伸破坏,且只出现一条裂纹;在较大加载速率时出现多条平行拉伸裂纹;在大加载速率时出现拉伸、剪切复合裂纹。应力波峰值较小时形成单一的拉伸裂纹,而随着加载峰值的提高,形成多条平行拉伸裂纹。     

Rockburst characteristics of several hard brittle rocks:A true triaxial experimental study

Rockburst is a typical rock failure which frequently threatens both human life and construction equipment during highly stressed underground excavation.Rock lithology is a control factor of rockburst.In this paper,rockburst tests were conducted on rectangular prismatic specimens of six types of intact hard brittle rocks,i.e.granodiorite,granite,marble,basalt,sandstone and limestone,under one-free-face true triaxial loading conditions.With the use of high-speed cameras,an acoustic emission(AE)system and a scanning electron microscope(SEM),rockburst of different rocks was investigated.The results show that the strainbursts of granodiorite,granite and marble were accompanied by tensile splitting near the free face,and consequently were relatively strong with a large amount of fragment ejection and kinetic energy release.For basalt,sandstone and limestone,failure was primarily dominated by shear rupture.The strainbursts of basalt and sandstone were relatively small with minor fragment ejection and kinetic energy release;while no burst failure occurred on limestone due to its relatively low peak strength.Rock strength,fracturing and fragmentation characteristics,and failure modes of different rocks can significantly affect rockburst proneness and magnitude.The AE evolution coupled with SEM analysis reveals that the differences in the inhe rent microstructures and fracture evolution under loading are the primary factors accounting for different rockbursts in various rock types.     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。