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。     

劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性

通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验,结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析,探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系.结果表明:基于RA(上升时间与幅值的比值)和AF(平均频率)的变化趋势,不同裂纹模式(拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹)的分布和破坏强度受岩石结构影响,但岩石裂纹演化过程不受其影响.相应地,两种岩样破裂信号均以400～499 kHz为主,100～199 kHz的信号次之,但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同.在微观形貌上,花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主;而大理岩以光滑多面体状为主.此外,结合频率-尺度缩放关系可推测,400～499 kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂;100～199 kHz的信号应主要来自石英矿物颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移.     

地震动特性对边坡动力响应影响的研究

利用时程分析法对均质岩石高陡边坡进行数值模拟研究地震波的周期、持时和幅值三要素对边坡坡面水平和竖直方向峰值加速度放大系数与相对高程之间关系的影响。针对不排水条件下的线弹性边坡得到的结果表明:在相对高程一定的情况下,周期越大,坡面水平峰值加速度放大系数越大,而幅值越大,坡面水平峰值加速度放大系数反而越小;同时在相对高程一定的情况下,周期或者振幅越大,坡面竖直峰值加速度放大系数越大。持时对于边坡坡面水平和竖直峰值加速度放大系数与相对高程的关系无明显影响,只是影响不同高程位置两个方向上的变化速率,但对其整体的变化趋势和变化值影响不大。     

循环荷载下湖相软土动力特性研究

以洞庭湖区沉积软土为对象进行循环振动三轴试验,研究不同动应力幅值、振动频率和围压下湖相软土的动力特性。结果表明:湖相软土轴向累积应变多呈稳定型增长,动应力幅值越大,累积应变越大,振动频率或围压越大,累积应变越小;动孔隙水压力随动应力幅值的增大而增大,受振动频率的影响较小,同时随围压的变化规律不统一,有待进一步研究;动应力幅值或振动频率越大,动弹性模量越小,围压越大,动弹性模量越大,且动弹性模量随振动次数的增加存在衰减现象,衰减规律亦受动应力幅值、振动频率和围压的影响。道路运营初期是软基沉降控制的关键阶段,为减小软基沉降,应特别重视对浅层软土的处理,并严格控制车载质量和车速。     

轴向静载对红砂岩中应力波传播特性的影响试验研究

由于开挖卸荷效应以及原岩应力的复杂性,围岩体承受的静应力大小具有动态变化特点。为了研究静应力大小对岩石应力波传播的影响,利用动静组合加载试验装置,对红砂岩长试件进行小扰动的应力波传播试验,试件轴向静应力分别设置为13个等级。通过应力波传播速度和幅值随传播距离、传播时间以及静应力的衰减规律,研究不同静应力条件下应力波的传播衰减特性。结果表明,相同轴压下,不同测点处应力波形状基本相同;不同轴压下,相同测点处应力形状变化较大,轴压越大,应力波尾部出现的拉伸波越大。随着轴向静应力的增加,岩石纵波波速呈"快速增加–平缓发展–急剧减小"的趋势,轴向静应力与单轴抗压强度之比?s/?c=30%和?s/?c=55%是其2个应力分界点。相同轴压下,应力波幅值随传播距离及传播时间都具有良好的指数关系;随着轴压的增加,空间和时间响应强度逐渐减小,幅值空间衰减系数和时间衰减系数呈"快速减小–平稳发展–急剧增大"的趋势。随轴压增加,相同测点处幅值随轴压衰减系数??s先减小后增大,离冲击端越近测点处的??s变化越敏感。     

弹性纵波入射粗糙节理面透射性能研究

 针对应力波穿过节理面产生的衰减现象,研究节理面的几何形状、法向刚度对应力波的透射性影响。根据节理面几何特性设计6种模拟节理面粗糙程度的节理模型,用UDEC软件模拟一维弹性纵波的入射问题。计算结果表明,节理面的粗糙程度、法向刚度对弹性波的透射系数影响很大,节理面越粗糙,法向刚度越小,弹性波衰减程度越大,弹性波的波速降低越快。     

浆骨比对混凝土梁声发射信号的影响

为研究弹性波在不同浆骨比混凝土内部传播的衰减特性,设计了3组不同浆骨比混凝土梁,提取模拟断铅声发射信号,进行声发射信号特征参数分析及频谱分析。结果表明：3组试件的幅值、能量、信号强度均会随传播距离的增加而呈现指数函数衰减,且衰减系数b因浆骨比的提高均有所下降;能量参数对于浆骨比变化的敏感程度最大,信号强度和幅值依次降低;随着浆骨比的提高,在Sensor1~#～Sensor3~#的峰值频率衰减程度呈现出逐渐递减的趋势。     

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。     

傍山隧洞爆破对结构面边坡振动效应的影响研究

为研究傍山隧洞爆破对含软弱结构面边坡的振动效应,基于平面有限元分析,对隧洞紧邻边坡的振动效应进行了分析。结果表明:不论是均质边坡还是结构面边坡,振速主要受爆心距的控制,在沿高程方向振速总体呈衰减趋势,局部部位出现高程放大现象;对于结构面边坡,由于结构面对波的反射叠加作用,在结构面位置处会发生突然上升后减小的现象,爆破监测中应重视结构面处的测点;结构面厚度越大,坡面振速峰值越大;结构面充填物材料参数性能越差,对应力波的反射和吸收就越多,坡面振速峰值越大;结构面起始位置高程越小,边坡坡面振速峰值越大;不同角度的结构面与坡面或坡顶等临空面形成几个界面,对波造成反射和折射现象,使得波的叠加增强,尤其体现在顺倾角度的结构面边坡。     

孔隙水压力作用下热处理北山花岗岩变形特性试验研究

为研究热-水-力耦合作用对岩石变形特性的影响,利用岩石THM耦合试验系统,对高温热处理后的岩石试样开展高孔隙水压力作用下三轴压缩试验,研究了热处理北山花岗岩在水-力耦合作用下的应力-应变曲线、力学特性、破坏特征以及损伤演化过程。研究结果表明,不同孔隙水压力作用下的s_1-e_1曲线在微裂隙压密和线弹性变形阶段基本重合,轴压增大到裂纹扩展阶段s_1-e_1曲线开始明显偏离,孔隙水压力越大,s_1-e_1曲线向1e轴偏离得越快,试样的峰值强度越低,峰值轴向应变越小,剪切破坏面倾角越陡,损伤演化的速度越快。研究成果表明:孔隙水压力对岩石损伤破坏的影响主要表现在加速岩石从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

含脉状缺陷结构岩石循环加卸载损伤及强度特性试验研究

调查大光包滑坡滑带含脉状缺陷结构岩石碎裂特征,研究该类含缺陷岩石的循环加卸载破损机制,基于图像识别技术对试样中脉状缺陷面积进行统计,分别进行单轴压缩和加卸载试验。试验结果表明,缺陷结构界面易构成试样的潜在破坏面,加卸载应力处于弹性区间仍能明显造成该类试样损伤。同时,缺陷面积比对试样泊松比、损伤规律和峰值强度有较大影响,在加卸载作用下脉状缺陷面积比越大,相同加卸载次数时岩石泊松比越大,造成的损伤程度越高,岩石峰值强度降低越明显;脉状缺陷面积比越小,岩石泊松比越小,造成的损伤程度越低,岩石峰值强度降低有限。研究成果揭示了地震过程中缺陷结构和岩石非协调变形造成的累计损伤和强度劣化特征。     

微地震信号的频率特征

为了研究微地震信号的频率特征,用DB5小波对信号进行5层分解计算显著频率,用窗口傅立叶变换计算瞬时频率,发现频率有衰减趋势。微地震过程中,先产生频率较高的振动,由于岩体阻尼而非面波频散引起振动频率衰减。对微地震信号预分段,用小波提取其频率谱中的频率特征,得到了频率变化的四种趋势。用相邻零点和相邻峰值点法计算信号的半周期,证实了频率存在衰减性,同时发现频率与振幅有关,振幅大(小),频率低(高),这可能是由于岩石的非线性蠕变造成的,可用于研究岩石非线性特性。     

平面P波在含结构面黏弹性岩体中的传播

应力波在节理、软弱夹层等不连续结构面中的传播是岩石动力学的一个重要研究方向。岩石介质对应力波的传播有一定的衰减和时间延迟,往往表现为黏弹性。本文假定岩体为Kelvin体,通过引入应力波的品质因子Q_p和Q_s,建立平面应力波在黏弹性体中的传播方程。对平面P波与线弹性结构面的作用关系进行分析,并基于频域范围内P波经过结构面后的透反射系数的解,分析平面应力波在含一线弹性结构面的黏弹性岩体中的传播规律,求得到达监测面上任意一点处的透射P、S波的速度表达式。运用波的叠加原理,建立平面P波经过黏弹性结构面岩体后的法向和切向透射系数。参数研究表明,应力波在黏弹性体中传播时会产生明显的衰减和时间延迟,结构面特性及入射波频率等对透射系数均有一定影响。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

基于应力–应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法

 脆性是岩石的一种重要性质,岩石的许多力学行为都与其脆性有关。总结现有的基于强度、应力–应变曲线、加卸载试验、硬度、矿物成分等脆性指标,并详细分析这些指标在评价岩石脆性时的局限性。为合理、准确评价岩石的脆性程度,提出一种建立在应力–应变曲线峰后应力降的相对大小和绝对速率基础上、能够考虑岩石塑性屈服特性和应力状态影响的新的脆性指标,并开展单轴和三轴压缩实验对新指标进行检验。试验结果表明：水泥砂浆和大理岩脆性程度均随围压增大而减小,相同应力状态下大理岩脆性程度均大于水泥砂浆,这与二者实际脆性程度相符;单轴试验条件下灰岩、大理岩、花岗岩和红砂岩的脆性程度依次减小,破坏时的轴向应变逐渐增大,这与“应变越低脆性程度越大”吻合。试验结果可很好地验证该脆性指标的可靠性,研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性特征评价方法具有重要意义。     

远场爆破水平应力波扰动下分层胶结充填体矿柱的动力响应机制

为研究远场爆破扰动下分层胶结充填体矿柱的动力响应机制,综合分层充填体的结构特征及其与围岩、周边充填体的相互作用,首次构建不同灰砂比的分层充填体多自由度结构响应模型方法,以冬瓜山铜矿3分层矿柱为例进行计算分析,与数值模拟及现场监测的结果进行对比验证,预判其稳定性,并研究不同应力波频率对其作用机制。结果表明:在远场水平爆破应力波作用下,结构响应模型法的分析结果与数值模拟、现场监测结果基本吻合。灰砂比大小严重影响分层胶结充填体的速度、位移响应,及不同灰砂比充填体的响应峰值大小;灰砂比越小,分层充填体振动周期越大,速度、位移响应峰值越大,结构稳定性越差;低灰砂比分层充填体是矿柱结构中的最薄弱区域,容易发生失稳现象。应力波频率明显影响充填体的速度、位移响应峰值,二者变化趋势线均呈"单峰"特征,前者滞后后者出现拐点;在低频阶段,充填体的振动周期增加,二者增加速率先小后大;当频率接近充填体自振频率时,充填体将发生共振现象,二者峰值达到最大值;在高频阶段,二者峰值不断衰减。研究成果为远场爆破扰动下充填体矿柱稳定性判定提供理论支撑。     

一维块系地质块体波动特性的试验和理论研究

深部岩体具有块系等级构造特性,俄罗斯深部矿山原位量测得到的摆型波(μ波)产生于动力冲击作用下(如深部地震、岩爆和封闭核爆等)块系岩体的运动,是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性波。为了证明μ波的存在,并对块系块体介质中应力波传播特性及块体材料、尺寸和结构形式的影响进行研究,利用自主研发的深部岩体动态特性试验系统,分别对6种具有不同特征尺寸的花岗岩和水泥砂浆块系块体模型和连续块体模型进行一维低速冲击试验。试验表明:对于两种结构形式的介质,一维冲击作用下,块体(测点)三向加速度幅值均随冲击能量提高近似线性增加。对于块系块体介质,块体三向加速度幅值随块体个数增加呈一阶指数衰减,并且衰减系数与冲击能量无关;冲击能量仅仅改变加速度波谱密度幅值,而对三向振动极值频率没有影响,并且块体越多,能量越大,块体振动波谱趋于低频波的趋势越强;通过对比试验结果和原位量测结论(关于μ波无量纲冲击能量判据,波速和振幅,波谱峰值频率等),证明了块系介质中出现的低频低速波就是μ波;通过对5种块系块体模型三向加速度频谱进行分析,证明其振动极值频率满足定量的规范序列关系(2~(1/2))i f 0,推广了原位测量试验结论。并且上述规律中,块体材料和尺寸效应不明显,而对于连续块体介质上述规律均不成立。最后,分别采用黏弹性夹层和刚性块体、集中质点以及弹性块体三种理论计算模型对冲击作用下块系块体运动参数进行分析,计算结果和试验曲线吻合较好,并讨论了夹层参数的敏感性。     

骨料品种对水工混凝土变形特性的影响

通过试验,研究不同骨料混凝土的变形特性,包括不同骨料对混凝土弹性模量、极限拉伸值以及对砂浆、混凝土干缩的影响,并通过平板法和TST开裂试验,定量分析不同骨料混凝土的早期开裂敏感特性。结果表明,在同水胶比条件下,不同品种骨料的混凝土试件后期弹性模量大小顺序均为:灰岩玄武岩大理岩≈花岗岩砂岩;不同品种骨料混凝土试件28 d龄期以后极限拉伸值从高到低依次为砂岩灰岩大理岩玄武岩≈花岗岩;不同品种骨料的水泥砂浆与混凝土试件干缩率大小依次为:砂岩玄武岩≈花岗岩≈大理岩灰岩;从早期抗裂性能以及长期收缩结果来看,灰岩骨料混凝土和大理岩混凝土的抗裂抗收缩性能优于其他类型混凝土。     

超声波透射法检测装配式结构缺陷的试验研究

通过预埋缺陷于装配式结构中的叠合墙,对不同缺陷厚度进行超声波透射法检测,分析出时、频域,通过对波速进行数理分析,得出以下主要结论:①波速与混凝土强度呈现弱相关性;②波速与缺陷空隙厚度呈强相关性,其关系可以进行定量分析,缺陷空隙厚度越大,波速越小;③缺陷厚度与峰频率呈强相关性,但其关系只能作为一种定性分析,缺陷厚度越大,混凝土的峰频率幅值衰减得越大.     

超声波透射法检测装配式结构缺陷的试验研究

通过预埋缺陷于装配式结构中的叠合墙,对不同缺陷厚度进行超声波透射法检测,分析出时、频域,通过对波速进行数理分析,得出以下主要结论:①波速与混凝土强度呈现弱相关性;②波速与缺陷空隙厚度呈强相关性,其关系可以进行定量分析,缺陷空隙厚度越大,波速越小;③缺陷厚度与峰频率呈强相关性,但其关系只能作为一种定性分析,缺陷厚度越大,混凝土的峰频率幅值衰减得越大.